Фазовое поле вероятности образования крупных трещин
При полной или частичной потере зубов часто устанавливают съемные пластиночные протезы. Они считаются самым дешевым методом восстановления эстетической и жевательной функции. Но такие конструкции подвергаются высоким нагрузкам при использовании и могут привести к поломке основания протеза. Чтобы создавать их более высокого качества для долгой и удобной носки, важно определять, какие нагрузки способен выдержать искусственный зубной ряд и как они влияют на физиологические процессы в целом. Ученые Пермского Политеха совместно с биомеханиками Российского университета медицины и инженерами ООО «Конструкторское бюро технических средств реабилитации» исследовали напряженно-деформированное состояние съемного пластиночного протеза из полимера и изучили появление крупных трещин и повышенного давления на окружающие мягкие ткани. Моделирование позволит отследить риск развития чрезмерных нагружений и патологических состояний в полости рта.
Статья с результатами опубликована в «Российском журнале биомеханики», 2024 год. Исследование выполнено при финансовой поддержке Пермского научно-образовательного центра «Рациональное недропользование».
– Съемный пластиночный протез – это пластина (базис) в виде десны с искусственными зубами. Такая конструкция может полностью или частично заместить зубочелюстной аппарат. Однако она не долговечна. Во время жевания подвергается нагрузкам, которые со временем приводят к поломке базиса. Поэтому для качественного производства таких протезов проводят моделирование нагружений, чтобы оценить их прочность и надежность, – рассказывает Сергей Муслов, профессор Российского университета медицины, кандидат физико-математических наук, доктор биологических наук.
– Но при этом напряжения, которые формируются в слизистой оболочке рта, обычно не учитывают при моделировании, хотя она играет большую роль в распределении нагрузок на окружающие мягкие и костные ткани челюсти. Как опора для протеза, слизистая оболочка может испытывать чрезмерное воздействие, которое приводит к изменению физиологических процессов и развитию заболеваний, – поясняет Евгений Чижмаков, ассистент Российского университета медицины.
Ученые исследовали напряженно-деформированное состояние иммедиат-протеза (замещает один зуб или несколько) с напечатанным зубным рядом и базисом из полимерных материалов. Моделировали постепенное нагружение конструкции, чтобы оценить возможность появления крупных трещин и уровень развивающихся напряжений в мягких тканях.
– Модель представляла собой боковой отдел челюсти и состояла из зубного ряда, связывающего слоя, базиса протеза и кости. На конструкцию прикладывали нагрузку, свойственную людям при жевании во время приема пищи – от 100 Н до 500 Н под разными углами. С ее ростом постепенно увеличивались и максимальные напряжения. Наименьшие при нагрузке 500 Н наблюдаются в десне, а наибольшее значение напряжения установили в связывающем слое, – поделился Алексей Никишенко, генеральный директор ООО «Конструкторское бюро технических средств реабилитации», кандидат технических наук.
Элементы модели отличаются по «чувствительности» материалов к нагрузке. Так, самую высокую зарегистрировали у связывающего слоя, а низкую – у слизистой оболочки.
– Наличие в элементе конструкции трещины еще не говорит о ее немедленном выходе из строя. При некоторых докритических напряжениях она не будет развиваться и тогда элемент с дефектом можно использовать еще какое-то время. У полимеров микротрещины могут изначально образовываться на производстве. Зная порядок механических напряжений, которые действуют в протезе, мы можем отследить период формирования больших трещин, приводящих к хрупкому разрушению базиса, – объясняет Владислав Никитин, доцент кафедры «Вычислительная математика, механика и биомеханика» ПНИПУ, кандидат физико-математических наук.
Учитывая свойства полимерного материала, ученые вычислили, что начиная с размера 1,88-2,69 мкм, микротрещина будет развиваться практически мгновенно, что может привести к нарушению сплошности, потере функциональных свойств и, в конце концов, к поломке конструкции.
Исследователи также рассчитали вероятность образования крупных трещин в элементах протеза. Оказалось, что наибольшая характерна для зон контакта зубного ряда со связывающим слоем (0,73%) и это весьма приемлемое значение для успешной эксплуатации данных протезов с напечатанными зубами и базисом из полимера.
Исследование ученых позволяет отследить риск развития чрезмерных нагружений на элементы съемного зубного протеза. Так можно уточнить зоны, наиболее подверженные возникновению трещин и развитию патологических состояний в полости рта. Полученные результаты полезны для повышения качества зубного протезирования в стране.
