Исследование условий остеоинтеграции зубного импланта при ударно-волновом терапевтическом воздействии

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-29-00212

НазваниеИсследование условий остеоинтеграции зубного импланта при ударно-волновом терапевтическом воздействии

Руководитель Смолин Алексей Юрьевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук , Томская обл

Конкурс №78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-106 - Проблемы механики в проектировании новых материалов

Ключевые слова Остеоинтеграция, зубной имплант, ударно-волновая терапия, многоуровневое компьютерное моделирование, метод подвижных клеточных автоматов

Код ГРНТИ76.03.29

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Зубная имплантация становятся все более распространенной частью современного стоматологического лечения с долгосрочным успехом, превышающим 90%. Наиболее длительным и важным этапом при установке зубного импланта является остеоинтеграция – вживление металлического импланта в костную ткань. Улучшения остеоинтеграции добиваются за счет разработки оптимального дизайна поверхности импланта. Кроме того для ускорения процесса остеоинтеграции в настоящее время разрабатываются методы неинвазивного воздействия, которые делятся на медикаментозную терапию, и также внешнее механическое воздействие. Перспективным для увеличения скорости и качества остеоинтеграции является использование внешней ударно-волновой терапии, которая хорошо себя зарекомендовала для лечения переломов, костных дефектов и регенерации костных тканей при хирургическом вмешательстве и протезировании. Методики лечения в основном исследуется in-vivo на подопытных животных. Однако, исследование на мелких млекопитающих не являются представительным, т.к. чаще всего подопытные животные здоровые, а их продолжительность жизни относительно мала, вследствие чего у них отсутствуют дегенеративные возрастные изменения, как у человека. Альтернативой проведению натурных экспериментов является компьютерное моделирование (in-silico), которое уже достаточно хорошо зарекомендовало себя в механобиологии. Отметим, что в силу того, что регенерирующий эффект механических воздействий начал исследоваться относительно недавно, теоретических работ по этой теме достаточно мало. В проекте предлагается с помощью многоуровневого компьютерного моделирования исследовать эффекты низкоэнергетической ударно-волновой терапии различного диапазона на механическое поведение костных тканей с учетом физиологических особенностей в зоне установки дентального импланта. В частности, будут определены особенности полей напряжений и деформаций в тканях, что позволит оценить возможность ускоренной остеинтеграции импланта. На клеточном уровне предлагается исследовать механическое поведение конгломерата остеонов и единичного остеона при ударно-волновом воздействии различной интенсивности. На мезоуровне предлагается исследовать механическое поведение костной ткани при ударно-волновом нагружении на образцах элементарной геометрической формы. На макроуровне будет исследовано механическое поведение сегмента челюсти с имплантом с учетом реальной геометрии. Моделирование предлагается проводить с помощью метода подвижных клеточных автоматов, преимуществом которого является возможность явного учета пористости, жидкости в порах, и других структурных особенностей гетерогенных материалов, а также процессов зарождения и развития в них повреждений. В результате выполнения проекта предполагается определение условий, при которых ударно-волновая терапия способствует остеоинтеграции дентальных имплантов, а также получение новых знаний о том, какие параметры ударно-волнового воздействия являются для этого оптимальными.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Смолин А.Ю., Еремина Г.М., Мартышина И.П. Simulation of mechanical processes at the contact region of a dental implant with bone tissues under shock wave treatment Journal of Materials and Engineering, Vol. 1, Iss. 2 p. 92–96 (год публикации - 2023)
10.61552/JME.2023.02.006

2. Смолин А.Ю., Еремина Г.М., Мартышина И.П. Simulation of mechanical processes at the contact region of a dental implant with bone tissues under shock wave treatment SERBIATRIB ’23 18th International Conference on Tribology. 17–19 May 2023, Kragujevac, Serbia. Proceedings. – Kragujevac: University of Kragujevac, P. 679–683 (год публикации - 2023)

3. Cмолин А.Ю., Еремина Г.М., Мартышина И.П. Simulation of the mechanical behavior of a dental implant in bone tissue under shock wave treatment Russian Physics Journal, Vol. 66, No. 12. P. 1310–1315. (год публикации - 2024)
10.1007/s11182-023-03077-x

4. Cмолин А.Ю., Еремина Г.М., Мартышина И.П., Се Ц. Biomechanics of osseointegration of a dental implant in the mandible under shock wave therapy: In silico study Materials, Vol. 17, No 24, 6204 (год публикации - 2024)
10.3390/ma17246204

5. Cмолин А.Ю., Еремина Г.М., Мартышина И.П. Modeling the stress state of the mandibular segment with a dental implant under shock wave therapy Russian Physics Journal, Vol. 67, No. 9, P. 1421–1427 (год публикации - 2024)
10.1007/s11182-024-03263-5

6. Смолин А.Ю., Еремина Г.М., Мартышина И.П. Моделирование напряжённого состояния фрагмента челюсти с имплантом в условиях ударно-волновой терапии Труды международной научно-практической конференции «XVI Сагиновские чтения. Интеграция образования, науки и производства», 13-14 июня 2024 г. В 3-х частях. Часть 2 / НАО «Карагандинский технический университет имени Абылкаса Сагинова». – Караганда: Изд-во КарТУ им. А.Сагинова. – 2024, ч. 2, C. 313–315 (год публикации - 2024)

7. Смолин А.Ю., Еремина Г.М. Modeling osteocyte under shock-wave therapeutic loading FACTA UNIVERSITATIS Series: Mechanical Engineering, Vol. 22, No 3, p. 435–447 (год публикации - 2024)
10.22190/FUME231202006S

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
1) Разработаны трёхмерные макроскопические пороупругие модели сегмента нижней челюсти с имплантом второго премоляра на разных стадиях его интеграции, основанные на данных компьютерной томографии и учитывающие такие физиологические особенности, как послойная структура тканей и их пороупругие свойства. Данные модели верифицированы путём анализа на сходимость значения жёсткости с уменьшением размера автомата. Валидация проведена путём сравнения полученного значения жёсткости и значений напряжений вокруг импланта с данными экспериментов и расчётами других авторов. На основе этих моделей впервые проведено численное изучение механического поведения сегмента челюсти с зубным имплантом при физиологическом нагружении и в условиях воздействия аппарата ударно-волновой терапии (УВТ) на разных этапах интеграции импланта. На основе анализа полученных данных по напряжённо-деформированному состоянию модельных образцов в соответствии с механобиологическими принципами сделаны выводы об особенностях развития костных тканей челюсти вокруг импланта в условиях УВТ. По результатам моделирования установлен диапазон параметров УВТ, который может оказать положительный эффект для ускорения остеоинтеграции имплантов. 2) На основе моделирования показано, что в нижней челюсти с имплантом второго премоляра условия, необходимые для его интеграции, создаются даже при низкой физиологической нагрузке, имитирующей состояние покоя. Высокая физиологическая нагрузка, имитирующая процесс жевания, более благоприятна для дистантной интеграции с образованием тонкого слоя фиброзной ткани вокруг импланта. При любой физиологической нагрузке условия для регенерации костной ткани создаются только вокруг апикальной части импланта. На относительно небольшом участке вокруг импланта наблюдаются условия для формирования фиброзно-хрящевой ткани, что может привести к дистантной интеграции. Таким образом, согласно разработанной модели интеграция импланта начинается с апикальной части и медленно продвигается вдоль него вверх к кортикальной ткани. В целом полученный результат соответствует стоматологической практике, а также данным моделирования, представленным в литературе, что свидетельствует о корректности разработанной модели. 3) Результаты моделирования воздействия УВТ на нижнюю челюсть с имплантом второго премоляра и их анализ согласно механобиологическим принципам показали, что на первом этапе интеграции дентального импланта предпочтительнее УВТ с плотностью потока энергии (ППЭ) в диапазоне 0,05–0,15 мДж/мм2. В этом случае наблюдаются благоприятные условия для прямой интеграции. При меньшей интенсивности УВТ также создаются условия для дифференцировки остеобластов, но перенос дифференцируемых клеток из старой костной ткани возможен только в небольшом объёме пери-имплантной зоны. При более высокой интенсивности УВТ возможно формирование слоя фиброзной ткани вокруг импланта (дистантная интеграция). На втором этапе интеграции импланта УВТ с ППЭ в диапазоне от 0,05 до 0,15 мДж/мм2 положительно влияет на дифференцировку остеобластов в грануляционной ткани. УВТ высокой интенсивности (>0,15 мДж/мм2) приводит к эндохондрального окостенению (через хрящевую ткань) вокруг импланта в непосредственной близости от аппликатора УВТ. В то же время наличие тонкого фиброзного слоя вокруг импланта, может приводить к увеличению его жёсткости и толщины. На самом длительном этапе ремоделирования волокнистой костной ткани в зрелую кость воздействие УВТ низкой интенсивности (<0,05 мДж/мм2) является оптимальным для активного переноса биологических клеток из окружающей старой костной ткани и их последующей дифференцировке в остеобласты. Применение средне- и высокоинтенсивного воздействия приводит к негативному эффекту образования волокнисто-хрящевой ткани на границе кость-имплант и увеличению толщины и жёсткости фиброзного слоя, окружающего имплант при его наличии. 4) Разработаны численные модели системы остеоцитов различной пространственной организации для исследования терапевтического ударно-волнового воздействия на процессы остегенеза на микроуровне. Анализ результатов моделирования согласно механобиологическим принципам показал, что для ремоделирования костной ткани по эндесмальному типу окостенения необходимо нагружать среду остеоцитов мощными волнами сжатия. УВТ низкой и средней интенсивности способствуют дифференцировке остеокластов и резорбции кости. Однако, учитывая малость длительности воздействия в моделях микроуровня, следует отметить, что в целом полученные результаты согласуются с результатами макроуровня. 5) Анализ результатов, полученных в ходе экспериментальных исследований другими учёными, показывает увеличение плотности костной ткани в области зуба, под действием УВТ с ППЭ в диапазоне 0,19–0,5 мДж/мм2 и положительный эффект на регенерацию костных тканей вокруг ортодонтально перемещённых зубов УВТ с ППЭ 0,19 мДж/мм2. Эксперименты in vivo продемонстрировали увеличение скорости остеоинтеграции зубных имплантов, вставленных в бедренные кости новозеландских кроликов, при воздействии УВТ с ППЭ 0,3 мДж/мм2. Эти данные в целом соответствуют полученным в ходе проекта результатам моделирования, что воздействие низкоинтенсивной терапевтической ударной волны может ускорить приживление зубного импланта и способствовать прямой остеоинтеграции за счёт действия факторов роста. Основным преимуществом УВT по сравнению с физиологическими нагрузками является создание условий, способствующих регенерации биологических тканей необходимого типа одновременно по всей поверхности импланта. Это может существенно повлиять на скорость интеграции зубного импланта на этапе остеоиндукции (начальной стадии остеоинтеграции) и, что наиболее важно, на заключительном и самом длительном этапе ремоделирования волокнистой костной ткани.

Публикации

Возможность практического использования результатов
На данном этапе непосредственной возможности использования результатов проекта в экономике нет. Показана принципиальная возможность ускорения остеоинтеграции дентальных имплантов за счёт локального применения ударно-волновой терапии. Сформулирован диапазон плотности потока энергии аппаратов УВТ, наиболее рациональный на каждом этапе интеграции импланта. Разработанные компьютерные модели могут составить основу для расчёта параметров УВТ для конкретного пациента с учётом его физиологических особенностей. Таким образом, результаты данного проекта является фундаментальной основой для проведения дальнейших прикладных исследований с целью разработки персонализированных планов лечения в зубных клиниках.