FİGES ARGE Dergisi / Dental İmplant Analizleri
Dental İmplant Analizleri
Onur Ağdacı / Makine Mühendisi / FİGES
Diş implantları; travma, çürük, endodontik veya periodontal patolojiler sebebi ile çekim endikasyonu bulanan veya kaybedilen dişlerin telafisi amacı ile atravmatik cerrahi operasyon tekniğiyle çene kemiklerine yerleştirilerek diş kökü işlevini gören; genellikle kök veya vida formunda, çoğunlukla titanyum ve alaşımlarından mamul cisimlerdir.
Günümüzde doğal dişlere en iyi alternatif olan diş implantlarının, işlevini daha sağlıklı bir şekilde yerine getirmesi ve kullanım süresince ortaya çıkabilecek sıkıntıların en aza indirilmesi amacıyla uluslararası kuruluşlar tarafından standartları belirlenmiştir (Food and Drug Administration [FDA], ISO 14801). Üretimi gerçekleştirilecek olan implantların, uluslararası kuruluşlar tarafından belirlenen bu standartları yerine getirmesi gerekmektedir.
Sonlu elemanlar teknolojisindeki gelişmeler ve ANSYS'in bu teknolojiyi kullanıcı dostu haline getirmesi, birçok alanda olduğu gibi, medikal alanda da çok sayıda yeniliği beraberinde getirmektedir. Geliştirilen yeni dental implant modellerinin standartlar tarafından belirlenen koşulları sağlayıp sağlamadığı, ANSYS ortamında simüle edilerek gözlemlenebilir. Böylelikle test işlemi esnasında ortaya çıkabilecek sıkıntılar, henüz tasarım aşamasındayken tespit edilerek gerekli düzenlemeler yapılabilir. Bu sayede, zamandan ve ilave testler için gereken harcamalardan da tasarruf edilebilir.
Bu çalışmada, NucleOSS firması tarafından belirlenen dental implant modellerine, standartlarda belirtilen yükleme ve sınır koşulları, nonlinear kontak modelleri kullanılarak uygulanmış ve sonuçlar karşılaştırılmıştır.
Şekil 1. Yükleme durumu.
2. Test Standartları
ISO 14801 test standardı, imal edilmiş tek bacaklı dental implant modelleri ve bu implant modellerine ait bileşenlerin yorulma test metodunu tanımlamaktadır. Genellikle farklı boyut ve tasarımlardaki dental implant modellerinin karşılaştırılmasında kullanılır . Bu test standardı, bir kemik içi dental implant gövdesi ve bileşenlerinin, "en kötü durum" koşulları altında oluşabilecek fonksiyonel yükleme durumlarına karşı davranışlarını inceler.
Dental implant gövdesi, tutucu numune parçasına, standartlarda belirtildiği üzere, Şekil 1’deki gibi yerleştirilir. Belirlenen yükleme değeri, dental implant ekseni ile 30 derecelik açı yapacak şekilde sisteme uygulanır. Belirlenen bu yükleme değeri, tekrarlı yüklemeler halinde uygulanarak sistemin ömrü tespit edilir. Bir dental implantın başarılı sayılabilmesi için, elde edilen ömür değerinin, standartlarda belirtilen ömür değerinden yüksek olması gerekmektedir. Ayrıca birden fazla implant modeli üzerinde yapılacak benzeri çalışma ile sonuçların doğrulanması da gerekmektedir.
3. Nonlinear Kontak Modeli
1600'lü yıllarda Robert Hook, "Hook Yasası" olarak da bilinen, kuvvet (F) ve yer değiştirme (u) arasındaki doğrusal ilişkiyi tanımlamıştır:
Rijitlik matrisi K, lineer yapılarda sabitken, nonlineer yapılarda yüklemeye bağlı olarak değişir. Nonlineeritenin üç temel nedeni vardır.
1. Geometrik Nonlineerite: Yapılarda meydana gelen büyük yer değiştirme sonucu
rijitlik matrisinin değişmesi (Şekil 2).
Şekil 2. Geometrik nonlineerite. 2. Malzeme Nonlineeritesi: Doğrusal olmayan gerilme-gerinme ilişkisi sonucu, rijitlik matrisinin değişmesi (Şekil 3).
Şekil 3. Malzeme nonlineeritesi.
3. Kontak: Temas halinde olan parçaların, temas edip ayrılmaları gibi durumlarında meydana gelen değişimler sonucu, rijitlik matrisinin değişmesi (Şekil 4).
Şekil 4. Kontak nonlineeritesi
4. Dental İmplant Analizleri
Bu çalışmada, ISO 14801 standardı tarafından belirtilen yükleme ve sınır koşulları, nonlinear sürtünmeli kontak modelleri kullanılarak 5 farklı dental implant modeli için uygulanmış ve deformasyon ve gerilme değerleri incelenmiştir. Dental implant modellerinde, ortalama 92.000 düğüm noktası ve 52.000 eleman kullanılmıştır. Dental implanlara ait sonlu elemanlar modelleri, Şekil 5’te verilmiştir.
Eleman sayısını azaltmak amacıyla "Tutucu Numune" katı cisim olarak modellenmiş ve alt yüzeyi "Uzak Sınır Koşulu" kullanılarak sabitlenmiştir. Standartlarda belirtilen yükleme değeri, implant modelinin üst kısmında yer alan ve normali implant ekseni ile 30 derece açı yapacak şekilde hazırlanmış yüzeye etki etmektedir.
Şekil 5. Dental implanlara ait sonlu elemanlar modelleri. Dental implant modellerinde meydana gelen toplam deformasyon miktarı, Şekil 6'da gösterilmiştir. Dental implant modellerinde meydana gelen eşdeğer gerilme değeri ise Şekil 7’de verilmiştir.
Şekil 6. Toplam deformasyon.
Şekil 7. Eşdeğer gerilme. Çok parçalı T3, T4 ve T5 dental implant modellerinde, nonlineer sürtünmeli kontak modelleri kullanılmıştır. Böylelikle bu kontaklardaki ayrılma gözlemlenebilmektedir. Yükleme durumu neticesinde kontak bölgelerinde meydana gelen örnek bir ayrılma, Şekil 8’de gösterilmiştir. Kontak bölgelerindeki bu değişim, dental implant sisteminin mukavemetini etkilemektedir.
Şekil 8. Kontak ayrılması.
Elde edilen veriler ışığında belirlenen dental implant sistemi, ISO 14801 standartlarına göre teste tabi tutulacaktır.