Evaluation of mechanical stresses in human mandible under posterior teeth occlusion

Orientador: Paulo Henrique Ferreira CariaTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Odontologia de PiracicabaResumo: O corpo da mandíbula sofre remodelação pelas tensões geradas pelos dentes e ação muscular. Para avaliar a resposta mecânica funcional da estrutura óssea mediante esforço mastigatório, diferentes métodos têm sido utilizados, dentre os quais se destacam as análises fotoelásticas e de elementos finitos. O objetivo deste estudo foi avaliar o efeito de tensões oclusais no corpo da mandíbula, pelas análises fotoelástica e de elementos finitos. Para a primeira avaliação foi reproduzido um modelo de resina fotoelástica por duplicação de uma hemimandíbula dentada. Os dentes antagonistas também foram duplicados em resina para simular a condição de oclusão com os dentes posteriores inferiores. Para o teste de carregamento, cargas verticais de 50, 100, 150, 200N, foram aplicadas no longo eixo do primeiro molar superior. Imagens foram obtidas mostrando franjas isocromáticas para avaliação das tensões geradas na face lateral da mandíbula. A partir da tomografia computadorizada da mesma hemimandíbula, foi construído o modelo de elementos finitos. As condições de carga e suporte aplicadas na análise de elementos finitos foram às mesmas aplicadas na análise fotoelástica. As estruturas foram caracterizadas conforme as propriedades mecânicas de resina epoxi e osso. Na análise fotoelástica, verificou-se que na carga de 50N, as tensões se concentraram apenas nas áreas 1 e 5 com franjas de ordem 1. Na carga de 100N as tensões se concentraram nas áreas 1, 2, 3, 4, 5 e 6 com franjas de ordem 1. Na carga de 150N as tensões se concentraram nas áreas 1, 2, 3 e 4 com franjas de ordem 2 e nas áreas 5, 6, 7 e 8 com franjas de ordem 1. Na carga de 200N as tensões se concentraram nas áreas 1, 2, 3, e 4 com franjas de ordem 3; as áreas 5 e 6 apresentaram-se com franjas de ordem 2; e as áreas 7, 8, 9, 10 e 11 apresentaram franjas de ordem 1. Em todas as cargas aplicadas não houve concentração de tensões nas áreas 12, 13 e 14. Na análise de elementos finitos, as tensões de Von Mises se distribuíram de forma similar tanto no modelo caracterizado como resina quanto como osso. As tensões ocorreram em maior intensidade nas áreas próximas aos molares, ou seja, 1, 2, 3 e 6. Em todas as cargas aplicadas, e em ambos os modelos, os valores das tensões de Von Mises foram menos intensas nas áreas 12, 13 e 14. Ambas as análises mostraram que o corpo mandibular concentra tensões provenientes das cargas oclusais posteriores no trígono retromolar, linha oblíqua e processo alveolar ao nível dos molares quando submetidas a tensões no primeiro molarAbstract: The form and function of human jaw report that the region of the mandibular corpus reshapes itself forward of the stresses generated by teeth and muscle function. To evaluate the mechanical response of the bone structure by functional masticatory effort, different methods for biomechanical studies have been used, among which stand out the photoelastic and finite element analysis. The aim of this study was evaluate the effect of occlusal stresses in the mandibular corpus by photoelastic and finite elements analysis. The totally dentate hemimandible photoelastic resin model and its respective antagonist posterior teeth were obtained by replication of the natural mandible. For the load test, were applied vertical loads with 50, 100, 150, and 200N at a fixed point of the long axis of upper 1st molar. Images of each load application showing isochromatic fringes were obtained for stress evaluation generated on the lateral face of the jaw. The finite element model was build based upon a CT scan of the same jaw used to perform the replicas. The load and support conditions applied to the finite element analysis were the same as applied in the photoelastic analysis. The mechanical properties of structures were characterized based on epoxy resin and bone. In photoelastic analysis, we verify that, under a 50N load, the stresses were concentrated in the 1 and 5 areas with order fringe 1. Under a 100N, the stresses were concentrated in the 1, 2, 3, 4, 5 and 6 areas with order fringe of 1. Under a 150N were applied, the stresses were concentrated in 1, 2, 3, and 4 areas with order fringe of 2; and in the 5, 6, 7 and 8 areas with order fringe of 1. Loads with 200N resulted in stresses concentrated in the 1, 2, 3, and 4 areas with order fringes of 3; 5 and 6 areas present order fringes of 2; 7, 8, 9, 10 and 11 present order fringes of 1. In all loads applied there was no stress concentration in the 12, 13 and 14 areas. In finite element analysis, the Von Mises stresses were distributed similarly in both characterized models, epoxy resin and bone. Higher intensities of stresses occurred in the molars regions, ie, 1, 2, 3 and 6. In all applied loads, and in both models, the values of the Von Mises stresses were less intense in 12, 13 and 14 areas. The morphology of the mandibular corpus is subjected to high stress concentration, mainly, retromolar trigon, oblique line and alveolar process at the molars when submitted to stresses in the 1st molarDoutoradoAnatomiaDoutora em Biologia Buco-Denta