Structural analysis of different attachment systems for implant-supported mandibular prostheses

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica apresentada à Faculdade de Ciências e TecnologiaObjetivo: Um dos tratamentos para a reabilitação protética de um paciente é a prótese total removível ou Overdentures, constituído por: implantes ligados através de uma barra rígida, fixando a prótese através de clipes. A principal desvantagem deste sistema é que os clipes geralmente são metálicos e exigem trabalho do laboratório sempre que fraturam, ou perdem a retenção, provocando elevadas implicações financeiras. Posto isto, o objetivo deste projeto é o planeamento de um sistema de retenção fiável e de boa manutibilidade, constituído por dois implantes, uma barra, um clipe e um Housing. A barra une os dois implantes com uma geometria experimental. Os clipes são alojados num Housing para serem facilmente substituíveis.Materiais e Métodos: O estudo tem uma parte numérica e uma parte experimental. Inicialmente, na parte numérica, projetou-se o conjunto (barra, clipe, Housing) no Autodesk Inventor Professional 2021, para posteriormente importar no ADINA AUI 9.7. Analisando as vantagens e desvantagens, de todas as geometrias modeladas e o seu comportamento à mastigação foi possível definir uma geometria, para posterior otimização. De seguida, foram realizadas várias simulações da inserção/remoção da prótese, com o intuito de atingir o valor de força pretendido e perceber as modificações necessárias. Como os materiais utilizados (TPU, Nylon) têm um módulo de elasticidade de uma ordem de grandeza diferente foi realizada uma otimização, para materiais com menor módulo e outra para materiais com maior módulo.Na parte experimental, fabricou-se um bloco de espuma rígida de poliuretano, para simular o osso cortical. De seguida, foram colocados dois implantes da Straumann, centrados na largura e comprimento do bloco, com distância entre centros de 16 mm. Colocou-se um pilar aparafusado em cada implante, para posteriormente ser possível fixar a barra, através de dois parafusos oclusais. A barra, de liga Cr-Co, foi fresada na máquina DENTAL Concept Systems-DC7. Posteriormente, produziram-se os 3 clipes numa impressora 3D laser, denominada por NextDent 5100. Por fim, obtiveram-se os dois modelos de Housing por fundição. De forma a perceber a influência da interferência e do comprimento dos lábios do clipe foram criados 3 grupos de estudo. Todos os grupos de estudo utilizam a barra fabricada com geometria experimental e o Housing de flexão, diferenciando-se pelo clipe utilizado. Por isso, são definidos e identificados pelo nome do clipe: Grupo1-Clipe Curto; Grupo2-Clipe longo; Grupo3-Clipe longo com interferência. Para analisar os diferentes grupos foram elaborados 3 protocolos: inserção/remoção, mastigação e combinado (inserção/remoção e mastigação). Resultados: Na parte numérica, com as geometrias do conjunto otimizadas, obteve-se com o clipe de TPU uma força de inserção de -4,57 N e de remoção de 3,43 N. Com o clipe em Nylon obteve-se -69,6 N na inserção e 44,6 N na remoção. Na parte experimental, no ensaio de inserção/remoção com saliva, a taxa de crescimento da força apresentada pelo grupo 1 foi de 22%, pelo grupo 2 4,82% e o grupo 3 não cresceu. No final do ensaio, o grupo1 apresentou uma força de retenção de 1,2 N/mm, o grupo 2 1,52 N/mm e o grupo 3 0,98 N/mm. No ensaio de mastigação verificou-se que os ciclos de mastigação tinham influência na fratura dos lábios do clipe. No ensaio combinado, o clipe do grupo1 fraturou ao ciclo 95 e no grupo2 fraturou ao ciclo 4. Conclusões: Apesar dos materiais utilizados na parte experimental não coincidirem com a parte numérica (por falta de precisão geométrica da impressão por filamento), o estudo numérico foi fundamental para a perceção de conceitos, definição e otimização da geometria. A parte experimental serviu como complemento do estudo numérico e prova do conceito idealizado. As forças de inserção/remoção dependem, essencialmente, dos seguintes fatores: material e interferência geométrica do clipe, atrito entre os componentes e comprimento do sistema de retenção. Conclui-se que quanto maior o módulo de elasticidade do material, a interferência e o atrito, maior é a retenção e que a forma do Housing afeta a retenção do clipe. Para materiais com maior módulo de elasticidade deve-se utilizar um Housing curto, para os lábios do clipe estarem à flexão. Para materiais com um módulo de elasticidade menor deve-se utilizar um Housing longo, para os lábios do clipe estarem à compressão. Para o clipe deve ser utilizado um material com elevado limite de elasticidade, resistência à fadiga e elevada tenacidade à fratura.Objective: One of the treatments for the prosthetic rehabilitation of a patient is a total removable denture or Overdentures, consisting of implants connected through a rigid bar, fastening a prosthesis using clips. The main disadvantage of this system is that those are metallic and need laboratory work whenever they fracture, or lose retention, causing certain expensive financial costs. Therefore, the objective of this project is the elaboration of a retention system, consisting of two implants, a bar, a clip, and housing. The bar joins the two implants with an experimental geometry. The clips are placed in Housing for easy replacement.Materials and Methods: The study has a numerical part and an experimental part. Initially, in the numerical part, the set was designed (bar, clip, Housing) in Autodesk Inventor Professional 2021, to later import into ADINA AUI 9.7. Analyzing the advantages and disadvantages of all modelled geometries and their chewing behaviour, it was possible to define a geometry for further optimization. Then, several simulations of the insertion/removal of the prosthesis were carried out, in order to reach the desired force value and realize the necessary changes. As the materials used (TPU, Nylon) have an elastic modulus of a different order of magnitude, optimization was carried out for materials with lower modulus and another for materials with a higher modulus.In the experimental part, a block of rigid polyurethane foam was manufactured to simulate the cortical bone. Then, two Straumann implants were placed, centered on the width and length of the block, with a distance between centers of 16 mm. A screwed abutment was placed in each implant so that the bar could be fixed later using two occlusal screws. The bar, made of Cr-Co alloy, was milled on the DENTAL Concept Systems-DC7 machine. Subsequently, the 3 clips were produced in a 3D laser printer, called NextDent 5100. Finally, the two housing models were obtained by foundry. To understand the influence of interference and the length of the clip's lips, 3 study groups were created. All study groups use the bar manufactured with experimental geometry and the flexion housing, differing by the clip used. Therefore, they are defined and identified by the name of the clip: Group1- Short Clip; Group2-Long Clip; Group3-long clip with interference. To analyze the different groups, 3 protocols were created: insertion/removal, chewing and combined (insertion/removal and chewing).Results: In the numerical part, with the set geometries optimized, an insertion force of -4.57 N was obtained as well as a removal force of 3.43 N with the TPU clip. With the Nylon clip, an insertion force of -69.6 N was obtained as well as a removal force of 44.6N.In the experimental part, in the insertion/removal test with saliva, the rate of strength growth presented by group 1 was 22%, by group 2 was 4.82% and group 3 did not grow. At the end of the test, group 1 had a holding force of 1.2 N/mm, group 2 of 1.52 N/mm, and group 3 0.98 N/mm. In the chewing test, it was verified that the chewing cycles had an influence on the fracture of the clip's lips. In the combined trial, the clip in group1 fractured at cycle 95 and in group2 it fractured at cycle 4.Conclusions: Although the materials used in the experimental part don´t coincide with the numerical part (due to the lack of geometric precision of the filament printing), the numerical study was fundamental for the perception of concepts, definition, and optimization of the geometry. The experimental part served as a complement to the numerical study and proof of the idealized concept. Insertion/removal forces depend essentially on the following factors: material and geometric interference of the clip, friction between components, and length of the retention system; The greater the material's modulus of elasticity, interference, and friction, the greater the retention and that the Housing shape affects clip retention system. The conclusion is that for materials with a higher modulus of elasticity, a short housing should be used, so that the clip lips are flexing. For materials with a lower modulus of elasticity, a long Housing must be used, so that the clip lips are in compression; For the clip, a material with a high elasticity limit, fatigue resistance, and high fracture tenacity must be used