ソリッドスクリューインプラントの応力分布に及ぼすスレッドデザインの影響：3D有限要素解析

The effect of thread design on stress distribution in a solid screw implant: a 3D finite element analysis.

抄録

インプラントのネジ山の生体力学的挙動は、インプラントと骨の界面における応力に重要な役割を果たす。さまざまなねじ山形状が骨応力に及ぼす影響に関する情報は限られている。本研究の目的は、異なるインプラント糸設計が支持構造における応力分布特性に及ぼす影響を評価することである。本研究では、3次元（3D）有限要素（FE）応力解析法を用いた。4種類の3次元数理モデルを作成し、4つの異なるねじ形状を持つソリッドスクリューインプラントを支持骨構造とともにシミュレートした。Vスレッド(1)、バットレス(2)、リバースバットレス(3)、スクエアスレッドデザインをシミュレートした。アバットメントの咬合面に100Nの静的咬合軸荷重を加え、応力分布を計算した。FEモデリング/解析には、Solidworks/Cosmosworks構造解析プログラムを使用した。フォンミーゼス応力値を解析した結果、すべてのモデルにおいて、インプラントアバットメントの荷重部と頸部皮質骨部に最大応力集中が認められた。皮質骨（18.3MPa）の応力集中は海綿骨（13.3MPa）より高く、第1スレッド（18MPa）の応力集中は他のスレッド（13.3MPa）より高かった。異なるインプラント糸モデルにおけるフォンミーゼス応力分布パターンは類似していたが、圧縮応力の集中度は異なっていた。本研究により、異なるスレッド形状の設計の使用は、骨構造を支持する際のフォンミーゼス応力集中には影響しないことが示された。しかし、圧縮応力集中は様々なスレッド形状によって異なる。

The biomechanical behavior of implant thread plays an important role on stresses at implant-bone interface. Information about the effect of different thread profiles upon the bone stresses is limited. The purpose of this study was to evaluate the effects of different implant thread designs on stress distribution characteristics at supporting structures. In this study, three-dimensional (3D) finite element (FE) stress-analysis method was used. Four types of 3D mathematical models simulating four different thread-form configurations for a solid screw implant was prepared with supporting bone structure. V-thread (1), buttress (2), reverse buttress (3), and square thread designs were simulated. A 100-N static axial occlusal load was applied to occlusal surface of abutment to calculate the stress distributions. Solidworks/Cosmosworks structural analysis programs were used for FE modeling/analysis. The analysis of the von Mises stress values revealed that maximum stress concentrations were located at loading areas of implant abutments and cervical cortical bone regions for all models. Stress concentration at cortical bone (18.3 MPa) was higher than spongious bone (13.3 MPa), and concentration of first thread (18 MPa) was higher than other threads (13.3 MPa). It was seen that, while the von Mises stress distribution patterns at different implant thread models were similar, the concentration of compressive stresses were different. The present study showed that the use of different thread form designs did not affect the von Mises concentration at supporting bone structure. However, the compressive stress concentrations differ by various thread profiles.