多孔質マイクロストラクチャーが根元のアナログインプラントのバイオメカニクス特性に及ぼす影響。動物実験と有限要素法による解析

Effect of Porous Microstructures on the Biomechanical Characteristics of a Root Analogue Implant: An Animal Study and a Finite Element Analysis.

• Ting Liu
• Yu Chen
• Antonio Apicella
• Zhixiang Mu
• Ti Yu
• Yuanding Huang
• Chao Wang

抄録

背景:

フルセラミックまたはメタルのカスタムメイドのルートアナログインプラント（RAI）は、天然歯の形状を再現して作られている。しかし、この方法では、周囲の骨の応力を遮蔽してしまう可能性があり、RAIは容易に一次安定性を得ることができない。そこで，一次安定性の向上と応力遮蔽の低減を目的として，RAIの多孔質構造が提案されている。本研究の目的は，多孔質微細構造がカスタムメイドRAIのバイオメカニクス特性に及ぼす影響を評価することである。

BACKGROUND: Full ceramic or metal custom-made root analogue implants (RAIs) are made by replicating the natural tooth geometry. However, it may lead to the stress shielding of the surrounding bone, and an RAI is unable to easily achieve primary stability. Therefore, to improve primary stability and reduce stress shielding, RAI porous structures are proposed. The purpose of this study was to evaluate the effect of porous microstructures on the biomechanical characteristics of the custom-made RAI.

研究方法:

選択的レーザー溶融（SLM）技術を用いて，生体内試験用の多孔質チタン円柱とバルクチタン円柱，多孔質RAIと従来型インプラントを作製した。多孔質チタン円柱の弾性率と圧縮強度を評価した。これらのサンプルは，ウサギの大腿骨（円柱）およびビーグル犬の下顎（RAIおよび従来型のインプラント）に移植された。患者の上顎前歯部の簡略化された3次元形状を構築した。次に，抽出した標準テンプレートライブラリ（STL）データをもとに，5種類のRAIモデルを作成した。(A)平滑面，(B)ピット面，(C)バルブ面，(D)スレッド面，(E)多孔質面。また，従来のインプラントモデルも作製した。クラウンには100Nの静荷重をマルチベクトル方向にかけた。

METHODS: Porous and bulk titanium cylinders and porous RAI and conventional implants for in vivo tests were fabricated using a selective laser melting (SLM) technology. The elastic modulus and the compressive strength of porous titanium cylinders were evaluated. These samples were then implanted into rabbit femurs (cylinders) and beagle dog mandibles (RAI and conventional implants). A simplified three-dimensional geometry of the anterior maxilla of a patient was constructed. Then, based on the extracted standard template library (STL) data, five different RAI models were constructed: (A) smooth surface, (B) pit surface, (C) bulb surface, (D) threaded surface, and (E) porous surface. A conventional implant model was also constructed. A static load of 100 N was applied to the crown in the multivectoral direction.

結果:

生体内実験の結果，多孔質構造はTi6Al4Vの弾性率を低下させることが確認された。また，多孔質構造のカスタムメイドRAIを埋入すると，従来のインプラントに比べて，新生骨の増加と骨吸収の減少が認められた。さらに，3次元有限要素解析により，多孔質カスタムメイドRAIの周囲の骨は，より均一な応力分布を受けており，周囲の骨のひずみ値は，より骨形成を助長するものであることが示唆された。

RESULTS: The results of the in vivo experiment confirmed that the porous structure decreased the elastic modulus of Ti6Al4V. Additionally, the implantation of the porous custom-made RAIs resulted in increased new bone ingrowth and decreased bone resorption compared to conventional implants. Moreover, the 3D finite element analysis suggested that the bone surrounding porous custom-made RAIs was subjected to a more uniform stress distribution, and the strain values of the surrounding bone were more conducive to bone formation.

おわりに:

以上の結果から、表面を多孔質にしたカスタムメイドRAIは、骨形成を促進し、応力遮蔽効果を低下させる可能性があると考えられた。

CONCLUSION: Based on these findings, a custom-made RAI with a porous surface accelerates bone formation and might reduce the stress-shielding effect.