Analiza metodą elementów skończonych naprężeń w wyjmowanej dolnej protezie całkowitej pod pionowymi i ukośnymi siłami zgryzowymi

Dlaczego pęknięcia protez mają znaczenie

Osoby polegające na dolnych protezach całkowitych często zmagają się z irytującym i kosztownym problemem: protezy pękają, zwłaszcza w przedniej części, mimo że siły zgryzowe tam powinny być niewielkie. W artykule tym autorzy analizują tę codzienną zagadkę za pomocą symulacji komputerowych. Poprzez wirtualne „żućie” cyfrową protezą pytają, czy same normalne siły żucia są naprawdę wystarczające, aby złamać prawidłowo wykonaną dolną protezę, czy też muszą wchodzić w grę inne, ukryte czynniki.

Zaskakujące miejsce pęknięć

Tradycyjne nauczanie w stomatologii utrzymuje, że najsilniejsze siły żucia działają na zęby tylne, podczas gdy zęby przednie w dolnej protezie doświadczają znacznie mniejszych obciążeń. Jednak badania pokazują, że 20–30% protez całkowitych ostatecznie ulega złamaniu, a wiele z tych pęknięć zaczyna się w przedniej części. Poprzednie próby wyjaśnienia tego paradoksu często odwoływały się do nierealistycznych ekstremów: używania sił zgryzowych znacznie wyższych niż te, które pacjenci rzeczywiście generują, dodawania przesadnie dużych wad, lub zakładania, że proteza spoczywa na bardzo ostrych grzbietach kostnych. Niniejsze badanie stawia prostsze, klinicznie ugruntowane pytanie: jeśli dolna proteza jest prawidłowo podparta na tkance miękkiej i wykonana bez oczywistych wad, czy normalne żucie nadal może wygenerować w przedniej części naprężenia wystarczająco duże, by ją złamać?

Budowa wirtualnej dolnej protezy

Autorzy zbudowali szczegółowy trójwymiarowy model kompletnej dolnej protezy przy użyciu oprogramowania do projektowania stomatologicznego, a następnie zaimportowali go do oprogramowania inżynierskiego do analizy metodą elementów skończonych — metody dzielącej protezę i tkanki podpierające na wiele małych elementów i obliczającej, jak każdy z nich odkształca się pod obciążeniem. Bazę protezy i sztuczne zęby modelowano jako typowe tworzywo akrylowe, natomiast leżąca pod nimi tkanka dziąsłowa została przedstawiona jako miękka, nieco sprężysta warstwa spoczywająca na znacznie sztywniejszej kości. Założono, że proteza dobrze przylega i mocno przylega do dziąseł, naśladując idealnie dopasowany uzupełnienie protetyczne. Przetestowano dwa scenariusze żucia: czysto pionowe siły o wartości 100 niutonów na tylne trzonowce oraz silniejsze siły ukośne o wartości 140 niutonów pod kątem 45 stopni, aby naśladować boczny komponent prawdziwego żucia. Zespół zmieniał także zagęszczenie siatki obliczeniowej, aby upewnić się, że obliczone naprężenia są wiarygodne, a nie jedynie artefaktami numerycznymi.

Gdzie rzeczywiście rozkłada się naprężenie

Symulacje potwierdziły, że obciążenia ukośne są znacznie bardziej wymagające niż proste pionowe. Pod działaniem sił pionowych naprężenia w całej protezie pozostawały bardzo niskie. Gdy zastosowano siły ukośne, proteza zginała się i skręcała na miękkim podłożu: wewnętrzna (od strony języka) powierzchnia przedniego obszaru znalazła się w rozciąganiu, podczas gdy zewnętrzna (od strony warg) powierzchnia była ściskana. Jednak nawet w tym bardziej surowym scenariuszu najwyższe wiarygodnie obliczone naprężenia występowały w obszarze tylnych trzonowców, a nie z przodu. W krytycznej przedniej strefie między kłem a siekaczem naprężenia rozciągające w zdrowym materiale utrzymywały się w granicach około 10 megapascalów lub poniżej — znacznie poniżej typowych wytrzymałości na rozciąganie i zginanie nowoczesnych tworzyw do protez, które są kilkukrotnie wyższe. Tylko w drobnych, ostrych rowkach między zębami naprężenia lokalnie wzrastały, i nawet te wartości pozostawały poniżej poziomów zwykle wymaganych do spowodowania natychmiastowego złamania.

Zmienność zmęczeniowa, drobne rowki i żucie w rzeczywistości

Autorzy porównali swoje wyniki naprężeń z danymi laboratoryjnymi dotyczącymi zachowania tworzyw protezowych pod jednorazowym obciążeniem i przy powtarzającym się zmęczeniu. Codzienne żucie wystawia protezę na tysiące cykli obciążenia dziennie, więc niewielkie naprężenia mogą w ciągu wielu miesięcy prowadzić do wzrostu pęknięć. W symulacjach poziomy naprężeń w rejonie kła pokrywały się z dolnym zakresem zgłaszanych wartości wytrzymałości zmęczeniowej, co sugeruje, że realistyczniejszym problemem jest długoterminowe zużycie, a nie pojedyncze silne ugryzienie. Co ważne, analiza uwypukliła, jak drobne detale anatomiczne — wąskie rowki i ostre przejścia w pobliżu szyjek zębów — mogą lokalnie wzmacniać rozciąganie. Wygładzenie tych cech po stronie językowej protezy, gdzie wygląd jest mniej krytyczny, mogłoby znacząco zmniejszyć naprężenia i poprawić trwałość bez istotnych kompromisów w projekcie.

Co to oznacza dla użytkowników protez

Ogólnie rzecz biorąc, badanie konkluduje, że dla dobrze dopasowanej dolnej protezy wykonanej z nowoczesnego akrylu i spoczywającej na zdrowej tkance miękkiej typowe siły żucia same w sobie prawdopodobnie nie wygenerują wystarczających naprężeń w przedniej części, by ją złamać. To odkrycie sugeruje, że wiele pęknięć w rzeczywistości wynika z kombinacji innych czynników: drobnych niedopasowań, nierównych kontaktów zgryzowych, długotrwałego zmęczenia materiału lub niezauważonych wad materiałowych. Dla pacjentów przesłanie jest takie, że regularne kontrole, staranne wykonanie protezy i dbałość o pozornie drobne detale kształtu mogą mieć równie duże znaczenie jak sama wytrzymałość materiału. Dla klinicystów i techników praca wskazuje praktyczne strategie — takie jak wygładzanie wąskich rowków i optymalizacja podparcia na dziąsłach — aby uczynić protezy codzienne mniej podatnymi na nagłe, uciążliwe złamania.

Cytowanie: Madoune, Y., Żmudzki, J. & Lee, H. Finite element analysis of stress in removable lower complete denture under vertical and oblique occlusal forces. Sci Rep 16, 11997 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37756-9

Słowa kluczowe: proteza całkowita, pęknięcie protezy, analiza metodą elementów skończonych, siły żucia, konstrukcja protezy