Budapest University of Technology and EconomicsFaculty of Civil Engineering - Since 1782

A biomechanikai vizsgálati módszerek fontos eszközt jelentenek az orvosi beavatkozások megtervezésében. A biológiai szövetek mechanikai viselkedésének ismerete kulcsfontosságú lehet a szöveti sérülések, károsodások előrejelzésében, egyes beavatkozások sikerességének elősegítésében.

A csontot érintő fogászati és ortopédiai implantációs beavatkozások hosszútávú sikerének elengedhetetlen feltétele az implantátumok csontintegrációját és az újonnan kialakult rendszer stabil működését elősegítő mechanikai környezet. A legmegfelelőbb implantátum és műtéti technológia megválasztását nagyban elősegítik a kísérletes és szimulációs biomechanikai vizsgálatok.

A szivacsos csont porózus mikrostruktúrája és a tömör csont lamellás mikroszerkezete, melyben a lamellák koncentrikus hengerekbe, úgynevezett oszteonokba rendeződnek, eltérő mechanikai viselkedést mutat a beültetés során és a gyógyult implantátumok körül. Az implantátumok helyének előfúrása, majd az önmetsző (pl. fogászati) csavarimplantátumok behajtása a trabekuláris csont sűrűsödését, valamint a tömör csontanyag mikrotöréseit eredményezheti.

 

A kutatás célja kettős: 

1) Kísérletes és szimulációs módszerekkel vizsgálni a szivacsos csontba, mint porózus szilárd anyagba ültetett csavarimplantátumok környezetében az implantációs folyamat csonttömörségre gyakorolt hatását. 

2) Az implantáció során a tömör csont törési ill. roncsolódási folyamatainak vizsgálata.

 

A kutatási programban a következő feladatokat kell elvégezni:

A kísérletes vizsgálatsorozat keretében, poliuretán csontmodellező anyagba építünk be különböző módszerekkel, különböző típusú implantátumokat és vizsgáljuk az implantátum környezetében a szivacsos modellcsont porózus mikroszerkezetének változásait.

A kísérleti eredmények alapján változó tömörségű végeselemes és diszkrét elemes csontmodelleket kell építeni a porózus mikroszerkezetről, és ezek segítségével modellezni az implantációs folyamatot. 

A próbaimplantációk és numerikus szimulációk eredményei alapján, a szivacsos csont sebészeti gyakorlatban járatos csontminőségi osztályai szerint, ajánlásokat kell adni a különböző beépítési paraméterek (pl. előfurat átmérő és mélység, implantátum alak) megválasztására csavarimplantátumok esetén. 

A tömör csontban a repedések kialakulását és esetleges terjedését törésmechanikai módszerekkel kell vizsgálni, és következtetéseket kell levonni a különböző beültetési paraméterek hatásáról.

 

Megjegyzés:

A kutatás szoros együttműködésben készül a Szegedi Tudományegyetem Fogorvostudományi Kara, valamint az Implantcenter Fogászati és Szájsebészeti Klinika munkatársaival. A kutatásban a fogorvos és szájsebész szakorvosok biztosítják a szakszerű orvosi hátteret és az aktuális, orvosi praxisban felmerülő, biomechanikai eszköztárral vizsgálható kérdésekre keressük a választ.

A kísérletes vizsgálatok a BME Anyagtudomány és Technológia Tanszék munkatársaival együttműködésben, az ATT Tanszék laboratóriumában történnek, egy megkezdett kutatássorozat folytatásaként.

 

***

 

Biomechanical testing methods are important tools in the planning of medical interventions. Understanding the mechanical behavior of biological tissues can be a key factor in predicting tissue injury and damage, and in improving the success of certain interventions.

A mechanical environment that promotes the bone integration of implants and the stable functioning of the newly formed system is essential for the long-term success of dental and orthopedic implant interventions involving bone. The choice of optimal implant and surgical technology is greatly facilitated by experimental and simulation biomechanical studies.

The porous microstructure of the trabecular bone and the lamellar microstructure of the solid bone, where the lamellae are arranged in concentric cylinders called osteons, show different mechanical behavior during implantation and around the healed implants. Pre-drilling of implant sites and subsequent driving of self-inserting (e.g. dental) screw implants can result in densification of trabecular bone, as well as micro-fractures in the compact bone material.

 

The aim of the research is twofold: 

1) Investigation, of the effect of the implantation process on bone density in the environment of screw implants, implanted in the cellular solid material of the cancellous bone, by experimental and simulation methods. 

2) Investigations of the fracture / damage processes of solid bone during implantation.

 

In the research program the following tasks must be performed:

In this series of experimental studies, different types of implants are implanted in polyurethane model bone material using different methods and the changes of the porous microstructure of the spongy model bone are investigated in the implant environment.

Variable density finite element and discrete element bone models of the porous microstructure are to be constructed based on the experimental results and used to model the implantation process.

Based on the results of the experimental implantations and numerical simulations, recommendations must be provided for the selection of different insertion parameters (e.g. pre-drilling diameter/depth, implant shape) for screw implants according to the bone quality classes used in surgical practice. 

The development and possible propagation of cracks are to be investigated by fracture mechanics methods and conclusions have to be drawn about the effect of different installation parameters.

 

Note:

The research is carried out in close cooperation with the Faculty of Dentistry of the University of Szeged and the Implantcenter Dentistry and Oral Surgery Clinic. In the research, dental and oral surgery specialists provide the professional medical background. Answers to the questions of the current medical practice are investigated by means of the tools of biomechanics.

The experimental studies will be carried out in the laboratory of, and in collaboration with colleagues from the Department of Materials Science and Engineering (ATT) of the BME, in the laboratory of the Department of ATT, as a continuation of an ongoing research series.