Improvement of an additively manufactured subperiosteal implant structure design by finite elements based topological optimization

Alberto Carnicero, Andrés Peláez, Andrés Restoy-Lozano, Isaías Jacquott, Ricardo Perera

Lien vers le texte complet : https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/34321582/

Improvement of an additively manufactured subperiosteal implant structure design by finite elements based topological optimization

1. Référence scientifique

• Titre de l’étude : Improvement of an additively manufactured subperiosteal implant structure design by finite elements based topological optimization
• Auteurs : Alberto Carnicero, Andrés Peláez, Andrés Restoy-Lozano, Isaías Jacquott, Ricardo Perera
• Journal scientifique : Scientific Reports
• Année de publication : 2021
• DOI : 10.1038/s41598-021-94980-1

2. Contexte scientifique

La réhabilitation d’un maxillaire sévèrement atrophié représente une situation complexe lorsque le volume osseux résiduel ne permet plus le recours conventionnel aux implants dentaires. Les stratégies reconstructrices par greffe osseuse peuvent augmenter la durée et la complexité du traitement, tandis que les implants zygomatiques exposent à des problématiques spécifiques, notamment en raison de leur relation avec le sinus maxillaire. Dans ce contexte, les implants sous-périostés personnalisés issus de la fabrication additive constituent une voie de recherche alternative.

Le développement conjoint de la modélisation tridimensionnelle, de l’analyse par éléments finis et de la fabrication additive métallique permet désormais d’envisager des structures individualisées adaptées à l’anatomie maxillaire. L’enjeu n’est cependant pas uniquement de fabriquer un implant sur mesure : sa géométrie doit également concilier résistance mécanique, contraintes de fabrication et limitation de l’étendue de l’interface avec l’os.

3. Objectif de l’étude

Les auteurs cherchent à améliorer la conception d’une structure implantaire sous-périostée destinée aux patients présentant une atrophie maxillaire sévère. Leur démarche vise principalement à réduire le volume de matériau nécessaire et le nombre de points de fixation, tout en conservant une résistance mécanique compatible avec les contraintes étudiées.

L’objectif est donc essentiellement biomécanique et conceptuel : déterminer, grâce à une optimisation topologique fondée sur l’analyse par éléments finis, si la géométrie d’un implant existant peut être simplifiée sans compromettre son comportement mécanique simulé.

4. Méthodologie

Il s’agit d’une étude numérique de conception et d’optimisation biomécanique par éléments finis, et non d’une étude clinique évaluant les résultats chez une cohorte de patients. Le modèle initial provient toutefois d’un implant utilisé dans un cas réel et reconstruit à partir d’images tomodensitométriques.

La structure est constituée en alliage de titane Ti6Al4V. Les auteurs ont utilisé Ansys Workbench 2020R1 et une optimisation topologique en deux étapes selon la méthode SIMP (Solid Isotropic Material with Penalization). Cinq scénarios mécaniques ont été étudiés : une mastication standard avec des forces de 150 N verticalement et 50 N horizontalement, une situation critique à 450 N verticalement et 50 N horizontalement, ainsi que trois configurations simulant différentes pertes de fixation. Une contrainte minimale d’épaisseur de 1 mm a été intégrée pour tenir compte de la fabrication additive.

5. Résultats principaux

La première optimisation aboutit au modèle Opt1, dont le volume est réduit de 18,56 % par rapport à la géométrie initiale. Une seconde phase conduit au modèle Opt2, avec une réduction supplémentaire de 11,21 % par rapport à Opt1, soit une diminution totale de 27,68 % comparativement au modèle de départ.

Cette simplification s’accompagne de la suppression de deux points supérieurs de fixation sur chaque moitié de la structure, soit quatre vis en moins pour l’ensemble de l’implant. Pour le scénario de mastication standard, la contrainte maximale de von Mises passe de 135,55 MPa pour le modèle initial à 199,51 MPa pour Opt2. Elle reste ainsi juste sous le seuil de fatigue de 200 MPa retenu par les auteurs. Dans le scénario de charge critique, la valeur maximale atteint 395,03 MPa avec Opt2. Les modifications des forces de réaction aux ancrages restent globalement limitées selon les simulations réalisées.

6. Analyse clinique

L’intérêt de ce travail réside moins dans la démonstration d’une efficacité clinique que dans la manière dont la conception d’un implant sous-périosté personnalisé peut être rationalisée avant sa fabrication. L’optimisation topologique permet ici d’identifier les portions de la structure contribuant réellement à sa résistance mécanique et celles dont le volume peut être diminué.

Cette approche est particulièrement pertinente dans une logique de flux numérique et de fabrication additive : réduire le volume de titane et le nombre de fixations peut théoriquement simplifier la structure et limiter l’étendue de son contact avec les tissus. Les auteurs associent également cette évolution à une possible réduction de la complexité chirurgicale et du traumatisme opératoire.

Ces bénéfices doivent néanmoins être interprétés avec prudence. Les résultats présentés reposent sur des simulations mécaniques, avec des conditions de charge et de fixation définies par les chercheurs. L’étude ne mesure ni survie implantaire clinique, ni complications biologiques, ni douleur postopératoire, ni résultats prothétiques à long terme. Elle démontre donc avant tout la faisabilité mécanique d’une géométrie optimisée dans les conditions du modèle utilisé. Une validation clinique serait nécessaire avant de transformer ces résultats en conclusions thérapeutiques générales.

7. Applications cliniques

Cette démarche peut présenter un intérêt conceptuel pour la réhabilitation des maxillaires sévèrement atrophiés, notamment lorsque des structures sous-périostées personnalisées fabriquées par technologie additive sont envisagées. Elle illustre également l’apport potentiel d’un flux associant imagerie médicale, reconstruction tridimensionnelle, conception CAD, analyse par éléments finis et fabrication additive.

Les auteurs situent cette solution dans le contexte de patients pour lesquels une reconstruction osseuse conventionnelle peut être difficile ou indésirable et évoquent plusieurs possibilités associées aux structures sous-périostées, notamment la réhabilitation de défauts maxillaires importants. Toutefois, l’étude elle-même ne compare pas cliniquement cette stratégie aux greffes osseuses ou aux implants zygomatiques. Elle ne permet donc pas d’établir une supériorité thérapeutique par rapport à ces alternatives.

8. Niveau de preuve, limites et transparence

Le niveau de preuve clinique est faible, car il s’agit essentiellement d’une étude numérique et biomécanique basée sur un modèle dérivé d’un cas réel. Aucun échantillon clinique, groupe contrôle ou suivi longitudinal n’est présenté. Les performances observées sont dépendantes des propriétés attribuées au Ti6Al4V, des conditions aux limites, des forces occlusales choisies et des hypothèses du modèle par éléments finis. Les auteurs reconnaissent par ailleurs l’absence de consensus sur certaines conditions mécaniques à appliquer aux simulations maxillaires.

Le modèle final atteint presque le seuil de fatigue choisi dans le scénario standard (199,51 MPa pour une limite fixée à 200 MPa), ce qui souligne l’importance d’une interprétation prudente. Les auteurs déclarent ne pas avoir de conflits d’intérêts.

9. Points clés de l’étude

• Type d’étude : étude numérique biomécanique par éléments finis avec optimisation topologique.
• Niveau de preuve : préclinique / simulation numérique ; niveau de preuve clinique faible.
• Population ou nombre d’études analysées : non applicable ; modèle développé à partir d’un cas réel.
• Nombre de patients ou d’implants : aucune cohorte clinique évaluée ; modèle de référence issu d’un cas patient.
• Durée de suivi : aucune période de suivi clinique.
• Critère principal évalué : comportement mécanique et réduction géométrique de la structure sous différentes conditions de charge et de fixation.
• Résultat principal : réduction volumique totale de 27,68 % du modèle Opt2 par rapport à la géométrie initiale, tout en respectant les contraintes mécaniques définies par les auteurs.
• Conclusion scientifique : l’association entre optimisation topologique par éléments finis et fabrication additive permet, dans ce modèle, de concevoir une structure sous-périostée moins volumineuse et nécessitant moins de fixations sans perte de résistance mécanique selon les scénarios simulés.
• Limites éventuelles : étude numérique sans validation clinique comparative ni données de survie, de complications ou de suivi à long terme.

10. Impact scientifique

Cette étude apporte surtout une démonstration méthodologique à l’interface entre ingénierie biomécanique et implantologie personnalisée. Elle montre que la conception d’un implant sous-périosté ne doit pas nécessairement se limiter à reproduire l’anatomie disponible : la structure peut également faire l’objet d’une optimisation mécanique individualisée avant sa fabrication.

Le résultat est particulièrement intéressant pour le développement des dispositifs implantaires issus d’un flux numérique CAD/CAM et de la fabrication additive. La réduction de près de 28 % du volume constitue un résultat quantifiable, obtenu tout en maintenant les contraintes calculées dans les limites retenues par le protocole.

La portée scientifique demeure néanmoins principalement préclinique. Le travail ouvre ainsi davantage une piste de recherche qu’il ne valide un nouveau standard thérapeutique. Des études cliniques seraient nécessaires pour déterminer si les avantages mécaniques et géométriques simulés se traduisent effectivement par une chirurgie moins invasive, une réduction des complications ou une amélioration des résultats fonctionnels à long terme.

11. Conclusion éditoriale

Ce travail illustre l’intérêt de l’optimisation topologique pour faire évoluer la conception des implants sous-périostés personnalisés destinés aux maxillaires sévèrement atrophiés. La diminution du volume de titane et du nombre de fixations obtenue avec le modèle Opt2 est mécaniquement compatible avec les contraintes définies par les auteurs. Ces résultats restent cependant issus d’une simulation par éléments finis : ils constituent une base technique prometteuse pour la conception implantaire numérique, mais ne démontrent pas à eux seuls un bénéfice clinique chez les patients.