Evaluation of Different Subperiosteal Implant Thicknesses on Mechanical Strength and Stress on Bone by Finite Element Analysis

Abdulsamet Kundakcioglu, Mustafa Ayhan

Lien vers le texte complet : https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39006845/

Evaluation of Different Subperiosteal Implant Thicknesses on Mechanical Strength and Stress on Bone by Finite Element Analysis

1. Référence scientifique

• Titre de l’étude : Evaluation of Different Subperiosteal Implant Thicknesses on Mechanical Strength and Stress on Bone by Finite Element Analysis
• Auteurs : Abdulsamet Kundakcioglu, Mustafa Ayhan
• Journal scientifique : International Journal of Medical Sciences
• Année de publication : 2024
• Volume et pages : 21(9), 1672–1680
• DOI : 10.7150/ijms.91620

L’article a été publié le 17 juin 2024.

2. Contexte scientifique

La réhabilitation implantaire d’un maxillaire présentant une atrophie osseuse sévère reste complexe lorsque le volume osseux disponible ne permet pas la mise en place conventionnelle d’implants endo-osseux. Parmi les stratégies évoquées dans l’article figurent les techniques d’augmentation osseuse et les implants zygomatiques, mais celles-ci comportent des contraintes et complications propres.

Le développement de l’imagerie tridimensionnelle, de la conception numérique et de la fabrication additive a renouvelé l’intérêt pour les implants sous-périostés personnalisés. Ces dispositifs peuvent être conçus à partir de l’anatomie du patient et fabriqués en titane par frittage laser. Leur géométrie constitue cependant un enjeu biomécanique et biologique : une structure suffisamment résistante doit supporter les charges fonctionnelles, tandis qu’une réduction de l’épaisseur du dispositif pourrait limiter son encombrement sous les tissus mous. L’équilibre entre finesse et résistance mécanique devient ainsi un paramètre central de conception.

3. Objectif de l’étude

Les auteurs ont cherché à déterminer jusqu’à quel niveau l’épaisseur d’un implant sous-périosté personnalisé pouvait être réduite sans compromettre son comportement mécanique sous une charge occlusale prédéfinie. Trois géométries de même conception, différant par leur épaisseur — 1,0 mm, 1,5 mm et 2,0 mm — ont été comparées par analyse par éléments finis afin d’étudier les contraintes dans l’implant, leur transmission à l’os et les déplacements associés.

4. Méthodologie

Il s’agit d’une étude expérimentale numérique par analyse par éléments finis (FEA). Le modèle anatomique utilisé pour les simulations a été construit à partir des données tomodensitométriques de 11 patients traités par implant sous-périosté. Une morphologie tridimensionnelle moyenne a été générée à l’aide de 3D Slicer, puis utilisée pour concevoir trois implants de 1,0 mm (M1), 1,5 mm (M2) et 2,0 mm (M3) d’épaisseur.

La modélisation CAD a été réalisée avec CATIA et les simulations avec ANSYS. Un maillage tétraédrique de 0,5 mm a été appliqué. Chaque configuration a été soumise à une charge verticale statique de 250 N. Les auteurs ont notamment étudié les contraintes de von Mises dans les implants, les contraintes transmises à l’os et les déplacements. Le matériau implantaire modélisé était le Ti6Al4V.

5. Résultats principaux

L’épaisseur de la structure influence fortement son comportement mécanique. Sous la charge testée, la contrainte maximale de von Mises atteignait 495,44 MPa pour M1, contre 173,24 MPa pour M2 et 144,58 MPa pour M3. Les auteurs avaient retenu 415 MPa comme seuil de sécurité pour l’implant, correspondant à la moitié de la limite d’élasticité du Ti6Al4V dans leur modèle. La configuration de 1 mm dépassait donc ce seuil, contrairement aux deux autres.

Les contraintes résiduelles maximales calculées dans l’os étaient respectivement de 26,63 MPa, 25,95 MPa et 22,15 MPa pour M1, M2 et M3. Elles restaient sous le seuil de sécurité osseux de 50 MPa adopté par les auteurs. Les contraintes implantaires se concentraient principalement au voisinage des interfaces de fixation vissées. Enfin, les déplacements diminuaient avec l’augmentation de l’épaisseur, le modèle de 1 mm présentant le comportement le moins favorable.

6. Analyse clinique

L’intérêt de cette étude réside moins dans la recherche de l’implant le plus épais que dans l’identification d’un compromis biomécanique compatible avec une conception plus fine. Dans les conditions de simulation retenues, passer de 2 à 1,5 mm conserve une marge importante vis-à-vis du seuil mécanique choisi par les auteurs, alors que la réduction à 1 mm modifie nettement le comportement du dispositif.

Cette observation présente un intérêt potentiel pour la conception CAD/CAM des implants sous-périostés personnalisés. Les auteurs soulignent en effet que l’épaisseur du métal et son extension sous les tissus mous peuvent intervenir dans les problématiques d’exposition et de récession gingivale. Réduire l’encombrement métallique est donc un objectif pertinent, mais cette réduction ne peut être envisagée indépendamment des contraintes mécaniques.

L’étude met également en évidence l’importance des zones de fixation : les concentrations maximales de contraintes se situent autour des connexions vissées et leur localisation varie selon l’épaisseur. La conception ne devrait donc pas être raisonnée sur la seule quantité de matériau, mais également sur sa répartition géométrique.

Ces données ne démontrent toutefois pas qu’une épaisseur de 1,5 mm constitue une valeur universellement optimale en clinique. Elles montrent uniquement que cette configuration a satisfait les critères mécaniques définis dans ce modèle numérique et sous une charge statique de 250 N.

7. Applications cliniques

Ces résultats concernent principalement la planification numérique d’implants sous-périostés personnalisés destinés à des situations de forte atrophie maxillaire, lorsque la réhabilitation implantaire conventionnelle est rendue difficile par le déficit osseux. Ils peuvent alimenter la réflexion sur l’optimisation de structures fabriquées par frittage laser en Ti6Al4V.

L’étude est particulièrement pertinente au stade de la conception : choix de l’épaisseur, localisation des fixations, répartition des contraintes et réduction de l’encombrement du dispositif. Elle ne permet cependant pas, à elle seule, d’établir une indication thérapeutique préférentielle face aux greffes osseuses ou aux implants zygomatiques, ni de prédire la survie clinique à long terme d’un implant de 1,5 mm.

8. Niveau de preuve, limites et transparence

Le niveau de preuve clinique est limité, car il s’agit d’une étude biomécanique reposant sur une analyse par éléments finis et non d’un essai clinique comparant prospectivement différentes épaisseurs chez des patients. Les données de 11 patients ont servi à élaborer le modèle anatomique moyen, mais les performances des trois épaisseurs ont été évaluées numériquement.

Les résultats dépendent donc des paramètres de modélisation, des propriétés mécaniques attribuées aux matériaux, des conditions de fixation et de la charge statique verticale de 250 N. Ils ne permettent pas de reproduire toute la complexité des sollicitations fonctionnelles cliniques. Les auteurs indiquent eux-mêmes que le résultat obtenu pour 1,5 mm devra être évalué par des études cliniques à long terme.

L’étude a été menée avec la participation de BioTecnica Engineering, Medical Company, en Turquie. Les auteurs déclarent cependant ne pas avoir de conflit d’intérêts.

9. Points clés de l’étude

• Type d’étude : étude expérimentale numérique par analyse par éléments finis.
• Niveau de preuve : préclinique/biomécanique ; niveau de preuve clinique limité.
• Population ou nombre d’études analysées : données anatomiques issues de 11 patients utilisées pour générer un modèle tridimensionnel moyen.
• Nombre de patients ou d’implants : 11 patients pour la construction du modèle ; 3 configurations implantaires numériques comparées.
• Durée de suivi : non applicable à la comparaison biomécanique ; aucune durée de suivi clinique des trois épaisseurs n’est évaluée.
• Critère principal évalué : comportement mécanique des implants et contraintes transmises à l’os sous une charge verticale de 250 N.
• Résultat principal : le modèle de 1 mm atteint 495,44 MPa et dépasse le seuil de sécurité de 415 MPa retenu par les auteurs ; les modèles de 1,5 et 2 mm restent sous ce seuil.
• Conclusion scientifique : dans les conditions de cette simulation, une épaisseur de 1,5 mm conserve une résistance mécanique jugée suffisante par les critères définis dans l’étude.
• Limites éventuelles : modélisation par éléments finis, charge statique prédéfinie et absence de validation clinique comparative à long terme des trois épaisseurs.

10. Impact scientifique

Cette étude apporte une donnée de conception concrète à un domaine redevenu pertinent avec l’essor de la fabrication additive en implantologie. Son apport principal est de montrer que la miniaturisation d’un implant sous-périosté ne suit pas une logique linéaire : réduire la quantité de métal peut devenir mécaniquement défavorable lorsqu’un certain seuil d’épaisseur est franchi.

La comparaison des trois modèles suggère ainsi qu’une structure de 1,5 mm pourrait représenter, pour la géométrie étudiée, un compromis entre réduction du volume métallique et résistance aux contraintes simulées. L’analyse de la localisation des contraintes autour des fixations apporte également des éléments utiles à l’optimisation topologique des futurs dispositifs personnalisés.

La portée scientifique reste néanmoins essentiellement biomécanique. Le travail fournit une hypothèse de conception à tester plutôt qu’un standard clinique. Sa validation nécessite notamment des données cliniques capables d’évaluer le comportement des implants personnalisés dans des conditions fonctionnelles réelles et sur le long terme.

11. Conclusion éditoriale

Cette analyse par éléments finis met en évidence le rôle déterminant de l’épaisseur dans la stabilité mécanique d’un implant sous-périosté personnalisé. Parmi les trois configurations étudiées, le modèle de 1,5 mm conserve des contraintes inférieures au seuil de sécurité retenu, contrairement au modèle de 1 mm. Ce résultat constitue une piste intéressante pour optimiser les dispositifs fabriqués numériquement tout en limitant leur encombrement. Il doit cependant rester interprété comme une donnée préclinique de modélisation, nécessitant une confirmation clinique à long terme avant toute généralisation.