Modelado de biomateriales para ensayos FEA biomecánicos en el área dental

Los análisis mediante elementos finitos en el área dental requieren de un modelado de los materiales que vayan a ser aplicados en dichas simulaciones. La literatura actual tiende a simplificar mediante la definición de las propiedades mecánicas de los tejidos biológicos como isotrópicas. En la realidad, los tejidos biológicos son considerados anisotrópicos. Por ello, en este trabajo se va a estudiar y comparar la variación que se obtiene en los resultados cuando se realiza dicha simplificación respecto a la realidad. La representación mas fiable de la realidad realizada en este trabajo ha sido de tipo ortótropa cilíndrica. El objetivo principal del proyecto es el modelado de los tejidos biológicos, en concreto el esmalte, la dentina, el ligamento periodontal, el hueso cortical y el hueso trabecular. El objetivo es validar si dicha simplificación mediante la definición isotrópica de los tejidos es correcta o no, evaluando las diferencias producidas tanto en los valores del estrés como en la distribución entre los ensayos isotrópicos y los ortótropos cilíndricos.
Para la realización de las simulaciones se ha empleado una serie de geometrías de un diente que han sido obtenidas mediante escáner por micro-CT de una persona adulta. Dichas geometrías han sido modificadas para poder llevar a cabo los ensayos correctamente. Los ensayos se componen de un total de 12 geometrías que representan los tejidos biológicos ya mencionados. Para los ensayos se utilizó una fuerza masticatoria en movimiento puro atrás-delante de valor 100 N. El contacto entre los esmaltes ha sido definido de tipo friccional.
El mayor reto que presentan estas simulaciones es conseguir una correcta definición y funcionamiento de los contactos. Para ello, se ha intentado ser lo más preciso y fiel a la realidad para poder obtener unos resultados fiables. Se han realizado un total de 10 ensayos, combinando geometrías isotrópicas y ortótropas para poder obtener una perspectiva calra sobre el efecto del modelado de cada tejido en los resultados. Los resultados obtenidos son: Maximum Principal Stress en el esmalte inferior, Equivalent Von Mises Stress en la dentina, Equivalent, Von Mises Stress en el ligamento periodontal y Equivalent Von Mises Stress en el ligamento periodontal y en la dentina.
Los resultados obtenidos reflejan que cuando se considera el esmalte como un material ortótropo (con propiedades mecánicas diferentes en diferentes direcciones), su capacidad para absorber estrés y resistir la fractura mejora en un 16,99% en comparación con un esmalte considerado isotrópico.
En cuanto a la dentina, cuando se considera ortotrópica, su resistencia al estrés es un 4,64% mayor que si se considera isotrópica. Esto se debe a la estructura tubular de la dentina y su alineación con respecto al esmalte. La representación isotrópica de la dentina no refleja adecuadamente la distribución real del estrés.
Para el hueso cortical y trabecular, los resultados apenas varían entre considerarlos ortotrópicos o isotrópicos, con diferencias de aproximadamente el 1%. Por lo tanto, es aceptable usar una representación isotrópica debido a su simplicidad.
Sin embargo, en el caso del ligamento periodontal, su representación como ortotrópico es esencial, ya que muestra un VMS cinco veces mayor que la representación isotrópica. El ligamento periodontal tiene una estructura anisotrópica con fibras orientadas en diferentes direcciones, lo que le permite distribuir el estrés de manera más eficiente.
A la vista de los resultados, se puede deducir que la representación ortotrópica es más adecuada para el esmalte, la dentina y el ligamento periodontal, mientras que la representación isotrópica es aceptable para el hueso cortical y trabecular debido a cambios mínimos en los resultados. Hay que destacar la importancia de considerar la anisotropía cuando se modelan tejidos biológicos para obtener resultados más precisos sobre cómo reaccionan y distribuyen el estrés frente a distintas cargas y condiciones.

Finite element analyses in dental research require modelling of the materials to be applied in these simulations. Current literature tends to simplify by defining the mechanical properties of biological tissues as isotropic. In reality, biological tissues are considered anisotropic. Therefore, this study will examine and compare the variations in results obtained when making such simplification compared to reality. The most reliable representation of reality achieved in this study has been of cylindrical orthotropic type. The main objective of the project is the modelling of biological tissues, specifically enamel, dentine, periodontal ligament, cortical bone, and trabecular bone. The aim is to validate whether this simplification through isotropic definition of the tissues is correct or not, by evaluating the differences produced both in stress values and distribution between isotropic and cylindrical orthotropic tests.
To conduct the simulations, a series of tooth geometries obtained from micro-CT scans of an adult individual were used. These geometries were modified to perform the tests correctly. The tests consist of a total of 12 geometries representing the mentioned biological tissues. A pure back-and-forth chewing force of 100 N was applied during the tests. The contact between the enamel has been defined as frictional type.
The biggest challenge these simulations present is achieving accurate definition and functioning of the contacts. To address this, efforts have been made to be as precise and faithful to reality as possible to obtain reliable results. A total of 10 tests were conducted, combining isotropic and orthotropic geometries to gain a clear perspective on the modeling effect of each tissue on the results. The results obtained are Maximum Principal Stress in the lower enamel, Equivalent Von Mises Stress in the dentin, and Equivalent Von Mises Stress in the periodontal ligament.
The findings show that when enamel is considered as an orthotropic material, its ability to absorb stress and resist fracture improves by 16.99% compared to enamel considered isotropic.
Regarding dentine, when considered orthotropic, its stress resistance is 4.64% higher than when considered isotropic. This is due to the tubular structure of dentine and its alignment with the enamel. The isotropic representation of dentin does not adequately reflect the real stress distribution.
For cortical and trabecular bone, the results barely vary between considering them orthotropic or isotropic, with differences of approximately 1%. Therefore, using an isotropic representation is acceptable due to its simplicity.
However, in the case of the periodontal ligament, its representation as orthotropic is essential, as it shows a VMS five times higher than the isotropic representation. The periodontal ligament has an anisotropic structure with fibres oriented in different directions, enabling more efficient stress distribution.
In view of the results, it can be deduced that orthotropic representation is more suitable for enamel, dentine, and the periodontal ligament, while isotropic representation is acceptable for cortical and trabecular bone due to minimal changes in the results. The importance of considering anisotropy when modelling biological tissues should be emphasized to obtain more accurate results on how they react and distribute stress under different loads and conditions.