مقدمه

مدیریت انکوریج در طول درمان ارتودنسی، ‌یکی از چالش‌های دشوار و غیرقابل ‌پیش‌بینی درمان می‌باشد.^(۱) تکنیک‌های کنترل انکوریج، به معنی به حداکثر رساندن حرکات مطلوب دندان‌ها و به حداقل رساندن حرکات نامطلوب دندانی است و برای تمام بیماران در مرحله‌ی طرح‌ریزی درمان ارتودنسی برنامه‌ریزی خواهد شد. امروزه به منظور دست‌یابی به انکوریج مطلق، مینی‌اسکرو‌های ارتودنتیک به صورت گسترده و فزاینده‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرند.^(۲) ایده‌ی استفاده از پیچ‌های متصل به استخوان، به عنوان انکوریج مطلق، در درمان‌های ارتودنسی به سال ۱۹٤۵ باز می‌گردد؛ که Gainsforth  و Higley  از اسکروهایی با جنس ویتالیوم در راموس سگ‌ها برای رترکشن کانین استفاده کردند.^(۳) در سال ۱۹۹۵، Konami مینی‌ایمپلنت‌هایی از جنس تیتانیوم و به صورت مدرن، مخصوص استفاده‌ی ارتودنتیک ساخت.^(۴) علی‌رغم وجود مزایای قطعی و فراوان این انکوریج‌های موقت، میزان شکست بالای مینی‌اسکرو‌ها، کاربرد کلینیکی آن‌ها را به خطر انداخته است و مهمترین مشکل کاربرد مینی‌اسکرو محسوب می‌شود. تاکنون مقادیر متفاوتی برای میزان شکست مینی‌اسکرو‌ها گزارش شده است. به صورت میانگین، شکست مینی‌اسکرو ۱۰ تا ٣۰% گزارش شده است.^(۵) از آن جایی که مینی‌اسکرو‌ها تحت بارگذاری فوری قرار می‌گیرند؛ ثبات اولیه آن‌ها بسیار اهمیت دارد. ثبات اولیه حاصل گیر مکانیکی بین استخوان و سطح مینی‌اسکرو است و فاکتور اصلی پیش‌بینی‌کننده‌ی موفقیت مینی‌اسکرو می‌باشد.^(۶) چنان‌چه روش‌هایی به منظور تقویت ثبات اولیه‌ی مینی‌اسکرو‌ها شناسایی نشوند؛ عوارض حاصل از آن منجر به حرکت ناخواسته و نامطلوب دندانی، افزایش مدت زمان درمان، عدم دست‌یابی به نتایج مطلوب بیمار و ارتودنتیست و درنهایت کاهش کیفیت درمان‌های ارتودنسی خواهد شد.

مکانیسم اصلی شکست مینی‌اسکرو، توزیع استرس و استرین در مینی‌اسکرو و استخوان اطراف آن پس از بارگذاری فوری است. مطالعات کلاسیک در این زمینه به خوبی قادر به پیش‌بینی موفقیت مینی‌اسکرو و توضیح دلایل آن نیست. زیرا تمامی آن‌ها فقط اثر پدیده را نشان می‌دهند و قادر به بررسی مکانیسم آن پدیده نیستند. هم چنین متغیر‌های ناشناخته و عوامل مداخله گر زیادی در نتیجه‌ی آن‌ها دخیل هستند. مطالعه در رابطه با ثبات اولیه‌ی مینی‌اسکرو‌ها، دارای پیچیدگی‌های مکانیکی و هندسی بسیاری است. آنالیز المان محدود تکنیک شبیه‌سازی عددی و کامپیوتری است که منجر به محاسبه‌ی استرس و استرین ایجادشده در اجسام دارای ساختار هندسی پیچیده می‌شود.^(۷) امروزه این روش اعتبار و کاربرد زیادی در تخصص ارتودنسی دارد و به دلیل مزایای فراوان از جمله دقت، محافظه‌کارانه بودن، توانایی بازسازی ناهمگنی ساختار‌ها، توانایی تکرار مداخله و ارزیابی احتمالات نامحدود و نیز امکان انجام مطالعه‌ی کاملا کنترل‌شده، برتری زیادی نسبت به سایر روش‌های تحقیق دارد. این روش برای حل مسایل بیومکانیکی با دقت زیاد و اعتبار کلینیکی فراوان، بسیار مورد توجه واقع شده است.^(۸) طراحی‌های مختلف مینی‌اسکرو، می‌تواند میزان استرس ایجادشده در مینی‌اسکرو و استخوان اطراف را تغییر دهد. با این وجود طراحی و ویژگی‌هایی که می‌توانند باعث بهبود ثبات اولیه‌ی مینی‌اسکرو شوند، به طور کامل شناخته نشده‌اند و نیاز به مطالعات معتبر در این زمینه کاملا مشهود است.^(۱۱-۹) بنابراین هدف از این پژوهش تعیین اثر بیومکانیکی زاویه چرخش رزوه و گام رزوه مینی‌اسکرو‌های ارتودنتیک بر ثبات اولیه‌ی آنها به روش آنالیز المان محدود بود.

مواد و روش ها

این تحقیق پس از تایید کمیته اخلاق دانشگاه علوم پزشکی قم (کد اخلاق IR.MUQ.REC.1399.222)، به روش آنالیز المان محدود و با استفاده از مدل‌های مجازی شبیه‌سازی‌ شده از مینی‌اسکرو و استخوان احاطه‌کننده آن انجام شد. با توجه به دقت این روش و نیز مدلسازی از انسان، آن را معادل مطالعه تجربی in vivo  درنظر گرفته‌اند.^(۸) درواقع مدل‌های مجازی، جامعه‌ای متشکل از نمونه‌های کاملا مشابه با شرایط کاملا ‌یکسان برای مداخله ایجاد می‌کند؛ که قابلیت انجام مداخلات متفاوت و تکرار مداخله و مقایسه بسیار دقیق را در اختیار پژوهشگر قرار می‌دهد.

مدل مجازی سه‌بعدی استخوان آلوئولار به صورت استوانه‌ای با ویژگی‌های استخوان کورتیکال و اسفنجی نرمال انسان و به ابعاد قطر ۲/۳  میلی‌متر و ارتفاع ۱۰ میلی‌متر بود. ضخامت استخوان کورتیکال براساس رفرنس‌های ارزیابی ضخامت استخوان کورتیکال در ناحیه‌ی پرمولری ماگزیلا، ٢ میلی‌متر درنظرگرفته شد.^(۱)

 ۵ مدل مجازی مینی‌اسکرو، براساس مینی‌اسکرو پرکاربردJEIL (Jeil Medical Corporation, Seoul, Korea)  از جنس تیتانیوم grade IV که از لحاظ زاویه چرخش رزوه و اندازه گام با‌ یکدیگر متفاوت هستند، توسط Solidwork 2017  طراحی شدند. مدل استاندارد مینی‌اسکرو دارای طول ۸ و قطر ۶/۱ و عمق رزوه ۲۵/۰ و گام رزوه ۷۵/۰ میلی‌متر بود. سایر ویژگی‌های آن شامل Tapering  معادل ۱ درجه و شکل رزوه V-shape مطابق با طراحی مینی‌اسکروJeil  بود. پس از طراحی مدل استاندارد سایر مدل‌های مینی‌اسکرو با تغییر زاویه‌ی چرخش و تعداد رزوه‌ها (زاویه هلیکس) و‌ یا گام رزوه (فاصله‌ی بین دو رزوه مجاور) همراه با حفظ سایر ویژگی‌های مدل استاندارد ایجاد شد.

در مدل ۲ ‌یا مینی‌اسکروهای double thread، زاویه چرخش رزوه‌ها افزایش داده شد، به گونه ای که ۲ رزوه از ۲ محل متفاوت و موازی با‌ یکدیگر ایجاد شد. در این مدل گام رزوه به عنوان فاکتوری وابسته به زاویه چرخش و تعداد رزوه‌ها تغییر کرد.

در مدل ۳‌ یا triple thread  نیز سایر ویژگی‌های مدل استاندارد ثابت باقی مانده ولی با افزایش زاویه چرخش رزوه‌ها، سه رزوه از محل‌های متفاوتی شروع شده و به صورت موازی امتداد ‌یافتند.
در مدل ۴ مینی‌اسکرو، با تثبیت همه ویژگی‌های مدل استاندارد، گام رزوه‌های مینی‌اسکرو به ۵/۰ میلی‌متر(کاهش ۲۵/۰ میلی‌متر نسبت به مدل استاندارد) کاهش ‌یافت.

در مدل ۵ نیز گام رزوه‌ها ۱ میلی‌متر(۲۵/۰ میلی‌متر افزایش نسبت به مدل استاندارد) در نظرگرفته شد و سایر ویژگی‌ها مطابق مینی‌اسکرو استاندارد بود.

بخش سر مینی‌اسکرو با توجه به شکل واقعی آن طراحی شد. با توجه به عدم تأثیر نوک مینی‌اسکرو بر ثبات اولیه و به منظور ایجاد مزیت‌هایی همچون کاهش زمان آنالیز از طراحی نوک مینی‌اسکرو صرف نظر شد.

سپس فایل مدل‌های سه‌بعدی و مجازی با فرمت step شامل استخوان آلوئولار و مینی‌اسکرو‌ها در نرم‌افزار تخصصی المان محدود Abaqus (version 2017, Simulia, Dessault system) برای تحلیل، مورد ‌استفاده قرار گرفت. خواص بافت‌ها و مواد تشکیل‌دهنده‌ی مدل‌ها تعیین شد. هر مدل آنالیز المان محدود از سه ماده (استخوان کورتیکال، اسفنجی و تیتانیوم) با خواص گوناگون تشکیل شده بود. تمام اجزای مدل به عنوان مواد الاستیک خطی، ایزوتروپیک و هموژن درنظر گرفته شدند. خصوصیات مکانیکی مواد از متون معتبر استخراج شدند و در جدول ۱ گزارش شده است.^(۳) سپس، مینی‌اسکروها با استفاده از تکنیک ترکیب اجزا در نرم‌افزار Abaqus، در داخل استخوان مونتاژ و مدل‌های هندسی کامل حاصل شد.
در مرحله بعد، شرایط مرزی مدل با هدف تعیین نوع تعامل و ارتباط اجزای مدل با‌یکدیگر مشخص شد. سطح تماس مینی‌اسکرو با استخوان آلوئولار، بر اساس مطالعه دکتر Yu ^(۱۱)، دارای اصطکاک با ضریب ۵/۰ و به صورت نیروی برشی میان دو سطح تعریف شد. هم‌چنین جابه‌جایی مدل در سه جهت اصلی فضا محدود شد و چرخش حول سه محور فضایی در نظر گرفته شد. پس از تعیین شرایط مرزی مدل، پروسه meshing  صورت گرفت. سایز و شکل المان‌ها با درنظر گرفتن احتمال خطای ۱% تعیین شد. از المان‌های سه بعدی تتراهدرال با کد C3D4  و به صورت میانگین ۱/۰ میلی‌متر استفاده شد. مش‌زنی به گونه ای انجام شد که در نزدیکی سطح تماس مینی‌اسکرو، استخوان به سبب حساسیت محاسبات، کوچک تر و در بخش‌های مرکزی به دلیل کاهش زمان محاسبات، بزرگ‌تر باشد (شکل ٢).

هریک از مدل‌ها، جداگانه در دو مرحله تحت دو نوع بارگذاری مختلف، برشی(برای شبیه سازی اعمال نیروی ارتودنتیک در داخل دهان) و کششی(به جهت بررسی مقاومت به خروج مینی‌اسکرو)، قرار گرفتند. نیروی برشی به صورت لترال و عمود بر محور طولی مینی‌اسکرو و نیروی کششی در جهت موازی با محورطولی مینی‌اسکرو و به سمت خارج از استخوان، به میزان ٢ نیوتون، توسط نرم‌افزار به مدل‌ها اعمال شد. نقطه اعمال نیرو‌ها، قسمت سر مینی‌اسکرو بود. تمام ویژگی‌های مرزی مدل‌ها و مش بندی به صورت‌یکسان و مشابه برای تمام مدل‌ها حفظ شد. درنهایت پردازش رفتار مکانیکی مدل‌ها آغاز شد. مهمترین خروجی آنالیز، به صورت استرس وون‌میسز در استخوان و مینی‌اسکرو در هر مدل اندازه گیری شد و به صورت دیاگرام و گراف‌ها نمایش داده شد. در آنالیز المان محدود، به دلیل فقدان پراکندگی آماری، نیازی به آنالیز آماری وجود ندارد.

یافته‌ها

پنج مدل مجازی مینی‌اسکرو، با وجه تمایز گام و تعداد رزوه‌ها، در استخوان آلوئولار توسط نرم‌افزارAbaqus  به روش المان محدود آنالیز شدند. ۱۰ آنالیز صورت گرفت؛ به گونه‌ای که هر مینی‌اسکرو، ‌یک بار تحت اعمال نیروی کششی و ‌یک بار تحت اعمال نیروی برشی به میزان ٢ نیوتون قرار گرفت. مدت زمان محاسبات برای هریک از مدل‌ها تحت نیروی کششی برابر ٣۵ دقیقه و تحت نیروی لترالی ۵۵ دقیقه بود. توزیع استرس و استرین و میزان جابه‌جایی هر‌یک از اجزای مدل سه‌بعدی به‌دست آمد.

یافته‌های نیروی کششی

با اعمال نیروی کششی بر اساس تعداد رزوه‌ها از سینگل تا تریپل استرس وون‌میسز افزایش می‌یابد و بر اساس میزان گام رزوه،کمترین استرس در مدل مینی‌اسکرو با گام ۵/۰ میلی‌متر مشاهده شد و با افزایش گام استرس استخوان افزایش می‌یافت و رابطه‌ی مستقیمی بین میزان گام و استرس در استخوان وجود داشت. جدول ۲ و شکل ٣ جزییات آنالیز المان محدود به تفکیک مدل‌ها را نمایش می‌دهد.

یافته‌های نیروی برشی                                                  

آنالیز المان محدود مدل‌های دارای زاویه چرخش‌های متفاوت رزوه در بارگذاری برشی ٢ نیوتون مشخص کرد که؛ کمترین استرس وون‌میسز در استخوان در مدلdouble thread  به میزان ٢۹/۱۱ مگاپاسکال ایجاد شد و حداکثر استرس در مدل triple thread به میزان ٦٤/۱٦ مگاپاسکال مشاهده شد. براساس میزان گام، کمترین استرس وون‌میسز در استخوان در مدل استاندارد ‌یا مدل دارای گام ۷۵/۰ میلی‌متر به میزان ۹٤/۱٢ مگاپاسکال ایجاد شد و حداکثر استرس در مدل دارای گام ۵/۰ میلی‌متر به میزان ٤۵/۱٦ مگاپاسکال مشاهده شد. جدول ۳ و شکل ٤، جزییات آنالیز المان محدود به تفکیک مدل‌ها را نمایش می‌دهد.

مقایسه الگوی توزیع تنش

مقایسه توزیع استرس مینی‌اسکرو و استخوان در امتداد طول مینی‌اسکرو‌های متفاوت پس از اعمال نیروی کششی و برشی در نمودار‌های ۱ و ٢ نشان داد که الگوی تغییرات استرس در تمام مینی‌اسکرو‌ها مشابه است و استرس ناشی ازاعمال نیروها در استخوان به صورت ناگهانی در مرز ناحیه کورتیکال و اسفنجی و در مینی‌اسکرو به تدریج از ناحیه‌ی سر مینی‌اسکرو به نوک آن کاهش می‌یابد. استرس در استخوان اسفنجی به‌طور‌یکنواخت‌تری توزیع می‌شود و فقط میزان آن کاهش می‌یابد. با توجه به الگوی توزیع استرس، حداقل استرس در ناحیه پایین مینی‌اسکرو وجود دارد.

بحث

دراین مطالعه، توزیع استرس و استرین و جابه‌جایی ۵ مدل مختلف مینی‌اسکرو (با وجه تمایز زاویه چرخش و گام رزوه)، در اثر اعمال نیروی ارتودنتیک معمول و اگزیال (٢ نیوتون) به روش آنالیز المان محدود سه‌بعدی مورد ارزیابی قرار گرفت.

به طور کلی صرف نظر از هندسه مینی‌اسکرو، در تمام مدل‌ها، بیشترین میزان استرس وون‌میسز در ساختار مینی‌اسکرو در ناحیه ورود مینی‌اسکرو به استخوان (در واقع تکیه‌گاه و نخستین رزوه) مشاهده شد. همچنین در ساختار استخوان، حداکثر استرس ناشی از اعمال نیرو، در استخوان کورتیکال در مجاورت لبه رزوه‌ها متمرکز شده بود. میزان استرس مینی‌اسکرو و استخوان در امتداد طول مینی‌اسکرو به سمت نوک آن کاهش یافت. البته در مرز استخوان کورتیکال و اسفنجی کاهش قابل‌توجه و ناگهانی استرس رخ داده بود. در طول استخوان کورتیکال و اسفنجی، هر کدام به صورت جداگانه، کاهش تدریجی متناسب با دور شدن از نقطه تکیه‌گاه (نقطه تمرکز حداکثر استرس) مشاهده شد. Yu  و همکاران^(۱۱) در ‌یک مطالعهinvitro  نتیجه گرفتند که بیش‌ترین تمرکز استرس در ناحیه کورتیکال استخوان و نخستین رزوه می‌باشد. بر همین اساسKuroda  و همکارانش^(۹) در سال ٢۰۱٤، با انجام آنالیز المان محدود نتیجه گرفتند که ضخامت استخوان کورتیکال نقش بسیار مهمی در تامین ثبات اولیه دارد. علت آن دانسیته بیشتر استخوان کورتیکال نسبت به اسفنجی است که تعیین‌کننده اصلی ثبات مینی‌اسکرو می‌باشد. Singh  و همکاران^(۱۲) نیز عنوان کردند که استخوان اسفنجی تنها نقش اندکی در مقاومت در برابر نیرو‌ها دارد. از این رو نتایج مطالعه ما، منطبق بر‌یافته‌های تحقیقات قبلی می‌باشد.

حداکثر استرس ناشی از نیرو حین انتقال از مینی‌اسکرو به استخوان کورتیکال، ۴۱% کاهش‌یافت و در استخوان اسفنجی نیز حداکثر استرس ۲۵ برابر نسبت به استخوان کورتیکال کاهش‌یافته بود. تیتانیوم، ماده سازنده مینی‌اسکرو، به دلیل مدول‌یانگ بسیار زیاد (تقریبا ٨ برابر استخوان کورتیکال)، در برابر نیرو‌های اعمال شده، دارای تغییر شکل کم و سختی زیاد است و بخش عمده استرس‌ها را به استخوان مجاور منتقل می‌کند.^(۳) استخوان کورتیکال به دلیلload-deflection rate  کمتر، ٤۱% استرس را جذب می کرد. دو دلیل برای کاهش واضح استرس در استخوان اسفنجی نسبت به کورتیکال می‌توان عنوان کرد: نخست مدول‌یانگ بسیار کمتر استخوان اسفنجی نسبت به استخوان کورتیکال (یک‌دهم) ، که منجر به جذب بیشتر استرس با تغییر شکل می‌شود. دلیل دوم حالت خاص خمش(bending mood ) است؛ که منجر به ایجاد بیش‌ترین میزان استرس در ناحیه ورود به استخوان می‌شود. همین ویژگی باعث می‌شود که حداکثر میزان استرس در استخوان اسفنجی نیز دقیقا در مرز مشترک با استخوان کورتیکال مشاهده شود.^(۱۳) ساختار ماکروسکوپی استخوان آلوئول (وجود لایه استخوان کورتیکال سخت روی استخوان اسفنجی)، باعث کاهش پلکانی و جذب تدریجی استرس حاصل از بارهای مختلف می‌شود.

نکته قابل بحث دیگر، مقایسه استحکام نهایی و حد آستانه مواد مدل‌ها با حداکثر استرس پس از بارگذاری ٢ نیوتون است. استحکام نهایی استخوان کورتیکال و تیتانیوم به ترتیب  ٢۰۰ و ٦٢۹ مگاپاسکال گزارش شده است. حداکثر استرس ایجادشده پس از بارگذاری در استخوان کورتیکال و مینی‌اسکرو کمتر بود. پس استخوان و انواع مینی‌اسکروهای مورد مطالعه، استحکام ساختاری کافی در برابر نیروهای معمول ارتودنسی را دارند. این نتیجه، با‌ یافته‌های المان محدود و تجربی تحقیقات قبلی هماهنگ می‌باشد.^(13-14)

از مقایسه نتایج دو نوع بارگذاری کششی و برشی این نتیجه حاصل می‌شود که نیرو‌های کششی‌یا به موازات محور طولی مینی‌اسکرو؛ باعث توزیع وسیع‌تر استرس در سطوح تماس استخوان و مینی‌اسکرو می‌شود. به دلیل شکل استوانه مینی‌اسکرو، استرین در طول رخ می‌دهد (افزایش طول)؛ که در این بعد توده ماده بسیار بیشتر از بعد عرضی می‌باشد. در نتیجه نیروی کششی استرس و استرین وون‌میسز بسیار کمتری نسبت به نیروی برشی(عمود بر محور طولی مینی‌اسکرو) ایجاد می‌کند.^(۱۵)

تفسیر نتایج صرفا با دیدگاه مکانیکی کامل نیست. از دیدگاه بیولوژیک، استخوان به طور مداوم برای تطابق با محرک‌های محیطی ریمدل می‌شود (پدیده bone hemostasis ). استرین، محرک مکانیکی ریمدلینگ استخوان اطراف مینی‌اسکرو است. بر اساس مکانواستاتیک آسیب‌های میکروسکوپی در استخوان بالغ لاملار و نرمال، زمانی ایجاد می‌شود که استرین از ٤۰۰۰ میکرواسترین بیش‌تر شود. در این شرایط‌، یکپارچگی ساختاری استخوان ازدست می‌رود و افزایش نیروی  پاتولوژیک و استئوکلاستوژنزیس ایجاد می‌شود.^(۱۶) پس، از لحاظ بیومکانیکی، بهترین طراحی مینی‌اسکرو باید میزان استرس ایجاد شده در استخوان اطراف را به حداقل برساند و منجر به کاهش آسیب به استخوان و در نهایت لقی مینی‌اسکرو شود. بارگذاری ٤۰۰۰ میکرواسترین در استخوان کورتیکال، معادل استرس فشاری ۵۵ مگاپاسکال می‌شود. اما در زمینه سایر استرس‌های کششی و برشی هنوز اطلاعاتی در دسترس نمی‌باشد. در پژوهش حاضر، حداکثر استرس وون‌میسز در تمام مدل‌ها کمتر از ۵۵ مگاپاسکال بود که با مطالعات قبلی مطابقت دارد.^(۱۳) نتایج بافت‌شناسی Deguchi  و همکاران^(۱۷) نیز نشان داد که هیچ آسیبی در استخوان، پس از بارگذاری مینی‌اسکرو با نیروی ٢نیوتون طی درمان ارتودنسی ایجاد نمی‌شود.

مکانیسم اصلی شل شدن مینی‌اسکرو، پاسخ بافتی استخوان به میدان استرس/استرین ایجادشده در استخوان است. وجود رزوه باعث تبدیل شدن بارهای تضعیف‌کننده (برشی) به بار‌های مطلوب‌تر(فشاری و کششی) در سطح تماس مشترک استخوان با مینی‌اسکرو می‌شود و به این ترتیب توسط توزیع بهینه استرس، ثبات اولیه را تقویت می‌کند. Micro thread design  مفهومی است که ابتدا در ایمپلنت‌های دندانی مورد استفاده قرار گرفت و به نظر می‌رسد در مینی‌اسکرو نیز باعث بهبود ریتنشن مکانیکی و توزیع بهتر استرس در استخوان می‌شود.^(۱۰) از سوی دیگر با توجه به غیرقابل کنترل بودن عوامل فیزیولوژیک مانند ضخامت و کیفیت استخوان کورتیکال، می‌توان طراحی مینی‌اسکرو را مهم‌ترین عامل تعیین‌کننده موفقیت مینی‌اسکرو دانست. بنابراین به بررسی توزیع استرس در مدل‌های مختلف مطالعه به صورت اختصاصی می‌پردازیم.

آنالیز المان محدود مدل‌های دارای زاویه چرخش متفاوت رزوه در بارگذاری برشی ٢ نیوتون مشخص کرد که کمترین استرس وون‌میسز در استخوان در مدلdouble thread  به میزان ٢۹/۱۱ مگاپاسکال و حداکثر استرس در مدل triple thread به میزان ٦٤/۱٦ مگاپاسکال مشاهده شد. مشابه این نتایج،Yu  و همکارانش^(۱۱) دریافتند طراحیdouble thread  مینی‌اسکرو، ثبات مکانیکی بهتر و تورک ورود و مقاومت به خروج بیش‌تری در تست‌های آزمایشگاهی دارد و در آنالیز المان محدود نیز استرس کمتری در استخوان ایجاد می‌کند. مقایسه مساحت سطح فانکشنال مینی‌اسکروهای مدل ۱ تا ٣ مشخص می‌کند که مساحت سطح توزیع استرس، مهمترین فاکتور تعیین‌کننده میزان استرس نمی‌باشد. زیرا علی‌رغم بیش‌تر بودن مساحت در مدلtriple thread  (مساحت مدل‌ها ۱ تا ٣ به ترتیب ۱٨/٣٨-۱٨/٣۹-٦۱/٤۰میلی‌متر مربع)، استرس آن از مدلdouble thread  بیش‌تر است. پس مقداری اپتیمم برای مساحت سطح وجود دارد که از آن بیش‌تر در کاهش استرس موثر نیست. اما کلید تفسیر این‌یافته در بررسی زاویه هلیکس می‌باشد. با افزایش زاویه چرخش رزوه‌ها (از مدل ۱ تا ٣ به ترتیب ۱۹ و ٣۵ و ٤٦ درجه) امکان افزایش تعداد رزوه‌ها از نقاط شروع متفاوت فراهم می‌شود. شیب رزوه‌ها، جهت نیرو و نوع استرس منتقل‌شده به استخوان را تغییر می‌دهد. طراحی ایده‌آل رزوه‌های مینی‌اسکرو باید به گونه‌ای باشد که بتواند تعادل را بین استرس‌های کششی و فشاری ایجاد کند و همزمان ایجاد استرس‌های برشی را به حداقل برساند. در حالت اپتیمم، زاویه هلیکس ٣۵ درجه، استرس‌ را به صورت مطلوب‌تر به استخوان منتقل می‌کند و استرس‌های برشی به مقدار زیادی تبدیل به استرس‌های فشاری می‌شود. آنالیز المان محدود در این پژوهش نشان داد که در بارگذاری کششی ٢ نیوتون، با افزایش زاویه هلیکس از single thread  تا triple thread  استرس وون‌میسز استخوان (٢٨% در مدلdouble thread   و ٣۵% درtriple thread ) افزایش می‌یابد. سطوح افقی‌تر رزوه‌ها مقاومت بیش‌تری در برابر نیروهای اگزیال (موازی محور طولی مینی‌اسکرو) ایجاد می‌کند و آن‌ها را به استرس فشاری مطلوب‌تری تبدیل می‌کند. اما هر چه زاویه هلیکس بیشتر می‌شود، استرس‌های برشی در سطح رزوه افزایش می‌یابد.

براساس‌یافته‌ها، پس از اعمال نیروی برشی 2 نیوتون، کمترین استرس وون‌میسز در استخوان در مدل استاندارد ‌یا دارای گام ۷۵/۰ میلی‌متر به میزان ۹٤/۱٢ مگاپاسکال ایجاد شد و حداکثر استرس در مدل گام ۵/۰ میلی‌متر به میزان ٤۵/۱٦مگاپاسکال مشاهده شد.‌ یافته‌های مطالعاتMottaghi  و همکارانش^(۱۰)، با نتایج حاضر مطابقت دارد که نتیجه‌گیری کردند که کاهش گام رزوه‌ها از میزان خاصی؛ منجر به افزایش استرس می‌شود و حداکثر استرس متناسب با کاهش گام، کاهش نمی‌یابد.

یافته‌های آنالیز المان محدود در مدل‌های مختلف مینی‌اسکرو با میزان گام متفاوت در برابر نیروی کششی ٢ نیوتون نشان می‌دهد که با افزایش میزان گام، استرس وون‌میسز در استخوان افزایش می‌یابد. اما مطالعه آزمایشگاهیBrinley  و همکارانش^(۶) تایید کرد که با کاهش میزان گام، مقاومت به خروج (مقاومت در برابر نیروی اگزیال) افزایش می‌یابد. علت این امر افزایش تعداد و تراکم رزوه‌ها با کاهش گام می‌باشد؛ که درگیری مکانیکی با استخوان را افزایش می‌دهد. به بیان دیگر با افزایش گام، مساحت سطح توزیع استرس در مدل‌ها کاهش می‌یابد. (مساحت مدل با گام ۷۵/۰ برابر با ۱٨/٣٨ میلی‌مترمربع و مدل با گام ۵/۰ برابر با ٣۱/٤۵ میلی‌مترمربع و مدل با گام ۱ میلی‌متر برابر با ٨٤/٣٤ میلی‌مترمربع)

در پژوهش حاضر جابه‌جایی‌های جزیی به عنوان شاخص شکست مینی‌اسکرو در نظر گرفته شده است. باتوجه به خلأ اطلاعاتی در این زمینه، در حال حاضر می‌توان نتایج مقالات ثبات اولیه ایمپلنت را به مینی‌اسکرو تعمیم داد. آستانه بحرانی جابه‌جایی ایمپلنت بین ۵۰ تا ۱۵۰ میکرومتر است و بیش‌تر از آن شکست ایمپلنت تلقی می‌شود.^(6-8) یافته‌ها حاکی از آن است که تمامی جابه‌جایی‌ها در اعمال نیروی ۲ نیوتون کششی و برشی بسیار کمتر از حد آستانه می‌باشد.

این‌یافته‌ها حاصل آنالیز استاتیک می‌باشد و قطعا آثار تجمعی حرکات میکروسکوپی در طول زمان، رفتار استخوان در ثبات مینی‌اسکرو را تحت‌تاثیر قرار می‌دهد. اعتبار نتایج آنالیز المان محدود، به توانایی درک صحیح آن و اجرای صحیح روش (شبیه‌سازی نزدیک به واقعیت اجزای مدل و خواص مواد سازنده و نزدیک بودن به شرایط واقعی کلینیکی) وابسته است. روش المان محدود بهترین، دقیق‌ترین و معتبرترین روش مطالعه برای بررسی مکانیسم‌های اساسی رفتار ساختار‌های گوناگون،‌ یعنی الگوی استرس و استرین متناسب با خواص مکانیکی بیومتریال‌ها و بافت‌های انسان و با درنظر گرفتن شکل هندسی آن پس از اعمال نیرو می‌باشد.‌ یافته‌های آنالیز المان محدود، هرگز توسط انواع تکنیک‌های کارآزمایی بالینی و تجربی، به دلیل محدودیت‌های مکانیکی و دشواری کنترل پارامتر‌های مداخله‌گر و تنوع نمونه‌ها، قابل‌دستیابی نمی‌باشد. بررسی تاثیر هر‌یک از ویژگی‌های طراحی مینی‌اسکرو به تنهایی و بدون ایجاد تغییر در سایر فاکتور‌ها توسط آنالیز المان محدود، امکان‌پذیر است. هم‌چنین اعتبار و تطابق نتایج المان محدود با مطالعات تجربی قبلا توسط سایر مطالعات تایید شده است.^(1-5)

نتیجه‌گیری

زاویه هلیکس و گام رزوه‌ها بر میزان استرس پس ازبارگذاری به ویژه در استخوان کورتیکال موثر است. الگوی توزیع استرس در تمام مدل‌ها مشابه بود و حداکثر استرس وون‌میسز، در محل رزوه اول در استخوان کورتیکال مشاهده شد. در برابر نیروی برشی بهترین طراحی از نظر ثبات مکانیکی مدل double thread بود. بهترین پاسخ بیومکانیکی پس از اعمال نیروی کششی در مدل مینی‌اسکرو دارای گام ۵/۰ میلیمتر مشاهده شد.

تشکر و قدردانی

مقاله حاضر بخشی از پایان‌نامه آقای حمیدرضا مهرعلیان در رشته دندانپزشکی دانشگاه علوم پزشکی قم با شماره پایان نامه ۸۸۵۴ است. باتوجه به انجام تست‌ها بر روی مدل‌های مجازی اصول اخلاق در پژوهش به صورت کامل رعایت شده است. از تمامی کسانی که در مسیر این پژوهش ما را یاری کردند قدردانی می کنیم.

تضاد منافع

بنابر اظهار نویسندگان این مقاله تعارض منافع ندارد.