Entwicklung von Beurteilungskriterien zur Langzeitstabilität dentaler Biomaterialien mittels nichtlinearer Finite-Elemente-Methode

Abstract

Ziel der vorliegenden Studie war es, das mechanische Verhalten einer dreigliedrigen temporären Brückenkonstruktion mit Hilfe der Finiten-Elemente-Methode nichtlinear zu simulieren und das FEM-Berechnungsmodell durch eine entsprechende experimentelle Versuchsreihe zu validieren. Weiterhin sollte untersucht werden, ob es einen signifikanten Unterschied im Materialverhalten zwischen der vielfach verwendeten Versuchsgeschwindigkeit von 1 mm/min und der, unter physiologischen Bedingungen beim Kauen auftretenden, Versuchsgeschwindigkeit von 130 mm/s gibt.Zunächst wurden die Materialeigenschaften von Telio CAD (Ivoclar Vivadent AG, Schaan, Lichtenstein) in 3-Punkt-Biegeversuchen bei sechs verschiedenen Geschwindigkeiten (1 mm/min, 10 mm/min, 100 mm/min, 0,5 m/s, 1 m/s, 2,5 m/s) und in einer Dynamisch Mechanisch Thermischen Analyse (DMTA) bestimmt.Dabei wurde ein nichtlineares, geschwindigkeits- und temperaturabhängiges mechanisches Verhalten von Telio CAD ermittelt. Die nichtlinearen Materialeigenschaften konnten anschließend in das erstellte FEM-Berechnungsmodell einer dreigliedrigen Brücke integriert werden. Auf diese Weise konnte die Belastung der Brücke mit zwei verschiedenen Geschwindigkeiten (1 mm/min und 130 mm/s) simuliert und die zu erwartenden Dehnungen in der Brücke berechnet werden. Abschließend wurde ein zum FEM-Berechnungsmodell identischer Versuchsaufbau in zwei experimentellen Versuchsreihen zur Validierung durchgeführt. Die gemessenen Dehnungen sowie die Kraft-Verschiebungs-Kurven wurden mit den Ergebnissen aus der nichtlinearen FEM-Berechnung verglichen.In der vorliegenden Studie konnte gezeigt werden, dass das Verhalten einer dreigliedrigen Brücke aus Telio CAD mit einer nichtlinearen FEM-Berechnung vorherzusagen ist. Im Gegensatz dazu zeigte der Vergleich zwischen linearer und nichtlinearer Simulation, dass die fälschliche Annahme von linear-elastischen Eigenschaften im Falle von Telio CAD in der Berechnung zu hohe Kraftwerte ergibt.Weiterhin konnte ein signifikanter Unterschied bei den Bruchkräften zwischen den beiden Versuchsgeschwindigkeiten (1 mm/min und 130 mm/s) festgestellt werden. Bei der höheren Geschwindigkeit verhielten sich die Brücken deutlich steifer und das Versagen trat bereits bei geringeren Kräften auf.Schlussfolgernd kann daher festgestellt werden, dass bei nicht linear-elastischen Materialeigenschaften des Prüfmaterials eine nichtlineare FEM-Berechnung im Vergleich zu einer linearen FEM-Berechnung genauere Ergebnisse liefert. Eine vereinfachende Annahme von linear-elastischen Materialeigenschaften sollte daher in FEM-Studien vermieden werden. Da unterschiedliche Prüfgeschwindigkeiten zu unterschiedlichen Ergebnissen führen können, sollte eine höhere, der Kaugeschwindigkeit vergleichbare, Prüfgeschwindigkeit bei zukünftigen Materialuntersuchungen berücksichtigt werden. The aim of this study was to simulate the nonlinear mechanical behaviour of a temporary three-unit fixed partial denture (FPD) by utilization of the nonlinear finite-element-method (FEM) as well as to validate the finite-element model through in-vitro experiments.Furthermore, the significant influence of the crosshead speed on the material behaviour was investigated by comparing the frequently used crosshead speed of 1 mm/min to the physiological chewing velocity of 130 mm/s.First of all the material properties of Telio CAD were determined by using a 3-point bending test setup with six different crosshead speeds (1 mm/min, 10 mm/min, 100 mm/min, 0,5 m/s, 1 m/s, 2,5 m/s) and a Dynamic Mechanical Thermal Analysis (DMTA).Through these investigations a nonlinear, velocity- and temperature-dependent mechanical behaviour of Telio CAD was identified. Afterwards the nonlinear material properties were integrated into the finite-element model of a three-unit FPD, enabling a simulation of loading the FPD with two different crosshead speeds (1 mm/min and 130 mm/s) by calculating the strain values.Finally, two experimental in-vitro test series with identical setups to the finite-element model were used for validation. The measured strain values as well as the force-displacement-graphs were compared to the results of the nonlinear FEM-calculations.In the present study it has been possible to demonstrate, that the nonlinear FEM-calculation is able to predict the mechanical behaviour of a three-unit FPD made of Telio CAD. In contrast, the comparison between a linear and a nonlinear FEM-calculation showed that an erroneous assumption of linear-elastic material properties may lead to too high force values.Furthermore, a significant difference of the fracture loads between the two crosshead speeds (1 mm/min and 130 mm/s) was detected. At the higher speed the FPDs displayed a stiffer behaviour and failure occurred at lower fracture loads.In conclusion, it can be stated that in case of nonlinear material properties a nonlinear FEM-calculation is able to deliver more accurate results than a linear FEM-calculation. Therefore, a simplified assumption of linear-elastic material properties should be avoided in FEM-studies. Since different crosshead speeds may lead to different results, a higher crosshead speed (chewing velocity) should be taken into account in further studies.