Development of a new concept of zirconia and PEEK dental implant

Abstract

Recently, the modern world of dentistry has looking for alternatives to metallic dental implants and the use of ceramic implants such as Zirconia are a solution to consider. However, the hardness of the material limits the applications in the field of implantology, although it has excellent biocompatibility and aesthetic matching properties. Combining a ceramic material like Zirconia with a polymer like PEEK can influence the mitigation of stresses and counteract the hardness of Zirconia. This dissertation aims to development the new concept of hybrid dental implants of Zirconia and PEEK, through the study of the numerical simulation of dense implants, and hybrid, as well as the osseointegrated model and implanted in the mandible using CAD software. This numerical analysis is performed simultaneously with the experimental analysis consisting of the exploration of the prototype development process and subsequent infiltration of the porous implant. The experimental analysis consisted of the evaluation of the process of development and infiltration through the electron microscope and reconstruction through microtomography. The most common defects found in the dense prototypes were cracks resulting of the contraction of zirconia during the sintering step of the manufacturing process and in the porous prototypes it was common to find obstructions of the porous resulting of overpolymerization and difficulty cleaning the pores of excess slurry after printing. The results corroborate the initial hypothesis that hybrid implants are able to withstand loads higher than pre-infiltration implants, when subjected to compression tests. When considering the stress results subject to 200 N, the dense, porous and hybrid implant prototypes present similar results. However, as the test progresses to collapse, the dense, hybrid, and porous implant fails, in order respectively. Regarding the effect on supporting bone, the numerical analysis of the osseointegrated hybrid model indicates that the loading can be supported by the bone without it suffering microdamages, supporting the initial hypothesis that using a polymer/ceramic composite material would cause less strain on the bone than a monolithic zirconia implant.

Recentemente, o mundo moderno da odontologia tem procurado alternativas aos implantes dentários metálicos e o uso de implantes cerâmicos como a Zircónia é uma solução a considerar. No entanto, a dureza do material limita as aplicações no campo da implantologia, embora tenha uma excelente biocompatibilidade e propriedades estéticas correspondentes. A combinação de um material cerâmico como a Zircónia com um polímero como o PEEK pode influenciar a mitigação de tensões e neutralizar a dureza da Zircónia. Esta dissertação tem como objetivo desenvolver um conceito de implantes dentários híbridos de Zircónia e PEEK, através do estudo da simulação numérica de implantes densos, e híbrido, bem como o modelo osseointegrado e implantado na mandíbula utilizando software CAD. Esta análise numérica é realizada simultaneamente com a análise experimental que consiste na exploração do processo de desenvolvimento do protótipo e subsequente infiltração do implante poroso. A análise experimental consistiu na avaliação do processo de desenvolvimento e infiltração através do microscópio eletrónico e reconstrução por microtomografia. Os defeitos mais comuns encontrados nos protótipos densos foram fissuras resultantes da contração da Zircónia durante a etapa de sinterização do processo de fabricação e nos protótipos porosos foi comum encontrar obstruções dos porosos resultantes da sobrepolimerização e dificuldade em limpar os poros do excesso de slurry após a impressão. Os resultados corroboram a hipótese inicial de que os implantes híbridos são capazes de suportar cargas superiores aos implantes pré-infiltração, quando submetidos a ensaios de compressão. Ao considerar os resultados de tensão sujeitos a 200 N, os protótipos de implantes densos, porosos e híbridos apresentam resultados semelhantes. No entanto, à medida que os testes progrediram para o colapso, os implantes densos, híbridos e porosos falham, respetivamente. Em relação ao efeito sobre o suporte ósseo, a análise numérica do modelo híbrido osseointegrado indica que a carga pode ser suportada pelo osso sem sofrer microdanos, apoiando a hipótese inicial de que o uso de um material compósito polimérico/cerâmico causaria menos tensão no osso do que um implante de Zircónia monolítico.