Презентація_ХОМЧИК_Данило_Вікторович

1.

Кафедра механічної та біомедичної
інженерії
Демонстраційні слайди
до кваліфікаційної роботи бакалавра на тему:
«Дослідження біомеханічних властивостей дуг і
замків у брекет-системах для ортодонтичного
лікування»
Виконав: Хомчик Данило Вікторович
ст. гр 132-23cк-2
Керівник: Слупська Юлія Сергіївна
доктор
філософії, доц.
Співавтори:

2.

Актуальність
Актуальність роботи полягає у матеріалознавчому
аналізі елементів брекет-систем, оскільки фізикомеханічні властивості матеріалів дуги та замка
визначають ефективність передачі ортодонтичного
навантаження.
Нержавіюча сталь, титанові сплави та кераміка
мають різні показники жорсткості, пружності,
міцності та тертя, що впливає на біомеханіку
переміщення зубів.
Дослідження взаємодії цих матеріалів дозволяє
обґрунтувати вибір оптимальних конструкцій для
підвищення ефективності та надійності лікування.
Дослідження біомеханічних властивостей дуг і замків у брекет-системах для ортодонтичного лікування
2

3.

Мета роботи
Предмет дослідження – біомеханічні та експлуатаційні властивості ортодонтичних дуг і замків,
виготовлених із різних матеріалів.
Мета роботи – проведення порівняльного інженерного аналізу біомеханічних властивостей
ортодонтичних дуг і замків, виготовлених із різних класів матеріалів (нержавіюча сталь, титанові
сплави, кераміка), для визначення їх ключових експлуатаційних характеристик та обґрунтування
раціонального вибору конструктивних елементів брекет-систем для ефективного та безпечного
ортодонтичного лікування.
Результати та їх новизна – вперше проведено комплексний інженерний аналіз для кількісного
порівняння біомеханічної поведінки поширених матеріалів брекет-систем. Встановлено, що сталеві
дуги AISI 316L, на відміну від пружних сплавів NiTi та TMA, функціонують на межі пластичності.
Визначено, що для пари «сталь–сталь» характерні найвищі контактні напруження (232 МПа) і ризик
зносу, а для системи «NiTi–кераміка» - найбільший опір ковзанню. Завдяки значно кращим
показникам втомної довговічності та енергії деформації дуги з NiTi та TMA забезпечують тривалу та
стабільну дію фізіологічних сил.
Дослідження біомеханічних властивостей дуг і замків у брекет-системах для ортодонтичного лікування
3

4.

Задачі дослідження
Проаналізувати сучасний стан питання, включаючи історію розвитку, класифікацію та
біомеханічні принципи роботи брекет-систем.
Обґрунтувати вибір матеріалів для дослідження на основі комплексу біологічних, механічних та
технологічних вимог.
Виконати порівняльний розрахунок механічних характеристик дуг: їх напружено-деформованого
стану, енергії пружної деформації та безпечних діапазонів сил залежно від матеріалу, геометрії та
навантаження.
Проаналізувати контактну взаємодію в системі «дуга–замок», розрахувавши контактні
напруження та сили тертя для різних пар матеріалів.
Оцінити втомну довговічність ортодонтичних дуг при циклічних навантаженнях для
прогнозування їхнього експлуатаційного ресурсу.
Провести кореляційно-регресійний аналіз розрахункових даних для виявлення ключових
факторів, що впливають на ефективність та безпеку роботи брекет-системи.
Дослідження біомеханічних властивостей дуг і замків у брекет-системах для ортодонтичного лікування
4

5.

Характеристики досліджуваних матеріалів
H-файл
Дослідження біомеханічних властивостей дуг і замків у брекет-системах для ортодонтичного лікування
5

6.

Характеристики досліджуваних матеріалів
Дослідження біомеханічних властивостей дуг і замків у брекет-системах для ортодонтичного лікування
6

7.

Характеристики досліджуваних матеріалів
Дослідження біомеханічних властивостей дуг і замків у брекет-системах для ортодонтичного лікування
7

8.

Інженерний аналіз напружено-деформованого
стану дуг
Максимальний згинальний момент
де F – прикладена сила (Н),
L – відстань між замками (мм).
Момент інерції для круглої дуги
Згинальні напруження
Прогин у центрі дуги
Дослідження біомеханічних властивостей дуг і замків у брекет-системах для ортодонтичного лікування
8

9.

Дослідження впливу геометричних та силових
параметрів на біомеханіку дуг
Збільшення діаметра дуги з 0,4 до 0,6 мм призводить до зменшення напружень у 3,4 раза та
суттєвого зростання жорсткості системи (табл.3.3.).
При подвоєнні сили навантаження (з 1,0 до 2,0 Н) напруження та прогини зростають пропорційно,
що дозволяє точно прогнозувати відгук тканин пародонту (табл.3.4.).
Рекомендація: Вибір дуги діаметром 0,5–0,6 мм є оптимальним для стабілізації результатів на
завершальних етапах, тоді як 0,4 мм - для початкової нівеляції.
Дослідження біомеханічних властивостей дуг і замків у брекет-системах для ортодонтичного лікування
9

10.

Контактні напруження у системі «дуга–замок»
Розрахунок за моделлю Герца:
pmax – максимальний контактний тиск;
E' – приведений модуль пружності матеріалів дуги та замка.
Дослідження біомеханічних властивостей дуг і замків у брекет-системах для ортодонтичного лікування
10

11.

Втомна міцність дуг
S-N криві для дуг
1000
900
800
σa (МПа)
700
600
Сталь AISI 316L
500
NiTi ASTM F2063
TMA (β-Ti)
400
300
200
100
10
1000
100000 10000000 1E+09
N (цикли, лог шкала)
1E+11
Дослідження біомеханічних властивостей дуг і замків у брекет-системах для ортодонтичного лікування
11

12.

Вплив діаметра дуги
Залежність напруження σ від діаметра
700
600
σ, МПа
500
400
σ Сталь (МПа)
300
σ NiTi (МПа)
200
σ TMA (МПа)
100
0
0,4
0,5
Діаметр, мм
0,6
δ, мм
Залежність прогину δ від діаметра
0,5
0,45
0,4
0,35
0,3
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
0
δ Сталь (мм)
δ NiTi (мм)
δ TMA (мм)
0,4
0,5
Діаметр, мм
0,6
Дослідження біомеханічних властивостей дуг і замків у брекет-системах для ортодонтичного лікування
12

13.

Сили тертя та енергія деформації
Сили тертя у різних системах дуга–
замок
Енергія пружної деформації для
різних матеріалів дуг
0,4
0,3
0,25
0,2
0,15
Сила тертя F_терт (Н)
0,1
0,05
0
Сталь – Сталь
NiTi – Al₂O₃
(кераміка)
Система
TMA – Ti-6Al-4V
Енергія, Дж
Сила тертя, Н
0,35
0,00009
0,00008
0,00007
0,00006
0,00005
0,00004
0,00003
0,00002
0,00001
0
Енергія U, Дж
Сталь 316L
NiTi ASTM F2063
Матеріал
TMA (β-Ti)
Дослідження біомеханічних властивостей дуг і замків у брекет-системах для ортодонтичного лікування
13

14.

Розрахунок допустимих сил навантаження для
ортодонтичних дуг
Допустимі сили для дуг різних
матеріалів
0,4
0,35
Fдоп, Н
0,3
0,25
0,2
Сталь 316L
0,15
NiTi ASTM F2063
0,1
TMA (β-Ti)
0,05
де, σ - максималне згинальне напруження, Па;
F - робоча сила, Н;
L - довжина вільного сегмента дуги, м;
0
Сталь 316L
NiTi ASTM F2063
Матеріал
TMA (β-Ti)
Умова міцності та розрахунок сили:
d - діаметр дуги, м; σ0.2 - межа плинності матеріалу.
Дослідження біомеханічних властивостей дуг і замків у брекет-системах для ортодонтичного лікування
14

15.

Описова статистика та первинний аналіз
результатів моделювання
Графік розмаху («ящик з
вусами») для показників
напруження, енергії та прогину.
Результати розрахунку основних
показників описової статистики
для досліджуваної вибірки
Гістограма розподілу величини
прогину дуг
із накладеною кривою
нормального розподілу.
Дослідження біомеханічних властивостей дуг і замків у брекет-системах для ортодонтичного лікування
15

16.

Комплексний статистичний звіт
Комплексний статистичний
звіт для показника енергії
(мкДж).
Комплексний статистичний
звіт для показника прогину (мм)
Комплексний статистичний
звіт для показника напруження
(МПа)
Дослідження біомеханічних властивостей дуг і замків у брекет-системах для ортодонтичного лікування
16

17.

Кореляційний аналіз взаємозв’язків
біомеханічних параметрів
Дослідження біомеханічних властивостей дуг і замків у брекет-системах для ортодонтичного лікування
17

18.

Діаграми розсіювання та аналіз залежностей
Діаграма розсіювання та гістограми
розподілу залежності величини прогину
(мм) від діаметра ортодонтичної дуги
(мм).
Діаграма розсіювання та гістограми
розподілу залежності модуля
пружності матеріалу (ГПа) від сили
тертя (Н)
Діаграма розсіювання та гістограми
розподілу функціональної залежності
накопиченої енергії (мкДж) від величини
прогину дуги (мм)
Дослідження біомеханічних властивостей дуг і замків у брекет-системах для ортодонтичного лікування
18

19.

Регресійне моделювання та прогнозування рівня
напруження
Дослідження біомеханічних властивостей дуг і замків у брекет-системах для ортодонтичного лікування
19

20.

Регресійне моделювання показників прогину
ортодонтичних дуг
Дослідження біомеханічних властивостей дуг і замків у брекет-системах для ортодонтичного лікування
20

21.

Регресійне моделювання енергетичного
потенціалу ортодонтичних дуг
Дослідження біомеханічних властивостей дуг і замків у брекет-системах для ортодонтичного лікування
21

22.

Візуалізація біомеханічних закономірностей за
допомогою тривимірного моделювання поверхонь
Дослідження біомеханічних властивостей дуг і замків у брекет-системах для ортодонтичного лікування
22

23.

Висновки
У кваліфікаційній роботі виконано порівняльний інженерний аналіз біомеханічних властивостей
ортодонтичних дуг і замків, виготовлених із різних класів матеріалів, з метою обґрунтування
раціонального вибору конструктивних елементів брекет-систем для ефективного та безпечного
ортодонтичного лікування.
Встановлено, що ефективність ортодонтичного лікування значною мірою визначається фізикомеханічними властивостями матеріалів дуг і замків, зокрема модулем пружності, жорсткістю,
втомною міцністю, а також величиною контактних напружень і коефіцієнтом тертя у системі «дуга–
замок».
Обґрунтовано вибір матеріалів для дослідження, які репрезентують основні класи, що
застосовуються в сучасній ортодонтії: нержавіючу сталь AISI 316L, нікель-титановий сплав NiTi та
бета-титановий сплав TMA для дуг, а також сталь AISI 316L, титановий сплав Ti-6Al-4V і кераміку Al₂O₃
для замків.
За результатами інженерних розрахунків напружено-деформованого стану встановлено, що сталеві
дуги характеризуються високою жорсткістю та забезпечують точний контроль переміщення зубів,
проте мають обмежену втомну довговічність і працюють поблизу межі пластичної деформації.
Дослідження біомеханічних властивостей дуг і замків у брекет-системах для ортодонтичного лікування
23

24.

Висновки
Показано, що нікель-титанові дуги завдяки ефекту супереластичності здатні створювати стабільні
ортодонтичні сили у широкому діапазоні деформацій, що робить їх доцільними для початкових
етапів ортодонтичного лікування з мінімальним ризиком перевантаження тканин пародонта.
Встановлено, що дуги зі сплаву TMA займають проміжне положення між сталевими та NiTi-дугами,
поєднуючи помірну жорсткість, достатню міцність і високу біосумісність, що забезпечує
контрольоване та прогнозоване переміщення зубів.
Аналіз контактної взаємодії у системі «дуга–замок» показав, що поєднання матеріалів істотно
впливає на рівень контактних напружень і сили тертя: найвищі контактні напруження характерні для
пари «сталь–сталь», тоді як використання керамічних замків супроводжується зростанням опору
ковзанню.
За результатами оцінки втомної міцності встановлено, що дуги з NiTi та TMA мають вищу втомну
довговічність порівняно зі сталевими, що забезпечує стабільну роботу брекет-систем при тривалих
циклічних навантаженнях.
Дослідження біомеханічних властивостей дуг і замків у брекет-системах для ортодонтичного лікування
24

25.

Висновки
Аналіз енергії пружної деформації підтвердив здатність дуг з NiTi та TMA акумулювати і віддавати
енергію в межах безпечних для пародонта діапазонів ортодонтичних сил.
Проведений кореляційно-регресійний аналіз дозволив виявити основні закономірності між
геометричними параметрами дуг, механічними властивостями матеріалів та біомеханічними
показниками роботи брекет-систем, а побудовані регресійні моделі можуть бути використані для
прогнозування напружень і прогинів ортодонтичних дуг.
Таким чином, поставлену мету кваліфікаційної роботи досягнуто, а всі визначені задачі виконано;
отримані результати мають інженерне та прикладне значення та можуть бути використані для
науково обґрунтованого вибору матеріалів і конструктивних параметрів брекет-систем.
Дослідження біомеханічних властивостей дуг і замків у брекет-системах для ортодонтичного лікування
25

26. Дякую за увагу!

Кафедра механічної та біомедичної
інженерії
Дякую за увагу!
Доповідач: Хомчик Данило Вікторович
btpm.nmu.org.ua
Співавтори: