Kişiye özel temporomandibular eklem protezi tasarımı ve sonlu elemanlar yöntemiyle analizi
Design and finite element analysis of customized temporomandibular joint prosthesis
Yazar: EDA ÖZYILMAZ
Danışman: PROF. DR. CELALETDİN ERGUN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme ve İmalat Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Diş Hekimliği = Dentistry ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Bilgisayar destekli analiz = Computer aided analysis ; Biyomekanik analiz = Biomechanical analysis ; Protezler ve implantlar = Prostheses and implants

Özet:
Son yıllarda temporomandibular eklem üzerine yapılan çalışmalar oldukça artmış ve önem kazanmıştır. Çene kemiğinin çiğneme, konuşma gibi işlevlerini yerine getirmesi esnasında yaşam şartları, dişlerin sıkılması, diskin yerinden çıkması veya anatomik etkenlere bağlı olarak kondil bölgesinde problemler meydana gelebilmektedir. Bu durum ise ileri safhalarda ağrının yanı sıra kişinin ağzını açamamasına sebebiyet verebilmektedir. Genellikle 20-40 yaş aralığında görülmeye başlanan bu rahatsızlığın her geçen gün arttığı ve nüfusun %20-25'i oranında meydana geldiği raporlanmıştır.
Temporomandibular eklem ile ilgili yapılmış benzer çalışmalar incelendiğinde Xu ve arkadaşlarının yaptıkları çalışmada kişiye özgü yeni bir implant protezi tasarlayıp, lazer sinterleme ile ürettikleri görülmüştür. Temporomandibular eklem implantı uygulamaları cerrahi olarak zor şartlar altında yapıldığı için birçok araştırmacı kişinin kemik yoğunluğunu, sinir ve kas bölgelerini göz önünde bulundurarak implant tasarımı çalışmaları gerçekleştirmişlerdir. Yapılan bir derleme çalışmasında ise temporomandibular eklem ile ilgili olarak yapılan sonlu eleman çalışmalarında genellikle çene kemiği-implant ilişkisinin incelendiği ve implant kondil başının maksilla ile olan etkileşimini içeren çok az çalışma olduğu bilgisi aktarılmıştır.
Literatürde yer alan çalışmalarda birçok araştırmacı, farklı zamanlarda, farklı tasarımlarda benzer malzeme kombinasyonları kullanarak çalışmalar gerçekleştirmişlerdir. Ancak standartlaşmış bir uygunluk tanımı bulunmamaktadır. Gerçekleştirilen çalışmada ise; kişiye özel olarak oluşturulan tasarım üzerinden sistematik bir şekilde ilerleyerek farklı malzeme, fossa ve vida lokasyonu kombinasyonları uygulayarak çene kemiği-implant-maksilla ilişkisi bir bütün halinde incelenmiştir. 
Gerçekleştirilen çalışma kapsamında hastaya özel olarak Temporomandibular eklem protezi tasarımı gerçekleştirilmiştir. Hastanın tomografi datası (CT) alındıktan sonra katı cisme dönüştürülmüş ve kondil başı kesilmiştir. Kesilen bölgenin ağırlığı hesaplanarak tasarlanan implantın çok ağır olmamasına dikkat edilmiştir. Protez eklemin alt tarafı ve üst tarafını içeren tasarımdan oluşmaktadır. Tasarlanan implantın sabitlenmesinde kullanılan vidaların lokasyonu için kemik yoğunluğu durumları göz önünde bulundurularak 6 farklı tasarım yapılmıştır. Bu tasarımlar ayrı ayrı analiz edilerek gerilmeyi hem homojen dağıtan hem de akma dayanımı sınırını geçmeyen minimum gerilmelere sahip tasarımı bulmak için sonlu eleman analizi gerçekleştirilmiştir. Tasarım krtiterlerine en uygun olduğu düşünülen tasarım seçilmiş ve hasta için ideal vida lokasyonlu tasarım olarak adlandırılmıştır. İdeal vida lokasyonlu tasarım üzerinden iki farklı kondil malzemesi kullanılarak analizler tekrar edilmiştir. Sıkı geçme ile montaj edilmiş Zirkonya ve Ti6Al4V kondil başı uygulaması yapılarak karşılaştırılmıştır. Analiz sonucunda tasarımların von Mises gerilmeleri ve birim uzama değerleri bulunarak birbirleri içinde kıyaslaması yapılmıştır. Gerilmesi minimum ve akmadan en uzak tasarım/tasarımlar uygulanabilir olarak önerilmiştir. Önerilen tasarım üzerinde yorulma analizi ile kontrol, kondilden çıkıp çıkmama kontrolü uygulanmış ve aynı analiz şartlarında sağlıklı çenedeki gerilmeyle bu sonuçların kıyaslaması gerçekleştirilmiştir.

Abstract:
Customized implant design and macufacturing has become widespread in recent years. Since the application of temporomandibular joint implants are performed under difficult conditions in terms of surgery, as few and as short as possible operations, the patient will be satisfied with the minimum disturbance process and provide an ideal life after the operation. Therefore, it is of great importance that implants are designed and manufactured in accordance with patient anatomy. The temporomandibular joint (TMJ) is a bi-lateral articulation in synovial fluid with the mandible and temporal bone. TMJ is critical for expressing of emotion, chewing, swallowing, speech. TMJ works as bicondylar joint means that joints act simultaneously. The purpose of total joint replacement operation is diminishing pain, getting better patient life quality, improving jaw performance, spreading interincisal position.
The number of people exposed to temporomandibular joint disease will increase by 2030. Just in USA, 20-25% of the population indicate temporomandibular disease also 1 million new patients are added each year. Necessity is increasing to supply exact remedying for temporomandibular joint disorders. Because, failures are still ongoing such as screw loosening, implant breakage, nerve injury during surgery, 15% infection occurs post-operatively.
During the last 5 years, investigation topics for examining the temporomandibular joint prosthesis that used finite element analyze method attempted to clarify fixation number, fixation locations and strain comparisons at innovative designs. In a review paper, it is overemphasized that most of the studies are including only the interaction between implant and mandible and more investigation is needed for examining the relationship between implant-mandible-fossa-maxilla. In order to give a better understanding on the interactions of a full system, a model that including mandible, implant, condyle, articular cartilage, fossa and maxilla is prepared for conducting finite element analysis.
The aim of the study is to compare systematically the different fossa and material combinations in the literature and thus find the ideal fossa and material combinations to see the overall picture. By this way, everyone can adapt to their study and will be able to see more clearly which one is more advantageous or useful in fossa design and prosthesis material combination. In the scope of this thesis, temporomandibular joint prosthesis was designed specifically for a patient.  Three-dimensional model obtained from a male patient (29 years) computed tomography (CT) in this study. The CT scan was made as cranial-maxillofacial scan with a slice thickness of 0,3945 mm and matrix of 512*512. The model obtained from CT scan than imported to Mimics software (version 19.0; Materialise, Leuven, Belgium). The customized patient specific total TMJ prosthesis, fossa component, condyle and screws were designed by using 3-matic module of Materialise (version 14.0). In the design stage, a ceramic condyle head mounted with a tight fit was used to provide an advantage in terms of wear resistance and wearing of the prosthesis. Finite element analysis was performed for the location of the screws used in the fixation of the designed implant considering the bone density conditions. In addition, UHMWPE and Ti6Al4V were examined at the different design of fossa housing where the condyle head contacted. 
Mandibular condyle material was fictionalized as metallic (Ti6Al4V) and ceramic (Zirconia: ZrO2) to obtain minimum strength values. Fossa (maxillary implant) component modelled as 4 construction at the same geometry as single and double pieces. First one is all Ti6Al4V, second one is Ti-meshed backed UHMWPE, third one all UHMWPE and the fourth one is Ti-backed UHMWPE. In this study mesh size selected as 1 mm. Mesh type settled as tetrahedral. Contact area of maxilla bone-fossa implant and mandibular implant-mandibula bone was selected as multi point constrained (MPC). All screws interface implant and bone were contacted as bonded.
The aim of first part of this study was trying to find ideal screw location for our patient's jawbone. Best located design was selected from six different alternatives as 'f' because of the stress distribution on mandibula and fossa were below tensile strength limits in accordance with others. Even though other components were not close to yield strength, fossa (UHMWPE) and mandibula bone were close the yield limit. Than, at the second stage of the work, four different fossa component designs with zirconia and Ti6Al4V condyles were compared. The results showed that the fully UHMWPE fossa has the lowest stress values while also the Titanium backed design also has similar results. That's why, both designs were selected as useful alternatives than other designs. As a general output of these results, fossa design and material selection is one of the most important point for a succesful temporomandibular prosthesis application. In order to have a better system, the surgeon must be careful on selection of fossa components.
After the use of this new concept, different materials and designs were investigated. It is reported that the use of Co-cr-Mo condylar head and UHMWPE fossa component materials increased the success rate of prosthesis significantly. In order to see and compare the effect of fossa component different variations that is done in the market were designed. Results showed similarities with other studies  that the stress was located on the anterior and posterior areas of condylar neck. On the other hand, Intact mandible and resected model is also compared to discover ideal model/models designed for this custom-made TMJ prosthesis.
As a result of this study, the geometry of the fossa and implant components were designed to obtain best performance that is suited with the anatomy of the patient's mandible and glenoid fossa. The simulation results of this work suggest that patient specific TMJ prosthesis is providing a uniform stress distribution on the model that is not exceeding the yield strength for all materials.
Stress distribution of implant screws recommend that more screws can be used closer to condylar neck area while using less at the bottom of implant. Further improvements on fossa components must be done on selection of materials and design where touching to condylar head. Stress concentration was closer to yield stregth of UHMWPE at the contact regions of fossa and condylar head. This system with different fossa variations can be used for end-stage TMJ treatments but further tests in addition to simulations must be done to confirm.