Natural-inspired tooth replacement: design and strategies

Abstract

A perda de dentes é uma condição que afeta pessoas de várias faixas etárias. Pode ser provocada por diferentes condições como a higiene oral deficitária, factores associados a condições ambientais e/ou hábitos de vida, mesmo doenças como a doença periodontal, bruxismo ou outras sistémicas, de que constitui exemplo a diabetes mellitus. Hoje em dia substituir um dente por um implante é um processo relativamente comum. Contudo, as atuais estratégias aplicadas apresentam inúmeras limitações, nomeadamente a falha do implante devido à sua fraca estabilidade, e consequente falta de adesão óssea funcional, definida como osseointegração. Os implantes análogos de raiz personalizados surgiram, assim, como uma alternativa aos convencionais, com o objetivo de proporcionar ao paciente uma solução que preserve mais tecidos duros e moles, com um tempo de cicatrização reduzido. Neste sentido, o objetivo deste projeto de doutoramento é o desenvolvimento de um implante dentário que se adeque às características de cada pessoa e assim melhorar o desempenho do implante melhorando o processo de osseointegração e minimizando os riscos inerentes a tal cirurgia, bem como os custos relacionados com os implantes dentários. A estratégia desenvolvida inclui a aquisição da geometria real do dente ou alvéolo através de Tomografia Computorizada de Feixe Cónico (CBCT), modelação 3D do implante e fabrico por Controlo Numérico Computadorizado (CNC). Para assegurar a estabilidade mecânica e biológica do implante, técnicas como a incorporação de microcanais na superfície e outras características de superfície foram exploradas e avaliadas. Para analisar e avaliar a estratégia desenvolvida foram feitos testes como a validação in silico, hidrofilicidade da superfície e adesão bacteriana. Além disso, para validar o processo global de aquisição de imagem e manufatura do implante, foi realizado um estudo numa mandíbula de um cão cadáver. Espera-se que o desenvolvimento deste produto conduza ao início de uma nova era de implantes dentários, uma vez que permitirá a produção de implantes dentários semelhantes ao dente natural com um melhor desempenho biológico e mecânico, com o objetivo principal de melhorar a qualidade de vida do paciente.

Tooth loss is a problem that affects both old and young people. It may be caused by several conditions, such as poor oral hygiene, lifestyle choices or even diseases like periodontal disease, tooth grinding, or diabetes. Nowadays, replacing a missing tooth by an implant is a very common process. However, many limitations regarding the actual strategies can be enumerated, namely implant failure due to weak mechanical and biological stabilities, and consequent lack of functional bone adherence, defined as osseointegration. Customized root-analogue implants have, therefore, emerged as an alternative to conventional ones, aiming to provide the patient with a solution that preserves more hard and soft tissues, with a reduced healing time. In this sense, the aim of this PhD project is the development of a dental implant that fits each person’s characteristics and thus improve the implant performance by improving the osseointegration process and minimizing the risks inherent to such surgery as well as the costs related to dental implants. The developed strategy encompasses the CBCT scan of the real tooth or socket geometry, implant 3D modelling and CNC manufacturing techniques. To ensure both mechanical and biological stabilities, techniques such as the incorporation of surface microchannels and other surface features were explored and evaluated. In silico validation, as well as bacterial adhesion to different surfaces, were also assessed. To validate the overall image acquisition process and implant manufacturing, a study was performed in a cadaver dog mandible. The development of this product is expected to lead to the beginning of a new era of dental implants since it will allow producing natural tooth-like dental implants with enhanced biological and mechanical performance, with the main goal of improving the patient’s quality of life.