STUDIO AGLI ELEMENTI FINITI DEL DESIGN IMPLANTARE NELL'IMPLANTOLOGIA DENTALE OSTEOINTEGRATA

Dental implantology with osseointegration is a key sector in mechanical engineering applied to medicine, significantly impacting the quality of life for patients affected by edentulism. The success of modern dental implants is based on osseointegration, which is the process by which an implant integrates stably with the surrounding bone, forming a single biomechanical structure. This thesis, within the Scientific Disciplinary Sector ING – IND/14 (Mechanical Design and Machine Construction), explores in depth various aspects related to the design and material analysis of implant systems, aiming to improve biomechanical performance and long – term durability. Initially, a detailed analysis of the stratified anatomical and histological structure of natural teeth is presented; the first chapter concludes with a discussion of the biomechanical characteristics and dynamics of mastication, whose understanding is essential for developing artificial implants that replicate the performance of natural teeth. The second chapter introduces the field of osseointegrated dental implantology, starting from a historical perspective and then describing the current state of the art; it addresses concepts such as bone resorption, bone density, and implant stability, concluding with an overview of the limitations of this practice. A focused section provides a detailed description of implant systems, starting with an analysis of the main geometric features of implants and connections, followed by a discussion of materials and surface treatments designed to enhance osseointegration. The fourth chapter deals with the phenomenon of fatigue, which significantly affects the long – term lifespan of an implant: the mechanisms of fatigue damage and the main influencing factors are presented, along with Wöhler's mathematical model; it concludes by illustrating how a fatigue test for dental implants is conducted according to the ISO 14801 standard. An essential part of the work is the application of Finite Element Analysis (FEA), a modeling and numerical simulation technique currently used in almost all fields of engineering: simulations allow the analysis of the mechanical behaviour of dental implants under different operational conditions, identifying potential optimization points to increase resistance and durability while simultaneously reducing the risk of mechanical failure.

L'implantologia dentale osteointegrata rappresenta un settore chiave nell'ambito dell'ingegneria meccanica applicata alla medicina e ha un impatto significativo sulla qualità della vita dei pazienti affetti da edentulia. Alla base del successo degli impianti dentali contemporanei vi è l’osteointegrazione, ovvero il processo mediante il quale un impianto si integra stabilmente con l’osso circostante formando un’unica struttura biomeccanica. Questo lavoro di tesi, inserito all’interno del Settore Scientifico Disciplinare ING – IND/14 (Progettazione meccanica e Costruzione di macchine), esplora in profondità i vari aspetti relativi alla progettazione e all’analisi dei materiali utilizzati nei sistemi implantari, con gli obiettivi di migliorare le performance biomeccaniche e la durabilità nel tempo. Viene inizialmente presentata un'analisi dettagliata, a livello anatomico e istologico, della struttura stratificata dei denti naturali; il primo capitolo si conclude con la trattazione delle caratteristiche biomeccaniche e della dinamica della masticazione, la cui comprensione è essenziale per sviluppare impianti artificiali che possano replicare le prestazioni dei denti naturali. Il secondo capitolo presenta il settore dell’implantologia dentale osteointegrata, partendo da una prospettiva storica per poi descrivere l’attuale stato dell’arte; vengono trattati i concetti di riassorbimento osseo, densità ossea e stabilità implantare e si conclude la visione d’insieme con una panoramica sui limiti di questa pratica. Un focus è dedicato alla descrizione accurata dei sistemi implantari, partendo da un’analisi delle principali caratteristiche geometriche degli impianti e delle connessioni fino ad arrivare alla descrizione dei materiali e dei trattamenti superficiali atti a favorire l’osteointegrazione. Il quarto capitolo riguarda il fenomeno della fatica, che influenza significativamente la durata nel tempo di un impianto: vengono presentati il meccanismo di danneggiamento per fatica e i principali fattori di influenza nonché il modello matematico di Wöhler; si conclude mostrando come avviene una prova di fatica per impianti dentali unificata secondo la norma ISO 14801. Una parte essenziale del lavoro è infine l'applicazione dell’analisi agli elementi finiti (FEA), una tecnica di modellazione e simulazione numerica usata attualmente nella quasi totalità dei settori dell’ingegneria: le simulazioni permettono di analizzare il comportamento meccanico degli impianti dentali sotto diverse condizioni operative identificando i potenziali punti di ottimizzazione per incrementare la resistenza e la durata e ridurre, allo stesso tempo, il rischio di fallimento meccanico.