Tese
Avaliação biomecânica de protetores bucais personalizados: análise laboratorial e dinâmica não-linear de impacto por elementos finitos
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Autor
Veríssimo, Crisnicaw
Institución
Resumen
The practice of contact sports is highly associated with the occurrence of dental injuries.
Mouthguards have been widely used in order to reduce the harmful effects of these
injuries. The aim of this study was to evaluate the biomechanical performance of
custom-fitted mouthguards through strain-gauge test and nonlinear dynamic impact
analysis by finite element method. This study was conducted through five specific
objectives. Objective 1: to evaluate an experimental dentoalveolar model to assess the
biomechanical behavior, expressed by the stresses and strains generated by the use of
mouthguards and validation of experimental test by means of nonlinear dynamic finite
element impact analysis. Objective 2: evaluate the stress and strain, shock absorption
ability and displacement of EVA custom-fitted mouthguards in different thicknesses (2,
3, 4, 5 and 6 mm). Objective 3: To evaluate the influence of hard inserts on the pattern
of stress and strain distributions, shock absorption ability and displacement of EVA
custom-fitted mouthguards. Objective 4: To evaluate the influence of the antagonist
contact on the pattern of stress and strain distributions, shock absorbing capacity and
displacement of custom mouthguards EVA. Objective 5: associate the results found in
the objectives 1, 2, 3 and 4 with a clinical case report of custom mouthguard compiled in
a communication paper for Brazilian dental clinicians. The experimental methods used
were the strain gauge method associated with impact test, tensile test for mechanical
characterization of ethylene vinyl acetate (EVA), and nonlinear dynamic impact finite
element analysis for evaluation of the stress and strain generated by the impact. In finite
element analysis, the von Mises and Critical Modified von Mises criteria were used for
stress assessment. Based on the results it was concluded that custom-fitted
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mouthguards are capable of reduce the stress and strain levels in the tooth-bone
complex during impact. Using Critical Modified von Mises criteria, was found that the
horizontal impact and without mouthguards created a critical condition for tooth fracture
in the palatal side of the tooth crown. The mouthguard presence decreases significantly
this critical condition. In impact tests using the pendulum device and experimental
dentoalveolar model (bovine), it was concluded that the different angles (90, 60 or 45º),
impact object (baseball or metal ball) and the presence of mouthguard significantly
influenced the stresses and strains generated during an impact. The 90° angle
promoted higher strain values. Custom-fitted mouthguards have an impact absorption
capacity reaching levels of 98% based on the strain gauge test and 95% by finite
element analysis. The results of the strain gauge test validated the finite element
models, therefore both methods are considered suitable for evaluation of mouthguards.
Custom-fitted mouthguards should be made in thickness from 3 to 4mm. The insertion
of hard material inside of the mouthguard (middle layer) is recommended because it
reduces the mouthguard displacement without significant changes in the stress and
strain. The mouthguard adjusted according to the patient\'s occlusion and antagonist
contact decreases the displacement of the mouthguard during an impact. Finally, the
clinician must focus on all these aspects during the preparation and orientation of the
use of EVA custom-fitted mouthguards. Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais Doutor em Odontologia A prática de esportes de contato está altamente relacionada com ocorrência de
traumatismos dento-alveolares e protetores bucais têm sido utilizados com objetivo de
reduzir os efeitos deletérios destes traumas. O objetivo geral deste estudo foi avaliar a
performance biomecânica de protetores bucais personalizados por meio de ensaio
experimental de extensometria e análise dinâmica não-linear de impacto por elementos
finitos e associar estes achados a aplicação clínica de uso destes dispositivos. Este
estudo envolve cinco objetivos específicos. Objetivo 1: avaliar a efetividade de uso de
modelo experimental dento-alveolar bovino para avaliação do comportamento
biomecânico, expresso pelas tensões e deformações geradas pelo uso de protetores
bucais bem como validar mutuamente os achados dos ensaios experimentais e da
análise dinâmica não-linear de impacto pelo método de elementos finitos. Objetivo 2
avaliar o efeito de diferentes espessuras (2, 3, 4, 5 e 6mm) de protetores bucais
personalizados confeccionados em EVA nas tensões e deformações, capacidade de
absorção de impacto e deslocamento do protetor bucal. Objetivo 3: avaliar a influência
da inserção de material com alto módulo de elasticidade no interior de protetores
bucais personalizados confeccionados em EVA no padrão de distribuição de tensões e
deformações, capacidade de absorção de impacto e deslocamento do protetor.
Objetivo 4: avaliar a influência do contato com o dente antagonista no padrão de
distribuição de tensões e deformações, capacidade de absorção de impacto e
deslocamento de protetores bucais personalizados de EVA. Objetivo 5: associar a
síntese dos resultados encontrados nos objetivos 1, 2, 3 e 4 associado ao relato de
caso clínico de confecção de protetor bucal personalizado em artigo de comunicação
aos clínicos brasileiros. Os métodos experimentais utilizados foram extensometria e
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teste de impacto, teste de tração para caracterização mecânica do etileno vinil acetato
(EVA), e análise dinâmica não-linear de impacto por elementos finitos 2D para
avaliação das tensões e deformações geradas pelo impacto. Na análise pelo Método
de Elementos Finitos foram utilizados para análise de tensões os critérios de von Mises
e von Mises Modificado Crítico. Frente aos resultados concluiu-se que protetores
bucais personalizados diminuem os níveis de tensão e deformação no complexo dentoalveolar
durante impacto. Na ausência de protetores bucais o impacto horizontal cria
condição crítica para fratura dentária na região palatina da coroa dentária. A presença
de protetor, reduz de forma significativa a condição crítica de fratura. Empregando
testes de impacto com dispositivo pendular em modelo experimental dento-alveolar
(bovino) concluiu-se as diferentes angulações (90, 60 ou 45º), objeto de impacto (bola
de baseball ou de metal) comprova-se que a presença de protetor bucal reduz
significativamente as tensões e deformações frente ao impacto. A velocidade
determinada pela angulação de 90º promoveu maiores valores de tensão e
deformação. Protetores bucais personalizados demonstraram no teste de
extensometria a capacidade de absorção 98% da energia gerada no impacto e 95% na
análise de elementos finitos. Os resultados do ensaio de extensometria e do método de
elementos finitos, foram validados mutuamente portanto ambas metodologias são
consideradas adequadas e complementares para avaliação de protetores bucais.
Protetores bucais personalizados devem ser confeccionados na espessura de 3 a
4mm. A inserção de material rígido no interior do protetor bucal (camada média) é
recomendada pois reduz os níveis de deslocamento do protetor bucal frente ao impacto
sem modificar significativamente os níveis de tensões e deformações. O ajuste do
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protetor bucal segundo a oclusão do paciente reproduzindo contato com os dentes
antagonistas diminui o deslocamento do protetor bucal durante o impacto. Por fim, o
clínico deve se ater a todos estes aspectos durante a confecção e orientação de uso de
protetores bucais personalizados de EVA visando reduzir os efeitos indesejáveis do
impacto em dentes anteriores.