Запасом прочности называется число, показывающее, во сколько раз предел прочности превышает допускаемое напряжение. Прочность материала зависит от его способности (или неспособности) к деформации, а также от технологии обработки материала. Деформацией твёрдого тела называется изменение его размеров и объёма, которое сопровождается изменением формы тела. Упругостью называется свойство тел восстанавливать свои размеры, форму и объём после прекращения действия внешних сил, вызывающих деформацию. Деформации, которые исчезают после того, как действие внешних сил прекращается, называются упругими. Если деформации сохраняются после удаления нагрузки, то они называются остаточными или пластическими, а способность материалов давать остаточные деформации называется пластичностью. Противоположным пластичности свойством является хрупкость, т. е. способность материала разрушаться при незначительных остаточных деформациях.

К простейшим видам деформации относятся линейное (продольное) растяжение (сжатие) материала и поперечная деформация. Мерой продольной деформации является модуль Юнга (Е), который характеризует способность материала сопротивляться деформированию под воздействием внешней нагрузки. Способность материала к поперечным деформациям характеризует коэффициент Пуассона.

Деформации дентального имплантата и его компонентов должны быть упругими, т. е. предел прочности и упругости материала должен превосходить как величину воздействующей на имплантат внешней силы, так и напряжение, возникающее под её воздействием [Helsen J. A., Breme H.J., 1998].

Кроме того, следует учитывать, что жевательные нагрузки имеют динамический и циклический характер. Частота жевательных циклов составляет около 60–80 в мин. При каждом смыкании на зуб воздействует жевательная сила в течение 0,2–0,3 с. Общее время контактного напряжения зубов – 10–17,5 мин в сутки.

Таким образом, динамическая нагрузка на зубы, их опорный аппарат и окружающую кость чередуется с отдыхом тканей. Аналогичную картину динамических нагрузок можно ожидать и при воздействии на имплантаты.

Динамические нагрузки вызывают механическое напряжение в теле, которое во много раз может превосходить таковое при статической нагрузке. Известно, что многие материалы, упругие и пластичные при статической нагрузке, становятся хрупкими при действии динамической нагрузки. При внезапном приложении нагрузки деформация и напряжение вдвое больше, чем при статическом действии той же нагрузки [Helsen J.A., Breme H.J., 1998].

Таким образом, при жевательной циклической нагрузке можно ожидать увеличения напряжения в материале имплантата до 200 МПа при воздействии силы в 400 N и даже до 500 МПа при 1000 N.

Воздействие многократно повторяющейся переменной нагрузки резко снижает прочность всех материалов. Снижение прочности при действии циклических нагрузок называется усталостью материалов. При циклических нагрузках разрушение материала происходит в результате постепенного развития трещин. Природа усталостного разрушения обусловлена особенностями молекулярного и кристаллического строения вещества. Например, отдельные кристаллиты металлов обладают неодинаковой прочностью в различных направлениях, поэтому при определенном напряжении в некоторых из них возникают пластические деформации, которые при повторных циклических нагрузках повышаю хрупкость в отдельных участках материала. В итоге при большом числе повторений нагрузки на одной из плоскостей скольжения кристаллов появляются микротрещины. Возникшая микротрещина становится сильным концентратором напряжений и местом окончательного разрушения материала, даже в тех случаях, когда величина напряжения меньше предела прочности материала. Поэтому переломы имплантатов могут происходить и под воздействием жевательной силы, не превышающей средний физиологический уровень.

Теоретические расчёты и опытные испытания показали, что под воздействием внешней аксиально-направленной силы, достигающей 800-1100 N, в дентальном имплантате могут возникать механические напряжения от 200 до 250 МПа, а при увеличении этой силы до 1860 N они возрастают до 420 МПа. На основании этих расчётов становится очевидным, что необходимым 2-3-кратным запасом прочности обладают биотолерантные (сталь и кобальтохромовый сплав) и биоинертные материалы – например, титан и его сплавы.

Алюмооксидная керамика, биометаллы и биостекло – достаточно жёсткие материалы менее, чем металлы подвержены упругой деформации; следовательно, они являются более хрупкими и имеют меньший запас прочности. Поэтому керамические дентальные имплантаты в настоящее время используются редко, а имплантаты из биологически активных стёкол применяются в основном для установки в лунки удалённых зубов с целью профилактики резорбции, прогрессирующей атрофии и деформации альвеолярных отростков.

Биофункциональная оценка имплантационных материалов

Согласно закону Гука механическое напряжение прямопропорционально относительной деформации. Исходя из этого закона, можно проследить зависимость величины напряжения в материале имплантата и окружающей его кости от модуля упругости материала: чем выше значения модуля упругости материала, из которого изготовлен имплантат, тем выше уровень напряжения, возникающий при действии окклюзионной нагрузки в окружающей кости.

Поэтому модуль упругости является одним из основных показателей функциональной пригодности имплантационного материала.

Качественная оценка материалов, служащих для изготовления внутрикостных имплантатов, проводится с помощью индекса биофункциональности [Helsen J.A., Breme H.J., 1998]:

BF = o/E,

где о – усталостная прочность материала, Е – модуль Юнга.

На основании расчётов при помощи этой формулы можно сделать вывод о том, что титан и его сплавы, имеющие достаточную усталостную прочность и значения модуля упругости в раза меньшие по сравнению с биотолерантными металлами и почти в раза меньшие, чем у различных видов керамики, обладают более приемлемыми биофункциональными свойствами.