Structural response of mandibular first molars in the presence of proximal contacts: finite element analysis with antagonist teeth and alternative loading applications

Abstract

Objetivos: Comparar las respuestas mecánicas de un molar mandibular bajo cargas funcionales utilizando dientes antagonistas y diferentes aplicaciones y configuraciones de carga. Métodos: Se utilizó una tomografía computarizada de haz cónico de una mandíbula y maxilar humanos para construir 16 modelos tridimensionales diferentes, incluyendo cuatro configuraciones mandibulares: un modelo de diente único (primer molar mandibular - M), y la inclusión de contactos proximales mesial (mM), distal (Md) o ambos (mMd). Además, se aplicaron cargas oclusales con dientes antagonistas o mediante modelos alternativos de elementos finitos (EF) [carga puntual (PL), carga superficial distribuida (SL) y esfera metálica rígida (MS)]. Se realizó un análisis de EF y se calculó el estrés equivalente de von Mises (VM) a lo largo de toda la dentina y el ligamento periodontal del primer molar mandibular. Se compararon los valores máximos de estrés VM entre las diferentes configuraciones mandibulares y aplicaciones de carga. Resultados: Los valores más altos y más bajos de estrés VM a 50 y 100 N correspondieron, respectivamente, al modelo de diente único con carga SL (5.78 y 11.5 MPa) y a la aplicación de carga oclusal con dientes antagonistas y contactos proximales (2.08 y 3.58 MPa). Los máximos valores de estrés VM se localizaron de manera consistente en el área cervical de la raíz mesial y disminuyeron cuando los dientes adyacentes estaban presentes.

Conclusiones: Las mayores tensiones se localizan en el área cervical de la raíz mesial de los molares mandibulares, pero el comportamiento biomecánico depende de la presencia de contactos proximales y de las metodologías de carga utilizadas. Los modelos de dientes únicos representan el peor escenario estructural. Relevancia clínica: La incorporación de dientes antagonistas y contactos proximales en los modelos de EF mejora la biofidelidad de las simulaciones biomecánicas dentales, permitiendo una extrapolación más precisa a las condiciones clínicas.Objectives To compare the mechanical responses of a mandibular molar under functional loads using antagonist teeth and different loading applications and configurations.Methods A cone-beam computed tomography of a human mandible and maxilla was used to build 16 different three-dimen-sional models, including four mandibular configurations [single-tooth model (first mandibular molar-M), and inclusion of mesial (mM), distal (Md) or both proximal contacts (mMd)] and occlusal load applications either with antagonist teeth or alternative Finite Element (FE) models [point load (PL), distributed surface load (SL) and rigid metal sphere (MS)]. FE analysis was performed. Equivalent von Mises (VM) stress was calculated along the entire dentin and periodontal ligament of the first mandibular molar. Maximum VM stresses were compared among the different mandibular configurations and loading applications.Results The highest and lowest VM stress at 50 and 100 N corresponded respectively to the single-tooth SL model (5.78 and 11.5 MPa) and to occlusal load application with antagonist teeth and proximal contacts (2.08 and 3.58 MPa). Maximum VM stresses were consistently located at the cervical area of the mesial root and decreased when adjacent teeth were present.Conclusions Highest stresses are located in the cervical area of the mesial root of mandibular molars, but the biomechanical behavior depends on the presence of proximal contacts and the loading methodologies used. Single-tooth models represent the worst structural scenario.Clinical relevance Incorporating antagonist teeth and proximal contacts into FE models enhances the biofidelity of dental biomechanics simulations, enabling more accurate extrapolation to clinical conditions.