Influence of biomimetic dental biomechanical models in the structural response of teeth

Abstract

Esta tesis doctoral aborda el desarrollo de modelos biomecánicos dentales (DBMs), herramientas esenciales para analizar la respuesta de los dientes y sus tejidos de soporte frente a cargas clínicas. La odontología ha evolucionado desde tratamientos generales hacia enfoques personalizados, lo que exige métodos de prueba más precisos. Sin embargo, los DBMs tradicionales tienden a simplificar la oclusión, centrándose en dientes aislados y aplicando cargas puramente verticales sin considerar contactos adyacentes ni variaciones individuales. La investigación identifica cuatro variables determinantes para la fidelidad de los DBMs: (1) las propiedades mecánicas de los tejidos dentales, (2) la presencia de dientes adyacentes y contactos proximales, (3) el ángulo de las cargas oclusales y (4) la metodología empleada para aplicarlas. Con base en estos factores, se proponen dos modelos: un DBM experimental, validado mediante una herramienta mecánica capaz de simular cargas funcionales y bruxistas, y un DBM simulado, desarrollado con métodos de elementos finitos. Los resultados demuestran que los modelos son más representativos cuando preservan el complejo dental completo, aplican cargas mediante dientes antagonistas y consideran ángulos y contactos realistas. En cambio, los modelos simplificados pueden distorsionar los resultados clínicos, lo que afecta tanto a los odontólogos, que podrían sobrestimar o subestimar los efectos de un tratamiento, como a la industria, que necesita datos fiables para diseñar materiales e instrumentos. La tesis concluye que es posible equilibrar precisión biológica y costes, estableciendo un punto de partida para investigaciones futuras. Entre ellas, destacan el análisis del impacto de cargas parafuncionales, la comparación de tratamientos mínimamente invasivos frente a tradicionales y la validación de criterios de fallo en fractura y fatiga.

This doctoral thesis explores the development of dental biomechanical models (DBMs), crucial tools for studying how teeth and their supporting tissues respond to clinical loads. Dentistry has evolved from generalized treatments toward personalized approaches, which requires more precise testing methods. Traditional DBMs often oversimplify dental occlusion, focusing on isolated teeth and applying purely vertical loads without accounting for individual differences or the role of adjacent structures. The research identifies four key variables that strongly influence the accuracy of DBMs: (1) the mechanical properties of dental tissues, (2) the presence of adjacent teeth and contacts, (3) the angle of occlusal loads, and (4) the methodology used to apply those loads. To address these factors, the study proposes two models: an experimental DBM, validated with a mechanical tool capable of simulating functional and bruxist loads, and a simulated DBM developed using finite element methods. Results highlight that DBMs are more reliable when they preserve the entire dental complex, use antagonistic teeth for load application, and consider realistic occlusion angles and proximal contacts. Conversely, oversimplified models risk misrepresenting clinical outcomes, which has implications for both dentists—who may overestimate or underestimate treatment effectiveness—and the dental industry, which relies on accurate models for designing materials and devices. The thesis concludes that combining biofidelity with manageable costs is possible and provides a foundation for future research. Proposed directions include studying the long-term effects of parafunctional loads, comparing minimally invasive versus traditional treatments, and refining failure prediction methods.