黃 茜,王 聰,王少安,王 璐,李蘇伶△

(1.重慶醫(yī)科大學(xué)附屬口腔醫(yī)院修復(fù)科 400015;2.成都市第三人民醫(yī)院口腔科 610031;3.四川大學(xué)華西口腔醫(yī)院,成都 610041)

Spline高度對(duì)種植體-基樁界面應(yīng)力分布的影響

黃 茜1,王 聰2,王少安3,王 璐1,李蘇伶1△

(1.重慶醫(yī)科大學(xué)附屬口腔醫(yī)院修復(fù)科 400015;2.成都市第三人民醫(yī)院口腔科 610031;3.四川大學(xué)華西口腔醫(yī)院,成都 610041)

目的研究連接高度對(duì)Spline種植體-基樁界面受力的影響。方法利用三維有限元方法分析比較0.7、1.0、1.2 mm高度Spline種植體、基樁及中央螺釘在預(yù)負(fù)荷、垂直載荷及斜向載荷作用下的應(yīng)力分布情況。結(jié)果中央螺釘?shù)淖畲髴?yīng)力值位于螺釘頭部與螺桿交接處;Spline種植體的最大應(yīng)力值位于突起根部;1.0 mm高度的種植體、基樁應(yīng)力值最小,而中央螺釘應(yīng)力值最大。結(jié)論1.0 mm高度是Spline種植體系最為合理的連接高度。

種植體;應(yīng)力分析;三維有限元

1 材料與方法

1.1 建模 根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)[1],在三維建模軟件Pro/Engineer Wildfire 2.0中建立 Spline種植體(長 10 cm,直徑3.75 mm,突起高度1 mm)、相應(yīng)粘固型基樁、中央螺釘及一個(gè)均勻厚度0.5 mm的帽狀冠模型(相當(dāng)于烤瓷牙底層冠)。修改Spline突起高度,獲得0.7、1.0、1.2 mm 連接高度的種植體-基樁模型(圖1)。將3個(gè)模型從Pro/E完整導(dǎo)入有限元軟件Ansys Workbench 9.0。

圖1 不同連接高度的Spline種植體模型

1.2 材料參數(shù)、假設(shè)、邊界條件 種植體、基樁及中央螺釘均設(shè)定為鈦合金材料,即Ti-6A1-4V(楊氏模量 110 GPa,泊松比0.35),帽狀冠設(shè)為金合金材料(楊氏模量100 GPa,泊松比0.3)。假設(shè)模型材料為連續(xù)、均勻、各向同性、線彈性材料。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)給予種植體外螺紋所有節(jié)點(diǎn)剛性約束[3]。

1.3 接觸區(qū)域的設(shè)置 在種植體-基樁、種植體內(nèi)螺紋-螺釘螺紋、螺釘頭部-基樁接觸區(qū)域引入接觸對(duì),設(shè)定其摩擦系數(shù)為0.3[3];設(shè)定基樁-帽狀冠接觸區(qū)為緊密接觸無相對(duì)滑動(dòng)。1.4 網(wǎng)格劃分 網(wǎng)格劃分均采用四面體單元,劃分結(jié)果如表1。

表1 網(wǎng)格劃分結(jié)果

1.5 加載條件 根據(jù)擰緊力矩和預(yù)緊力的關(guān)系[4],求得預(yù)緊力為405 N,該力施于螺桿上,為軸向使螺桿縮緊的力。在預(yù)緊力基礎(chǔ)上,于帽狀冠頂面施加兩種載荷:垂直200 N、斜向100 N(45°)。

2 結(jié) 果

不同Spline高度的模型各部件最大Von Mises應(yīng)力值如表2所示。3種載荷下1.0 mm高度的種植體、基樁應(yīng)力值均較0.7 mm和1.2 mm高度小,而中央螺釘應(yīng)力值最大。

表2 不同Spline高度的模型各部件最大Von Mises應(yīng)力值(M Pa)

不同連接高度的中央螺釘最大應(yīng)力值均位于螺釘頭部與螺桿交接處,種植體最大應(yīng)力值均位于 Spline根部(圖2)。

圖2 斜向載荷下應(yīng)力分布圖

3 討 論

對(duì)于常見的外六邊連接,Branmark系統(tǒng)最初的連接高度為0.7 mm,但隨后的研究發(fā)現(xiàn)外六邊高度需要1.2 mm才能很好地達(dá)到抗旋轉(zhuǎn)和抗側(cè)向力的作用[5],但未對(duì)外六邊高度與應(yīng)力分布的關(guān)系進(jìn)行研究。Spline連接屬于外連接方式,其突起高度為1.0 mm,本實(shí)驗(yàn)參考目前其他系統(tǒng)的外六邊的連接高度,設(shè)計(jì)了0.7、1.0、1.2 mm 3種高度的Spline種植體,運(yùn)用三維有限元方法進(jìn)行應(yīng)力分析以了解Spline突的內(nèi)部應(yīng)力分布規(guī)律以及Spline突高度與應(yīng)力分布之間的關(guān)系。

本實(shí)驗(yàn)中,不同連接高度的中央螺釘最大應(yīng)力值均位于螺釘頭部與螺桿交接處,該處是螺釘疲勞失敗通常發(fā)生的一個(gè)部位[6-7],主要是因?yàn)閮刹糠种g曲率半徑和直徑變化所產(chǎn)生的應(yīng)力集中所導(dǎo)致。不同連接高度的Spline種植體在不同載荷下的最大應(yīng)力值都位于突起根部,但應(yīng)力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度,關(guān)于Spline突起是否會(huì)折斷以及在何種情況下會(huì)出現(xiàn)這種情況,尚需要進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果還可以看出,不同的連接高度對(duì)Spline種植體-基樁界面的應(yīng)力分布有一定影響:不同載荷下1.0 mm高度的種植體、基樁應(yīng)力值最小,而中央螺釘應(yīng)力值最大。由于中央螺釘與種植體、基樁應(yīng)力值差別最大,可以更好地發(fā)揮弱連接[8-9]的作用,即中央螺釘在其他部件破壞之前發(fā)生塑性形變或折斷,從而達(dá)到保護(hù)種植體的目的,同時(shí)1.0 mm的Spline突高度較好地達(dá)到了抗旋轉(zhuǎn)和抗側(cè)向力的作用。所以本研究認(rèn)為1.0 mm的Spline突高度是較為合理的連接高度。

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Three dimensional finite element analysis of stress distribution of implant-abutment interfaces with different Spline height

HUANGQian1,WANG Cong2,WANG Shao-an3,et al.
(1.Departmentof Prosthodontics,Af filiated Stomatologic Hospital,Chongqing Medical University,Chongqing 400015,China;2.Department of Stomatology,Chengdu Third People′s Hospital,Chengdu,Sichuan 610031,China;3.Huaxi Stomatologic Hospital,Sichuan University,Chengdu,Sichuan 610041,China)

ObjectiveTo investigate the effect of spline height on stress distribution of the implant-abutmteent joint.MethodsThree-dimensional finite element analysis was used to determine stress distribution of the implant,abutment and screw of different spline height under preload,vertical load,and oblique load.ResultsMaximum Von Mises stress of screw located at the joint of the screw head and the screw shank.Maximum Von Mises stress of the Spline implant located at the root of the Spline projections.The system with 1.0 mm spline height had lower stress on implant and abutment,but higher stress on screw.ConclusionSpline height of 1.0 mm is preferred in spline implant system.

three-dimensional finite element;stress analysis;implant Spline連接屬于外連接方式,Calcitek公司的Spline種植體突起高度為1 mm[1],本實(shí)驗(yàn)通過三維有限元方法[2],旨在分析連接高度對(duì)Spline連接方式的種植體-基樁界面受力的影響,為Spline種植體的改進(jìn)和臨床設(shè)計(jì)提供參考。

R783.12

A

1671-8348(2010)10-1217-02

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2009-12-25)

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