葉　菲

三維有限元牙釉質(zhì)與牙髓不同材料屬性對牙周組織應(yīng)力分布在臨床中的應(yīng)用

葉菲

三維有限元牙釉質(zhì)與牙髓不同材料屬性對牙周組織應(yīng)力分布在臨床中的應(yīng)用。方法 選擇2012年1月至2013年12月接受種植義齒修復(fù)治療的患者368例，將所有患者隨機分為四組，比較兩種材料的應(yīng)力分布、集中情況和四組種植體折斷情況。結(jié)果 四組種植體折斷率比較，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。兩種全瓷材料修復(fù)時，種植體支持的全瓷冠、全瓷基臺和種植體周圍骨組織內(nèi)的應(yīng)力分布相似。兩種材料全瓷冠內(nèi)部張應(yīng)力、全瓷基臺內(nèi)部張應(yīng)力比較，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）；全瓷冠內(nèi)部壓應(yīng)力、全瓷基臺壓應(yīng)力與骨組織等效應(yīng)力比較，差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）。結(jié)論 通過采用三維有限元模型分析不同材料屬性對牙周組織應(yīng)力分布，可得出多種形式的受力情況下的牙體應(yīng)力分布，提前預(yù)知牙體承載力的脆弱部位，避免臨床應(yīng)用中牙體損壞等情況發(fā)生。

牙釉質(zhì) 牙髓 牙周組織 應(yīng)力分布 三維有限元模型

三維有限元法應(yīng)力分析是生物力學(xué)研究中的重要手段之一，其將CT 掃描的一系列連續(xù)組織斷層圖像輸入計算機，經(jīng)圖像處理后，顯示組織的三維結(jié)構(gòu)，因此能更加真實、形象地再現(xiàn)組織的空間結(jié)構(gòu)［1］，從而建立牙體、牙周組織三維幾何模型，為口腔醫(yī)學(xué)提供有效的信息。本文比較了三維有限元模型在牙釉質(zhì)與牙髓不同材料屬性對牙周組織應(yīng)力分布情況，現(xiàn)將結(jié)果報道如下。

1　臨床資料

1.1一般資料 選擇2012年1月至2013年12月在本院接受種植義齒修復(fù)治療的患者368例（共植入種植體788枚），其中男190例，女178例；年齡 28 ～60歲，平均年齡 （35.4±10.8）歲。種植體植入部位分別是上頜前牙區(qū)（144枚）、上頜后牙區(qū)（178枚）、下頜前牙區(qū)（198枚）、下頜后牙區(qū)（268枚）。

1.2方法 按隨機數(shù)字表將所有患者隨機分為氧化鋁組、氧化鋁聯(lián)合三維有限元組、Procera氧化鋯組和Procera氧化鋯聯(lián)合三維有限元組，各92例（種植體197枚）。氧化鋁組種植體模擬3i Certain PRE-VAILTM 4.0mm×11.5mm種植體，基臺模擬氧化鋁全瓷基臺，以鈦固定，采用全瓷單冠，核瓷最薄0.7mm，飾瓷面最薄0.3mm，以樹脂粘結(jié)劑粘固。氧化鋁聯(lián)合三維有限元組在氧化鋁組基礎(chǔ)上，采用三維有限元模型模擬不同材料牙周組織應(yīng)力分布情況。Procera氧化鋯組植體模擬3i Certain PRE-VAILTM 4.0mm×11.5mm種植體，基臺模擬Procera氧化鋯全瓷基臺，以鈦固定，采用全瓷單冠，核瓷最薄0.7mm，飾瓷面最薄0.3mm，以樹脂粘結(jié)劑粘固，Procera氧化鋯聯(lián)合三維有限元組在Procera氧化鋯組基礎(chǔ)上采用三維有限元模型模擬應(yīng)力分布，比較兩種材料的應(yīng)力分布、集中情況和四組種植體折斷情況。四組患者年齡、性別、植入部位等一般資料比較，差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P均＞0.05），具有可比性。

1.3三維有限元模型應(yīng)力分布方法 樣本來源選擇1例牙列完整，咬合關(guān)系正常，且無明顯牙周疾患、無明顯牙體缺損或明顯磨耗的身體健康成年男性作為標準采集對象。樣本對象取仰臥位，抬高頦部，固定頭部，配戴用預(yù)先制作完成的咬合板，使其口微張，避免上下牙列接觸。采用SIEMENS SOMATOM Definition AS 64層螺旋CT行常規(guī)斷層掃描獲取口腔空間數(shù)據(jù)信息（頜骨和牙齒），使掃描截面盡可能與牙齒長軸垂直，自牙尖開始至上、下頜骨下緣做連續(xù)橫斷超薄掃描，層厚為0.5mm，二維掃描得到18幅斷層圖像。計算機中設(shè)置模型構(gòu)建的層間距為0.5mm，采用Outline圖像處理軟件進行處理，因CT掃描圖像中的牙齒各層組織結(jié)構(gòu)和每幅圖像的灰度值不同，構(gòu)建以線條形式顯示的牙齒及其各層結(jié)構(gòu)的二維斷層外形輪廓，之后采用Points軟件封閉牙齒各層組織的輪廓線條，并按方向及精確度確定各層組織部位的起始點，通過線條采用多個節(jié)點形式顯示。此時，去除構(gòu)建模型不需要部分。將所有節(jié)點坐標圖形轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)文件，導(dǎo)入Unigraphicsl6模具設(shè)計軟件中，按坐標將牙齒的不同部位和材料建立三維空間模型，將所有數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mentat3.2有限元軟件［3］。見表1。

表1　各層結(jié)構(gòu)與材料的屬性

1.4統(tǒng)計學(xué)方法 數(shù)據(jù)采用SPSS17.0統(tǒng)計軟件。計量資料以（±s）表示，采用t檢驗；計數(shù)資料用百分比表示，采用χ2檢驗，P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2　結(jié)果

2.1四組種植體修復(fù)效果 見表2。

表2　四組種植體修復(fù)過程中折斷與損壞情況［n（%）］

2.2兩種材料牙周組織應(yīng)力與集中部位 兩種全瓷材料修復(fù)時，種植體支持的全瓷冠、全瓷基臺和種植體周圍骨組織內(nèi)的應(yīng)力分布相似。兩種修復(fù)材料全瓷冠內(nèi)部應(yīng)力集中在近遠中頸部區(qū)域，全瓷基臺內(nèi)部應(yīng)力集中在腭側(cè)種植體-基臺連接處和基臺-冠連接處，骨組織內(nèi)部應(yīng)力集中在唇側(cè)頸部皮質(zhì)骨。

2.3兩種材料種植義齒最大應(yīng)力情況 見表3。

表3　不同材料和骨組織內(nèi)部最大應(yīng)力（±s）

表3　不同材料和骨組織內(nèi)部最大應(yīng)力（±s）

材料全瓷冠全瓷基臺骨組織張應(yīng)力壓應(yīng)力張應(yīng)力壓應(yīng)力等效應(yīng)力氧化鋁50.28±3.825.47±0.8368.48±3.823.28±0.3689.38±2.03 Procera氧化鋯39.35±3.055.30±0.4564.28±2.043.27±0.2189.21±1.39 t值7.2480.3093.8470.0230.117 P值＜0.05＞0.05＜0.05＞0.05＞0.05

3　討論

三維有限元應(yīng)力分析法能反映牙齒結(jié)構(gòu)的各個部分，特別是牙周和及牙齒間的應(yīng)力、應(yīng)變和位移，其精確度受控于重建模型所模擬的真實狀態(tài)［2］。

本文通過采集志愿者的牙槽骨和牙齒標本參數(shù)構(gòu)建了牙釉質(zhì)、牙本質(zhì)、牙髓、牙周膜及頜骨的皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨的三維有限元模型，并根據(jù)牙釉質(zhì)和牙髓不同材料屬性即各部分結(jié)構(gòu)采用皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨和修復(fù)材料屬性，分析了5種載荷方式（整體移動、壓力移動、旋轉(zhuǎn)移動、傾斜移動和轉(zhuǎn)矩移動）的不同組織和修復(fù)材料的組織最大Von-mises應(yīng)力、拉應(yīng)力和壓應(yīng)力變化。最大Von-mises應(yīng)力時反映物體承受破壞強度的應(yīng)力，時材料力學(xué)種的綜合強度計算值，常可作為現(xiàn)實材料的屈服標準［3］；拉應(yīng)力是指牙齒受力后產(chǎn)生的抵抗力使牙齒伸長和延伸的力量；壓應(yīng)力時抵抗壓縮牙齒的力［3，4］。兩種修復(fù)材料最大Von-mises應(yīng)力呈現(xiàn)傾斜移動時，牙根應(yīng)力水平最高；在壓入移動時牙根應(yīng)力最低。從力學(xué)角度出發(fā)，修復(fù)體發(fā)生破壞的原因是修復(fù)體在發(fā)揮其功能時材料內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力超過了材料所能承受的限度，因此研究不同材料屬性對牙周組織應(yīng)力分布有利于提高種植體修復(fù)成功率。本文發(fā)現(xiàn)不同材料聯(lián)合三維有限元模擬牙周組織應(yīng)力分布種植體折斷率均較低于未聯(lián)合組。

文獻［5～7］顯示牙頸部釉質(zhì)產(chǎn)生應(yīng)力的大小、方向和特征取決于加載方式，說明牙齒的應(yīng)力值和集中區(qū)域與載荷方向密切相關(guān)。本文發(fā)現(xiàn)兩種全瓷材料修復(fù)時，種植體支持的全瓷冠、全瓷基臺和種植體周圍骨組織內(nèi)的應(yīng)力分布相似。兩種修復(fù)材料全瓷冠內(nèi)部應(yīng)力集中在近遠中頸部區(qū)域，全瓷基臺內(nèi)部應(yīng)力集中在腭側(cè)種植體-基臺連接處和基臺-冠連接處，骨組織內(nèi)部應(yīng)力集中在唇側(cè)頸部皮質(zhì)骨，說明種植體內(nèi)部的主應(yīng)力分布相同，主要集中在冠的近遠中頸部區(qū)域，提示該區(qū)域可能是種植體易折斷部位，因此在設(shè)計過程中應(yīng)適當加強以防止折裂。這與文獻［8，9］報道顯示牙齒受力時應(yīng)力集中部位易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破壞，牙齒易出現(xiàn)折斷或裂痕［10］的結(jié)論相類似。

本文中兩種材料全瓷冠內(nèi)部張應(yīng)力、全瓷基臺內(nèi)部張應(yīng)力比較，氧化鋁較Procera氧化鋯大，這與不同全瓷材料的機械性能不同有關(guān)，但最大張力不代表其修復(fù)時折斷的風險最大，應(yīng)該結(jié)合材料本身的抗折強度和斷裂韌性整體考慮。種植體周圍骨組織內(nèi)部的等效應(yīng)力是影響種植體長期成功率的重要因素［11］，本文中發(fā)現(xiàn)不同全瓷材料修復(fù)時，骨組織內(nèi)部的應(yīng)力無顯著不同，提示氧化鋁與Procera氧化鋯修復(fù)不會對種植體周圍骨組織內(nèi)部的應(yīng)力產(chǎn)生不利影響。

1 Vaidotas ?apalas,Alfonsas Daniūnas,K?stutis Urbonas. Built-up Axial Loaded Column FE Modelling and Design According to STR and EC3. Procedia Engineering,2013, 57：112～117.

2 黃海霞.球帽附著體和栓道式附著體義齒修復(fù)下頜雙側(cè)游離缺失的三維有限元應(yīng)力分析.瀘州醫(yī)學(xué)院,2011.35.

3 牟雁東,樊瑜波,劉展,等.不同基牙牙周狀況下雙側(cè)游離缺損冠外附著體義齒的三維有限元分析.中華老年口腔醫(yī)學(xué)雜志,2009,7（4）：241～245,252.

4 趙艷芳.后牙牙周組織功能性改建過程的生物力學(xué)研究.第四軍醫(yī)大學(xué),2013.25～30.

5 張清華.不同牙槽骨高度的上頜尖牙生物力學(xué)效應(yīng)分析.山西醫(yī)科大學(xué),2010.10,19.

6 牟雁東,樊瑜波,劉展,等.下頜KennedyⅡ類牙列缺損冠外附著體義齒的三維有限元分析—基牙數(shù)目對支持組織應(yīng)力分布的影響.臨床口腔醫(yī)學(xué)雜志,2008,24（8）：454～458.

7 徐建光.正畸牽引力作用下上頜埋伏尖牙移動過程的動態(tài)模擬及牙周應(yīng)力分析.山東大學(xué),2010.38,45.

8 苗沛.固定橋修復(fù)前后牙槽骨組織改建過程的生物力學(xué)研究.第四軍醫(yī)大學(xué),2013. 39,50.

9 陳敏.上頜前牙高強纖維束帶牙周夾板固定后應(yīng)力的三維有限元研究.南方醫(yī)科大學(xué),2009.40～43.

10 任旭升.上頜埋伏尖牙在牽引力作用下的位移趨勢及牙周應(yīng)力分析.山東大學(xué),2009.12～18.

11 王萌.直絲弓和方絲弓矯治器對左上頜前牙的三維有限元分析.中國醫(yī)科大學(xué),2013.9,25.

430012湖北省武漢市漢口醫(yī)院口腔科