植骨和不植骨上頜竇提升術(shù)后種植體周?chē)墙M織應(yīng)力分布的三維有限元分析

沈洪洲,馬猛,黃圣運(yùn),張東升

(山東大學(xué)附屬省立醫(yī)院，濟(jì)南 250021)

摘要：目的探討植骨和不植骨的上頜竇提升術(shù)后周?chē)墙M織應(yīng)力分布。 方法通過(guò)Creo2.0 軟件繪制上頜后牙區(qū)簡(jiǎn)化頜骨模型，垂直骨高度分別設(shè)定為10、7、5、3 mm，其中10 mm組直接植入種植體，其余組分別行植骨和不植骨的上頜竇提升術(shù)后模擬植入種植體，三維有限元分析不同處理后骨組織應(yīng)力值大小關(guān)系。 結(jié)果當(dāng)垂直骨高度為7 mm時(shí)，植骨和不植骨的上頜竇提升術(shù)后種植體與骨界面最大應(yīng)力值與10 mm時(shí)相比均變化不大；當(dāng)降至5 mm時(shí)不植骨組應(yīng)力值明顯增加；當(dāng)僅剩3 mm時(shí)，骨內(nèi)應(yīng)力值增加更顯著。使用植入物后種植體與骨界面的應(yīng)力分布明顯改善。結(jié)論 種植體頸周是應(yīng)力集中區(qū)域；當(dāng)剩余垂直骨高度為7 mm及以上時(shí)，植骨和不植骨的上頜竇提升術(shù)應(yīng)力分布無(wú)明顯差異；當(dāng)剩余垂直骨降至5 mm及以下時(shí)，建議行上頜竇底提升術(shù)的同時(shí)使用植入物。

關(guān)鍵詞：上頜竇底提升；垂直骨高度；種植體；三維有限元

doi：10.3969/j.issn.1002-266X.2015.45.034

中圖分類(lèi)號(hào)：R783.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

基金項(xiàng)目：山東科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2012GGB14022)。

收稿日期：(2015-08-10)

通信作者：張東升

口腔種植技術(shù)因其較好的舒適度、美觀(guān)效果、對(duì)鄰牙的無(wú)損傷性及較高的成功率等優(yōu)勢(shì)，已成為于牙列缺損或缺失患者治療的首選方案[1]。但上頜后牙區(qū)因上頜竇的存在，特別是缺失牙時(shí)間較長(zhǎng)者，上頜后牙受植區(qū)常會(huì)出現(xiàn)垂直骨高度不足情況。對(duì)上頜后牙區(qū)垂直骨高度不足10 mm者，臨床可采用上頜竇提升術(shù)改善剩余骨量，為上頜后牙區(qū)開(kāi)展種植修復(fù)提供了可能[2]。對(duì)垂直骨高度不足4 mm者，常在上頜竇提升術(shù)后使用植入物以提高骨高度，延期植入種植體，可獲得較滿(mǎn)意療效[3]。但當(dāng)垂直骨高度為5～8 mm 時(shí)，對(duì)于上頜竇提升后是否植入植入物仍存在較大爭(zhēng)議。2014年12月～2015年5月,我們擬通過(guò)三維有限元方法模擬上頜后牙區(qū)上頜竇提升術(shù)后種植體植入的過(guò)程，分析種植體植入后骨—種植體界面的應(yīng)力分布情況。

1材料與方法

1.1材料DELL T1700 臺(tái)式工作站；建模軟件：Creo2.0 (美國(guó)PTC公司)；有限元分析軟件：Ansys workbench 14.5(美國(guó)Ansys公司)種植體：CMI種植體(韓國(guó) Neo Biotech公司)。模型中的材料均設(shè)定為連續(xù)，各向同性，線(xiàn)彈性的材料，皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、植入物、鈦的楊氏模量分別為13.7、1.37、11、110 GPa，泊松比分別為0.3、0.3、0.3、0.35。

1.2三維有限元模型的建立通過(guò)Creo2.0 軟件繪制缺失右側(cè)第一磨牙的簡(jiǎn)化頜骨模型，頜骨近遠(yuǎn)中及頰舌向距離均為10 mm，整體高度為 14 mm，上頜后牙區(qū)剩余垂直骨高度分別設(shè)置為10、7、5、3 mm，Ⅲ類(lèi)骨質(zhì)，牙槽嵴側(cè)皮質(zhì)骨厚度為1 mm，竇底側(cè)皮質(zhì)骨厚度為0.5 mm。根據(jù)種植體參數(shù)(4.0 mm × 10.0 mm)繪制縱行剖面圖，以剖面中心軸為對(duì)稱(chēng)軸360°旋轉(zhuǎn)，生成無(wú)螺紋的實(shí)體模型后再添加螺紋，最后對(duì)部分細(xì)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化，獲得與實(shí)體相似的種植體模型。對(duì)于骨高度為10 mm的模型，直接將二者進(jìn)行結(jié)合。對(duì)于骨高度為7、5、3 mm的模型，模擬進(jìn)行上頜竇提升后分別模擬使用植入物及不使用植入物，再將種植體模型與之進(jìn)行結(jié)合，并統(tǒng)一生成stp格式的文件(圖1)。

1.3邊界條件約束模型近遠(yuǎn)中面所有節(jié)點(diǎn)的自由度，為模擬植入物完全成骨種植體承擔(dān)咬合力的狀態(tài)，在種植體冠面中點(diǎn)施加與植體長(zhǎng)軸呈30°角150 N的力[4]。將骨-種植體接觸關(guān)系設(shè)定為連接接觸，在A(yíng)nsys Workbench 14.5中求解運(yùn)算，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行后處理，輸出結(jié)果，分析骨-種植體接觸界面周?chē)膽?yīng)力分布情況及最大等效應(yīng)力(EQV)。

2結(jié)果

種植體與骨界面EQV出現(xiàn)的位置均位于種植體頸緣。隨垂直高度的降低，骨-種植體界面的EQV呈上升趨勢(shì)(圖2)。在上頜竇提升術(shù)同時(shí)無(wú)植入物情況下，垂直骨高度為10 mm時(shí)，應(yīng)力值僅為23.056 MPa；當(dāng)垂直骨高度吸收至7 mm時(shí)，應(yīng)力值僅小幅度上升；當(dāng)垂直骨高度降至5 mm時(shí)，則出現(xiàn)較大增幅，最大應(yīng)力值出現(xiàn)在垂直高度為3 mm時(shí)，應(yīng)力值為55.853 MPa。當(dāng)在上頜竇提升同時(shí)使用植入物后，骨-種植體界EQV值均較未植入組明顯下降，且均小于垂直高度為10 mm時(shí)的應(yīng)力值。隨植入物用量的增加，應(yīng)力值下降幅度相應(yīng)增加。

注： a:垂直骨高度7 mm；b:垂直骨高度5 mm；c:垂直骨高度3 mm。

圖1上頜竇提升后模擬植入植入物模型

圖2　 不同垂直高度上頜后牙區(qū)上頜竇提升

3討論

與以往研究結(jié)果相同，本實(shí)驗(yàn)證實(shí)種植體頸緣是主要的應(yīng)力集中區(qū)域，且與進(jìn)行性邊緣骨吸收有密切關(guān)系[5]。進(jìn)行性邊緣骨吸收是種植體植入后常見(jiàn)并發(fā)癥，可使種植體穩(wěn)定性降低，是導(dǎo)致種植失敗的主要原因[5]。因此，降低種植體頸周應(yīng)力分布有重要意義。上頜后牙區(qū)行種植修復(fù)的主要難點(diǎn)是垂直骨量不足，Koca等[6]研究證明隨垂直骨高度降低，骨組織內(nèi)應(yīng)力增加，超過(guò)其耐受生理限度后，正常骨組織被破壞吸收，從而導(dǎo)致種植體松動(dòng)。因此，上頜竇提升術(shù)被廣泛用于改善上頜后牙區(qū)垂直骨量不足情況。上頜后牙區(qū)垂直骨高度常作為臨床選擇上頜竇提升術(shù)式的重要評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)[7]：當(dāng)垂直骨高度為10 mm時(shí)，無(wú)需行上頜竇提升，可用標(biāo)準(zhǔn)種植體行常規(guī)植入；當(dāng)垂直骨高度降至4 mm以下時(shí)建議行上頜竇提升并同期置入植入物，延期行種植體植入。

本實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，垂直骨高度為7 mm時(shí)骨組織應(yīng)力值較10 mm時(shí)變化不大，雖使用植入物可降低骨組織應(yīng)力，但不使用植入物時(shí)應(yīng)力值亦可接受。Del Fabbro等[8]證實(shí)，在骨量條件允許下，上頜竇提升術(shù)后是否放置植入物在種植體成功率方面無(wú)明顯差異?？梢?jiàn)當(dāng)垂直骨高度為7 mm時(shí)，不用植入物的上頜竇提升術(shù)是可行且安全的[9]。當(dāng)垂直骨高度降至5 mm，骨組織內(nèi)應(yīng)力值呈上升趨勢(shì)，植入物的應(yīng)用有效降低了骨內(nèi)應(yīng)力，增強(qiáng)了上頜后牙區(qū)骨組織的應(yīng)力承載能力。在同一模擬咀嚼受力加載方式下，未植骨組最大應(yīng)力值出現(xiàn)于垂直骨高度為3 mm時(shí)，提示此時(shí)骨內(nèi)應(yīng)力水平較高，故行上頜竇提升術(shù)并放置植入物尤為必要。

骨組織作為一種生物系統(tǒng)，在合力作用下會(huì)引發(fā)復(fù)雜的生物力學(xué)反應(yīng)。有限元法被廣泛用于種植體生物力學(xué)研究中，但三維有限元分析的結(jié)果是建立在理想化模型的前提下，有一定局限性，而其在骨組織生物力學(xué)研究方面仍有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。本研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)垂直骨高度為7 mm及以上時(shí)，植骨及不植骨的上頜竇提升術(shù)式均適用；當(dāng)垂直骨高度為5 mm及以下時(shí)，推薦使用上頜竇底提升并植入植入物的術(shù)式。

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