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        髓腔壁缺損對(duì)下頜前磨牙髓腔固位冠修復(fù)應(yīng)力的影響

        2018-01-22 06:01:07李建賓陳維毅
        關(guān)鍵詞:內(nèi)應(yīng)力固位牙體

        李建賓,陳維毅,姚 蔚,2

        (1.太原理工大學(xué) 應(yīng)用力學(xué)與生物醫(yī)學(xué)工程研究所,太原 030024;2.山西醫(yī)科大學(xué) 口腔系,太原 030001)

        髓腔固位冠是一種依托髓腔內(nèi)可獲得面積進(jìn)行固位的新型修復(fù)體,由一圈對(duì)接式邊緣及髓腔內(nèi)的中央固位體組成[1]。該修復(fù)方式以髓腔壁獲得的機(jī)械固位和粘結(jié)劑獲得的粘結(jié)固位來(lái)保證修復(fù)體的穩(wěn)定性,無(wú)需通過(guò)根管獲得固位,符合根管治療牙修復(fù)最小程度牙體預(yù)備和最大程度牙體組織保留的黃金準(zhǔn)則[2]。另有研究表明,對(duì)于冠部組織缺損嚴(yán)重的患牙,采用髓腔固位冠修復(fù)方式比傳統(tǒng)樁核冠修復(fù)具有同等甚至更大的斷裂強(qiáng)度[3-5]。上述兩點(diǎn)使髓腔固位冠備受關(guān)注。

        關(guān)于髓腔固位冠用于修復(fù)根管治療前磨牙的研究已有報(bào)道[6-7]。也有研究表明,髓腔固位冠采用平面對(duì)接式邊緣優(yōu)于其他邊緣設(shè)計(jì)[8],目前關(guān)于髓腔固位冠的研究也多采用平面對(duì)接式邊緣。但臨床上外傷、鄰面齲等原因致使部分髓腔壁高度不足或缺失而導(dǎo)致髓腔壁不完整,牙髓腔內(nèi)可獲得的機(jī)械固位力和粘結(jié)面積減小。此時(shí)采用髓腔固位冠修復(fù),醫(yī)生往往陷入取舍兩難的境地,將殘根打磨成平緣對(duì)接式會(huì)增大牙體預(yù)備量,過(guò)多地移除牙體組織。采用假壁式髓腔固位冠修復(fù)能更簡(jiǎn)單可行地保留牙體組織,減小預(yù)備量,但此種修復(fù)方式對(duì)修復(fù)體和牙體組織應(yīng)力的影響尚不明確,而臨床上對(duì)此情況的處理,也多基于醫(yī)生經(jīng)驗(yàn)。因此,研究不同形態(tài)髓腔壁缺損對(duì)髓腔固位冠修復(fù)后修復(fù)體和牙體組織應(yīng)力大小及分布的影響,對(duì)臨床有重要指導(dǎo)意義。

        本研究擬建立5種不同髓腔壁缺損形態(tài)的下頜第一前磨牙髓腔固位冠修復(fù)模型,采用有限元法研究不同載荷和髓腔壁缺損形態(tài)對(duì)牙體組織和修復(fù)體應(yīng)力大小及分布的影響,為臨床優(yōu)化修復(fù)設(shè)計(jì)提供參考。

        1 材料和方法

        1.1 樣本選擇

        選擇成年志愿者1名,其牙弓形態(tài)對(duì)稱(chēng),后牙區(qū)完整,咬合關(guān)系正常。左側(cè)下頜第一前磨牙外形良好,無(wú)齲、無(wú)缺損、無(wú)裂紋或隱裂,且無(wú)明顯磨耗,牙齒尺寸符合王惠蕓[9]統(tǒng)計(jì)的牙齒測(cè)量數(shù)據(jù)。

        1.2 有限元模型的建立

        1.2.1 牙齒掃描及三維數(shù)字模型重建

        采用3DX Multi-Image Micro CT(Morita,Japan)對(duì)志愿者左側(cè)牙列及牙槽骨等組織進(jìn)行掃描。掃描層厚為0.25 mm,共獲得121層斷層影像。將連續(xù)斷層圖像數(shù)據(jù)以DICOM格式導(dǎo)入Mimics 16.0(Materialise,Belgium)進(jìn)行三維重建,生成下頜第一前磨牙牙體組織的三角片表面網(wǎng)格化文件,同時(shí)利用填充算法提取生成牙髓腔的3D輪廓模型。生成的3D模型均以STL文件格式導(dǎo)入逆向工程軟件Geomagic studio 12.0(America,Raindrop),對(duì)模型進(jìn)行去噪、表面打磨和光順等修整處理后,擬合生成逼近三角面片幾何模型的NURBS(非均勻有理B樣條)曲面。

        1.2.2 不同髓腔壁缺損髓腔固位冠修復(fù)三維模型的建立

        將上述建立的牙齒及牙髓腔的三維模型導(dǎo)入U(xiǎn)G 8.0軟件中,縫合成實(shí)體。利用修剪體、布爾運(yùn)算、抽殼等功能,進(jìn)行不同形態(tài)髓腔壁缺損髓腔固位冠修復(fù)的牙體預(yù)備,并建立粘結(jié)層和簡(jiǎn)化的牙槽骨模型。垂直于牙體長(zhǎng)軸,于釉牙骨質(zhì)界上方1.5 mm處截冠,固位腔軸壁外展2 °,深度5 mm[8,10],根管口下1 mm區(qū)域填充流動(dòng)樹(shù)脂。根據(jù)髓腔壁缺損部位設(shè)計(jì)5種不同形態(tài)的基牙預(yù)備體,A組:完整髓腔壁(圖1(a));B組:舌側(cè)髓腔壁(圖1(b));C組:頰側(cè)髓腔壁(圖1(c));D組:遠(yuǎn)中側(cè)髓腔壁(圖1(d));E組:頰舌側(cè)髓腔壁(圖1(e))。上述髓腔壁缺損均缺損至釉牙骨質(zhì)界,缺損高度1.5 mm.每組模型中都包括有修復(fù)體、粘結(jié)層、牙本質(zhì)、牙周膜、牙槽骨等結(jié)構(gòu)(圖2)。牙周膜厚0.2 mm,粘結(jié)層厚0.1 mm,牙槽骨簡(jiǎn)化為14 mm×14 mm×15 mm的方塊,密質(zhì)骨和松質(zhì)骨厚度分別為2,13 mm[3,11].

        (a) Intact cavity wall; (b) Lingual cavity wall; (c) Buccal cavity wall; (d) Distal cavity wall; (e) Buccal and lingual cavity wall圖1 髓腔固位冠修復(fù)5種髓腔壁缺損形態(tài)模型Fig.1 Models for five types of cavity wall defect

        圖2 髓腔固位冠修復(fù)示意Fig.2 Sketch Map of endocrown restoration

        1.2.3 有限元模型的建立

        將各3D幾何模型導(dǎo)入Hypermesh 12.0軟件中建立有限元模型,將模型劃分為四面體網(wǎng)格。其中,因?yàn)檎辰Y(jié)層較薄,故沿粘結(jié)層厚度方向劃分了2層網(wǎng)格,避免單層網(wǎng)格對(duì)計(jì)算結(jié)果所造成的不良影響。為了避免模型間應(yīng)力-應(yīng)變值的定量差異,故實(shí)體模型的網(wǎng)格劃分使用統(tǒng)一的網(wǎng)格模式。

        1.3 邊界條件及材料參數(shù)

        將所有材料均假設(shè)為連續(xù)、均質(zhì)、各向同性的線(xiàn)彈性材料(因?yàn)檠拦琴|(zhì)和牙本質(zhì)的彈性模量相差很小,且牙骨質(zhì)很薄,所以將兩者簡(jiǎn)化為同一種物質(zhì)[12])。模型各界面定義Tie接觸,牙槽骨的近遠(yuǎn)中面及底部完全固定[7]。各部件材料屬性見(jiàn)表1[7,13].

        表1 各部件材料參數(shù)Table 1 Mechanical properties of materials

        1.4 加載方式

        加載位置位于頰尖舌斜面中心,面積約為2 mm×2 mm的區(qū)域,加載方向與牙齒長(zhǎng)軸成45°夾角[14]或平行。用靜態(tài)恒定的均布力100 N來(lái)模擬下頜第一前磨牙正常咬合時(shí)的最大載荷,加載方式如圖3所示。計(jì)算不同髓腔壁缺損形態(tài)時(shí),髓腔固位冠修復(fù)下頜第一前磨牙模型各部分的應(yīng)力分布情況及最大von Mises應(yīng)力峰值。

        圖3 加載方式Fig.3 Load methods

        2 結(jié)果

        計(jì)算得到45°加載和平行加載兩種狀態(tài)下,修復(fù)體、牙體組織內(nèi)的von Mises應(yīng)力分布及應(yīng)力峰值,以及粘結(jié)層內(nèi)的Tresca應(yīng)力分布及應(yīng)力峰值。根據(jù)WENDLER et al[15]、劉詩(shī)銘等[14]的研究,可知在本文設(shè)定加載狀態(tài)下,修復(fù)體及牙體組織具有足夠的強(qiáng)度,均不會(huì)發(fā)生破壞。

        2.1 不同髓腔壁缺損形態(tài)對(duì)修復(fù)體應(yīng)力的影響

        不論何種髓腔壁缺損形態(tài)及何種加載方式,修復(fù)體內(nèi)von Mises應(yīng)力峰值均出現(xiàn)在加載區(qū)域,有明顯應(yīng)力集中。與牙齒長(zhǎng)軸成45°加載時(shí),A組(完整髓腔壁)修復(fù)體內(nèi)應(yīng)力峰值最大,髓腔壁出現(xiàn)不同形態(tài)缺損時(shí),修復(fù)體內(nèi)應(yīng)力峰值均明顯減小。各組修復(fù)體內(nèi)應(yīng)力分布相對(duì)均勻。平行牙齒長(zhǎng)軸加載時(shí),C組(頰側(cè)髓腔壁)修復(fù)體內(nèi)應(yīng)力峰值略大于A組,其余各組均略小于A組,但差距并不明顯。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn),平行牙齒長(zhǎng)軸加載時(shí),各組修復(fù)體內(nèi)應(yīng)力峰值均明顯大于45°加載下的情況(如表2及圖4).說(shuō)明咀嚼運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的軸向載荷是決定修復(fù)體壽命和修復(fù)體材料選擇的重要因素。

        2.2 不同髓腔壁缺損形態(tài)對(duì)牙體組織應(yīng)力的影響

        施加與牙齒長(zhǎng)軸成45° 載荷時(shí),各組髓腔壁缺損模型牙體組織中von Mises應(yīng)力峰值均出現(xiàn)在其頰側(cè)根上與中1/3交界邊緣,有明顯應(yīng)力集中。舌側(cè)髓腔壁(B組),即頰側(cè)髓腔壁完全缺失時(shí),牙體組織內(nèi)的von Mises應(yīng)力峰值高于其他組,較完整髓腔壁(A組)上升4.05%(22.08~21.22 MPa).而頰側(cè)髓腔壁(C組),即舌側(cè)髓腔壁缺損時(shí),牙體組織內(nèi)von Mises應(yīng)力峰值降低,較完整組(A組)降低2.54%(20.68~21.22 MPa).頰舌髓腔壁(E組)牙體組織內(nèi)von Mises應(yīng)力峰值與完整髓腔壁(A組)牙體組織內(nèi)應(yīng)力峰值最為接近。施加與牙齒長(zhǎng)軸平行載荷時(shí),各組模型牙體組織中von Mises應(yīng)力峰值均出現(xiàn)在其舌側(cè)根上與中1/3交界邊緣,有明顯應(yīng)力集中。遠(yuǎn)中側(cè)髓腔壁(D組)牙體組織內(nèi)應(yīng)力水平升高,較完整髓腔壁組(A組)升高4.95%.其余各組牙體組織內(nèi)應(yīng)力峰值較完整髓腔壁組均有所降低。施加與牙體長(zhǎng)軸成45°載荷時(shí),牙體組織中von Mises應(yīng)力峰值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于平行牙體長(zhǎng)軸加載的情況。

        表2 修復(fù)體、牙體組織及粘結(jié)層內(nèi)應(yīng)力峰值的比較Table 2 The comparison of peak value in relation, dentin and cement MPa

        圖4 修復(fù)體應(yīng)力分布Fig.4 Stress distribution in restorations

        圖5 牙本質(zhì)內(nèi)應(yīng)力分布Fig.5 Stress distribution in dentin

        2.3 不同髓腔壁缺損形態(tài)對(duì)修復(fù)體和牙體頸部應(yīng)力的影響

        無(wú)論施加與牙體長(zhǎng)軸平行還是成45°的載荷,各組修復(fù)體頸部的von Mises應(yīng)力峰值總明顯大于牙體頸部的應(yīng)力值。45°加載時(shí),5種髓腔壁形態(tài)修復(fù)體和牙體組織頸部的von Mises應(yīng)力峰值明顯高于平行牙體長(zhǎng)軸加載的情況。修復(fù)體頸部最大應(yīng)力值出現(xiàn)在遠(yuǎn)中側(cè)髓腔壁組(D組),牙體組織最大應(yīng)力值出現(xiàn)在舌側(cè)髓腔壁組(B組)。平行牙體長(zhǎng)軸加載時(shí),遠(yuǎn)中側(cè)髓腔壁(D組)修復(fù)體和牙體組織頸部應(yīng)力峰值最大,但各組之間差距并不明顯。

        圖6 修復(fù)體與牙體頸部應(yīng)力峰值比較Fig.6 The comparison of peak value in cervix of restoration and dentin

        2.4 不同髓腔壁缺損形態(tài)對(duì)粘結(jié)層應(yīng)力的影響

        與牙體長(zhǎng)軸成45°加載時(shí),完整髓腔壁(A組)粘結(jié)層內(nèi)Tresca應(yīng)力峰值最低。當(dāng)髓腔壁出現(xiàn)不同形態(tài)缺損時(shí),粘結(jié)層所受應(yīng)力均明顯增大。尤其對(duì)于遠(yuǎn)中側(cè)髓腔壁缺損的情況,粘結(jié)層中Tresca應(yīng)力峰值較完整髓腔壁增大55.6%(14.57~9.363 MPa).頰舌側(cè)髓腔壁(E組)粘結(jié)層內(nèi)應(yīng)力峰值最接近完整髓腔壁(A組),頰側(cè)髓腔壁(C組)次之。平行牙體長(zhǎng)軸加載時(shí),頰側(cè)髓腔壁(C組)和遠(yuǎn)中側(cè)髓腔壁(D組)情況下,粘結(jié)層所受應(yīng)力亦明顯增大。遠(yuǎn)中側(cè)髓腔壁缺損(D組)時(shí),粘結(jié)層中Tresca應(yīng)力峰值較完整髓腔壁(A組)最大增大56%(7.699~4.936 MPa).同時(shí)發(fā)現(xiàn),側(cè)向載荷下各組模型粘結(jié)層所受應(yīng)力均明顯大于軸向加載下的情況。

        圖7 粘結(jié)層內(nèi)應(yīng)力分布Fig.7 Stress distribution in cement

        3 討論

        采用有限元法對(duì)牙齒受力情況進(jìn)行模擬分析,結(jié)果與體外實(shí)驗(yàn)具有較高一致性[16]。von Mises應(yīng)力常被用來(lái)分析牙體組織應(yīng)力,其值越大的部位越易發(fā)生破壞。粘結(jié)層受剪切應(yīng)力的影響較大,采用Tresca應(yīng)力評(píng)價(jià)其內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)。加載方式和應(yīng)力情況密切相關(guān)[17],因此,本文設(shè)計(jì)了平行于牙體長(zhǎng)軸和與牙體長(zhǎng)軸成45°加載兩種加載方式,分別模擬修復(fù)牙受到軸向力和顎側(cè)斜向力的作用。

        本研究結(jié)果顯示,當(dāng)患牙行髓腔固位冠修復(fù)后,45°側(cè)向載荷作用時(shí)修復(fù)體頸部、牙體組織頸部以及粘結(jié)層內(nèi)的應(yīng)力水平均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于平行牙體長(zhǎng)軸加載的情況。說(shuō)明咀嚼產(chǎn)生的來(lái)自顎側(cè)的側(cè)向力是威脅修復(fù)牙修復(fù)效果和壽命的重要因素。因此,臨床采用髓腔固位冠修復(fù)時(shí),建議減小牙尖傾斜度以減小側(cè)向力對(duì)修復(fù)牙的不良影響。

        平行牙體長(zhǎng)軸加載時(shí),5組髓腔固位冠修復(fù)模型中,修復(fù)體頸部和牙體組織的舌側(cè)邊緣均出現(xiàn)應(yīng)力集中,這與下頜第一前磨牙牙冠的舌側(cè)傾向有關(guān)。遠(yuǎn)中側(cè)髓腔壁組(D組)牙體組織中應(yīng)力峰值較完整髓腔壁(A組)增大,其余各組均有所降低。45°側(cè)向力作用下,各組在修復(fù)體頸部和牙體組織頰側(cè)邊緣出現(xiàn)應(yīng)力集中,從力學(xué)角度分析,這是由模擬施加的側(cè)向載荷導(dǎo)致。舌側(cè)髓腔壁(B組),即頰側(cè)髓腔壁完全缺失時(shí),牙體組織內(nèi)的von Mises應(yīng)力峰值最高,而頰側(cè)髓腔壁(C組)牙體組織內(nèi)應(yīng)力峰值最低;頰舌髓腔壁(E組)牙體內(nèi)應(yīng)力峰值與完整髓腔壁(A組)牙體內(nèi)應(yīng)力峰值最為接近;遠(yuǎn)中側(cè)髓腔壁(D組)牙體組織應(yīng)力峰值介于B、C組之間。考慮到來(lái)自顎側(cè)的側(cè)向載荷對(duì)修復(fù)牙的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于軸向力的影響,對(duì)于5組髓腔壁缺損模型,軸向載荷下牙體組織內(nèi)的應(yīng)力水平較側(cè)向載荷作用下牙體組織內(nèi)的應(yīng)力水平低的多,可以得知下頜第一前磨牙頰側(cè)的髓腔壁在抵抗顎側(cè)的側(cè)向力時(shí)起重要作用。頰側(cè)髓腔壁的包繞范圍越大,抗側(cè)向力的能力越強(qiáng)。頰側(cè)髓腔壁缺損可導(dǎo)致牙體組織內(nèi)應(yīng)力水平的提高。但總體來(lái)說(shuō),在同等載荷下,各組模型對(duì)應(yīng)部分內(nèi)von Mises應(yīng)力峰值之間的差距并不太大,這與MANGOLD et al[18]對(duì)下頜前磨牙的力學(xué)研究結(jié)果相一致,鄰面牙本質(zhì)缺失會(huì)使得修復(fù)牙抗折強(qiáng)度有所降低,但并無(wú)顯著影響。

        兩種加載方式下,5組模型修復(fù)體頸部的應(yīng)力水平均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于牙體頸部的應(yīng)力水平。這可能是由于粘結(jié)層吸收分散了部分應(yīng)力,有待進(jìn)一步研究。

        4 結(jié)論

        采用髓腔固位冠修復(fù)方式修復(fù)下頜第一前磨牙,頰側(cè)髓腔壁在抵抗顎側(cè)的側(cè)向力時(shí)起重要作用。頰側(cè)髓腔壁的包繞范圍越大,抗側(cè)向力的能力越強(qiáng)。頰側(cè)髓腔壁缺損會(huì)導(dǎo)致牙體組織內(nèi)應(yīng)力水平的提高。髓腔壁不完整時(shí),粘結(jié)層內(nèi)應(yīng)力增大,尤其對(duì)于近/遠(yuǎn)中側(cè)髓腔壁缺損的情況,在長(zhǎng)期交變外力作用下,粘結(jié)層存在失效的可能性。另外,由于在同等載荷下,各組模型對(duì)應(yīng)部分內(nèi)應(yīng)力峰值之間的差距并不太大,臨床上面對(duì)髓腔壁缺損情況時(shí),還應(yīng)再綜合考慮牙體組織剩余量、微滲漏、缺損部位和粘結(jié)劑強(qiáng)度等因素后決定采用何種修復(fù)方式。

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