周冠軍 趙增波 郄 會 李晨曦 蘆 琳 單麗華

微型支抗種植體因為體積小，理論上可植入口內(nèi)任何骨質(zhì)部位提供支抗，極大地拓展了正畸治療范圍[1～3]，但微型種植體存在穩(wěn)定性不足的問題，脫落情況時有發(fā)生[4]。修復用種植體多種植在牙槽嵴頂，受到較多垂直向（軸向）咀嚼力，而正畸微型種植體多植入在牙槽嵴頰、舌側(cè)（腭側(cè)）牙根間，多為側(cè)向力，而且常根據(jù)正畸治療目的的不同改變植入方向和載荷方向，因此正畸支抗種植體遠比牙種植體的力學分布規(guī)律復雜。種植體的穩(wěn)定性受骨界面愈合程度、骨密度、骨量、種植體形態(tài)及初期穩(wěn)定性等因素的影響，包括抵抗剪切力、種植體彎曲產(chǎn)生的彎矩及抗旋轉(zhuǎn)力等因素。彎矩即彎曲力矩，它是受力構(gòu)件截面上的內(nèi)力矩的一種，即垂直于橫截面的內(nèi)力系的合力偶矩。本實驗通過三維有限元法建立種植體不同方向植入模型，模擬正畸載荷特點，旨在探討尋找影響微型種植體骨界面應力分布的關(guān)鍵影響因素，為臨床應用提供理論指導。

資料和方法

1.建立微型種植體及下頜骨三維有限元模型

（1）參照臨床常用微種植體幾何形態(tài)，設(shè)定骨內(nèi)段總長度8mm、直徑1.6mm、螺紋高度0.1mm、刃狀螺紋頂角60°、螺距0.5mm。

（2）對一成年志愿者進行下頜骨螺旋CT掃描并三維重建，取一側(cè)第二前磨牙與第一磨牙之間的頜骨CT斷面，頜骨外表面是皮質(zhì)骨（厚度為2mm），其余部分為松質(zhì)骨，將斷面簡化成六邊形，尺寸為：上表面寬9.8mm，中間寬15mm，下表面寬10.2mm，高30mm。然后用面拉伸成長18mm的六面體。在AWE軟件中，距離牙槽嵴頂4mm處將種植體植入，建立種植體-下頜骨模型[5]見圖1。

2.種植體植入位置及角度：以下頜牙合平面與地平面平行為準，設(shè)定在一側(cè)下頜骨第二前磨牙與第一磨牙牙根間距離牙槽嵴頂4mm處為植入點，建立種植體垂直植入、近中30度植入及牙合向30度植入的種植體-骨模型。模型-Ⅰ（牙合向30度植入）：種植體沿垂直于牙長軸的方向朝牙合平面?zhèn)葍A斜，在牙合平面?zhèn)扰c皮質(zhì)骨表面形成30度角植入，如圖1b；模型-Ⅱ（垂直植入）：種植體與皮質(zhì)骨表面形成90度角垂直植入，如圖1c；模型-Ⅲ（近中30度植入）：種植體沿垂直于牙長軸的方向朝近中方向傾斜，與骨表面形成30度角植入，如圖1d。

3.定義材料特性：假設(shè)種植體，皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨均為連續(xù)，均勻，各向同性的線彈性材料，材料變形為彈性小變形。種植體和骨界面完全骨整合，不發(fā)生相對位移。種植體、皮質(zhì)骨及松質(zhì)骨的材料參數(shù)，楊氏模量分別為110，10，and 0.3 GPa，泊松比為0.3[6]。

4.網(wǎng)格劃分：種植體-下頜骨界面附近及螺紋等復雜不規(guī)則的部分采用四面體劃分單元格，其余部分均采用六面體劃分單元格，節(jié)點與單元在種植體附近加密。種植體植入模型包括43056個節(jié)點，140120個單元。牙合向植入模型包括211583個節(jié)點，53670個單元。近中向植入模型包括168303個節(jié)點，46365個單元。

5.邊界及加載條件：在下頜骨兩端（截面處）用1.96N的力加在種植體頂端單元節(jié)點上，然后對模型的各種載荷條件進行求解。

6.載荷方向：通過種植體載荷點做一與牙合平面平行的直線，通過此直線做一與地平面垂直的平面，在此平面上模擬可能的臨床應用給以種植體水平向前（A）、前上 45度方向（B）、垂直向上（C）、后上 45度方向（D）、水平向后（E）的載荷。分別為：模型-I種植體給以A，B，C三個方向的載荷；模型-II種植體給以A，B，C三個方向的載荷；模型-III種植體給以 A，B，C，D，E 五個方向的載荷，如圖 1。

圖1 種植體植入方向及載荷方向示意圖

7.觀測分析指標與方法：采用Von-Mises等效應力。沿加力方向通過種植體中心縱剖有限元模型，記錄骨組織內(nèi)的Von-Mises應力蜂值，分析比較骨界面上的應力分布特點。

結(jié) 果

1.不同植入方向模型載荷的應力都是主要分布在種植體頸部的皮質(zhì)骨區(qū)域，松質(zhì)骨內(nèi)應力迅速衰減。

圖2 當對種植體施加近中向1.96N力時，各種植體周圍骨組織的Von-Mises應力情況

表1 各模型不同載荷方向的Von-Mises應力峰值（MPa）

2.模型-Ⅱ的應力峰值在三個模型中最大，模型-Ⅰ中水平向前載荷應力峰值最大，垂直向上載荷應力峰值最小，模型-Ⅲ中水平向前與水平向后載荷的應力峰值相近，前上斜向與后上斜向載荷的應力峰值相近，水平向載荷應力峰值低于斜向載荷，垂直向上載荷應力峰值最大，見表1和圖2。

討 論

生物力學穩(wěn)定性是影響微型種植體穩(wěn)定的重要因素，骨界面應力集中，超過種植體的承受能力則容易引起種植釘?shù)乃蓜蛹懊撀鋄7]。Kyung[8]建議上頜微型種植體植入角度為種植體與牙長軸成30～40°，下頜成10～20°，以增加種植體的穩(wěn)定性。本實驗將種植體按不同方向植入，結(jié)果種植體垂直植入的模型（模型-Ⅱ），三個方向的載荷應力峰值在各組都是最大；種植體牙合向植入（模型-Ⅰ）時水平向前載荷應力峰值最大，垂直向上載荷應力峰值最小；近中植入種植體（模型-Ⅲ）近中水平載荷與遠中水平載荷骨界面應力峰值相近，近中斜上載荷與遠中斜上載荷的骨界面應力峰值相近，水平向載荷應力峰值低于斜向載荷，垂直向上載荷應力峰值最大。

研究表明[9，10]種植體受力后，種植體頸部皮質(zhì)骨是主要載荷承受區(qū)。從力學上講，近中向30度植入（模型-Ⅲ）時，水平向前與水平向后載荷在種植體長軸上的分力大小相同，方向相反，一個是拔出力，一個是壓入力，而垂直于長軸方向的分力產(chǎn)生的彎曲力矩相等或相近，結(jié)果表明兩種載荷時骨界面Von-Mises應力峰值相近。同樣前上方向與后上方向載荷的彎曲力矩值相等或相近，兩種相對方向載荷時種植體Von-Mises應力蜂值相近。馬俊青等[11]建立微型支抗種植體植入在皮質(zhì)骨內(nèi)的三維有限元模型，分析了與種植體長軸成0°，30°，45°，60°及90°角，加載200g正畸力條件下的應力分布情況，結(jié)果骨界面應力峰值隨載荷角度的增大而增大，載荷角度小應力分布較均勻。0°載荷時骨界面承受的是剪切力，90°載荷時骨界面承受的是正應力（由種植體彎矩產(chǎn)生），90°載荷時的Von-Mises應力蜂值比0°載荷時增加了89%，說明種植體-骨界面的應力峰值主要受種植體彎曲力矩的影響，剪切力的影響是次要的。

筆者前期研究分別將種植體牙合向傾斜30°、60°、90°植入，加載水平向正畸力，種植體彎矩相等，結(jié)果從傾斜30°植入到60°、90°植入，應力峰值僅遞增了4.4%、5.4%，表明僅增加種植體的傾斜度不改變種植體彎矩時骨界面應力峰值增加不大。本實驗種植體垂直植入時應力峰值最大，傾斜植入垂直于長軸載荷時應力峰值最大，也表明載荷力線與種植體長軸的角度越小，彎矩越小，越有利于種植體的穩(wěn)定。提示臨床盡量根據(jù)載荷方向選擇彎矩小的方向植入種植體，盡量避免載荷方向與種植體長軸垂直，以免造成應力過于集中，導致骨組織損傷。

理論力學實驗表明，種植體載荷應力主要分布在種植體頸部周圍的皮質(zhì)骨，動物實驗及臨床試驗也表明載荷過大可造成種植體頸部皮質(zhì)骨的吸收。種植體對抗旋轉(zhuǎn)力的能力最差，抗剪力能力最強。本實驗設(shè)定種植體與骨之間發(fā)生了骨結(jié)合，與臨床應用間存在一定差別，載荷方向?qū)ΨN植體-骨界面整合的影響還有待進一步研究。

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