逄鍵梁 馮昌芬 鄧天政 朱曉茹 劉冰

臨床上常用樁核冠修復(fù)根管治療后的殘根殘冠，樁核系統(tǒng)主要有個(gè)性化樁核和預(yù)成樁核兩大系統(tǒng)，分別為金屬鑄造樁核和預(yù)成纖維樁+樹脂核最為常見(jiàn)。對(duì)于根管較寬大的上頜中切牙，常因嚴(yán)重齲壞、外傷、樁核修復(fù)后的再治療等原因?qū)е赂芸诔世瓤跇映ㄩ_(kāi)，剩余根管壁薄弱，抗折性降低，增加牙根保存修復(fù)的困難。如何選擇即美觀又能增加修復(fù)后整體強(qiáng)度的樁核冠系統(tǒng)已成為提高此類患牙修復(fù)成功率的重要因素。本文通過(guò)建立CAD/CAM一體化纖維樁核系統(tǒng)和臨床2 種常用樁核系統(tǒng)修復(fù)薄弱根管上頜中切牙的三維有限元模型，分析薄弱根管不同修復(fù)方式的應(yīng)力分布，為臨床樁核系統(tǒng)適應(yīng)癥的選擇提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料和儀器

標(biāo)準(zhǔn)人離體上頜中切牙；錐形束CT(i-cat，卡瓦公司，德國(guó))；預(yù)成玻璃纖維樁(Matchpost，RTD公司, 法國(guó))；可切削纖維加強(qiáng)樹脂塊(歐亞瑞康公司)；金鉑合金(Heraeus Herabond, 賀利氏公司，德國(guó))等；計(jì)算機(jī)(Windows XP Professional SP2)；軟件(Mimics 10.01，Imageware 13.2 Solidworkes，Hypermesh v12.0，Abaqus/CAE 6.12)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 原始數(shù)據(jù)的獲取 選取成年人離體上頜中切牙，牙齒形態(tài)符合王惠蕓[1]報(bào)告的中國(guó)人數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，牙根無(wú)吸收，無(wú)裂痕及缺損。在釉牙骨質(zhì)界處截冠，常規(guī)根管治療及樁道預(yù)備后使用金剛砂車針在水冷狀態(tài)下將樁道預(yù)備成薄弱根管形態(tài)，即保留1 mm高0.5 mm厚的牙本質(zhì)肩領(lǐng)及0.5 mm寬360°包繞的直角肩臺(tái)。依照此薄弱根管制作金屬樁核及氧化鋯全冠，恢復(fù)正常上頜中切牙形態(tài)。CBCT掃描各部分影像數(shù)據(jù)，DICOM格式存盤。

1.2.2 三維有限元模型的建立 Minics軟件依據(jù)CBCT數(shù)據(jù)生成各部分表面云點(diǎn)，根據(jù)生成云點(diǎn)，逆向工程模擬封閉各部分表面，并將牙根、樁、冠等部分拼接，hypermesh對(duì)模型進(jìn)行分網(wǎng)，將分網(wǎng)后的模型用有限元軟件Abaqus/CAE建模計(jì)算(圖 1)。

圖 1 上頜中切牙有限元模型圖

1.2.3 定義材料及邊界條件 此模型中假設(shè)各材料是連續(xù)、均勻一致、各向同性的線彈性體，受力變形為小變形，受力時(shí)模型各截面均不產(chǎn)生相互滑動(dòng)，各單元間有足夠的穩(wěn)定性。肩臺(tái)根方2 mm以下邊界條件定義為牙槽骨固定或強(qiáng)迫位移約束。

1.2.4 建立三種樁核修復(fù)模型 按表 1數(shù)據(jù)賦予各部分不同的彈性模量，以樁核彈性模量不同分別模擬3 種樁核修復(fù)方式。①CAD/CAM一體化玻璃纖維樁核[2-3]+氧化鋯全瓷冠；②單支纖維樁+樹脂核+氧化鋯全瓷冠；③金鉑合金金屬鑄造樁核+氧化鋯全瓷冠。依據(jù)簡(jiǎn)化建模原則，本實(shí)驗(yàn)中忽略粘接一體化纖維樁核、金屬樁核和全冠的粘接劑[4]。

主要應(yīng)力分析指標(biāo)：Von-mises應(yīng)力和最大主應(yīng)力。受力方式：應(yīng)力加載于牙冠舌側(cè)切1/3與中1/3交界處，與牙體長(zhǎng)軸呈45°，大小為100 N，作用面積為10 mm2。

2 結(jié) 果

當(dāng)冠部受到100 N力45°方向加載時(shí)，3 種樁核修復(fù)后牙根Von-Mises應(yīng)力主要趨向于唇側(cè)牙頸部和樁尖區(qū)，單支纖維樁組牙根表面Von-Mises應(yīng)力較小，但最大主應(yīng)力明顯集中于頸中1/3。金屬樁核Von-Mises應(yīng)力和最大主應(yīng)力明顯集中于根尖區(qū)，導(dǎo)致根尖處易破壞；一體化樁核表面2 種應(yīng)力分布相對(duì)較均勻，最大主應(yīng)力集中區(qū)最趨近于牙頸部。在3 種樁核表面，一體化纖維樁核應(yīng)力分布趨勢(shì)與金屬樁核相似，唇側(cè)頸部受力較大，應(yīng)力峰值位于樁核頂端(圖 2～3)。單支纖維樁核組應(yīng)力沿纖維樁傳導(dǎo)較多，雖然牙根表面Von-Mises應(yīng)力較小，但牙根內(nèi)部應(yīng)力峰值最高，集中于纖維樁根尖端與牙根接觸區(qū)；單分析樹脂水門汀時(shí)，樹脂水門汀頸部和對(duì)應(yīng)的加載區(qū)應(yīng)力集中較明顯，易產(chǎn)生破壞(表 2)。

表 1 實(shí)驗(yàn)材料力學(xué)參數(shù)

表 2 牙根應(yīng)力峰值和樁核應(yīng)力峰值(MPa)

3 討 論

薄弱根管樁核修復(fù)后根管壁應(yīng)力分布影響修復(fù)體整體強(qiáng)度，通常的力學(xué)實(shí)驗(yàn)無(wú)法直觀的觀察應(yīng)力分布方式，借助有限元數(shù)值模擬方法可建立與實(shí)體組織相似幾何外形、邊緣約束模型[5]，并賦予修復(fù)體各部分材料的物理機(jī)械性能數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬直觀的顯示各部分應(yīng)力情況，具有不破環(huán)實(shí)體模型、同一模型可多次加載計(jì)算、數(shù)據(jù)處理高效直觀等特點(diǎn)[6]。

圖 2 3 種樁核Von-mises應(yīng)力分布云圖

根管壁應(yīng)力分布與樁核材料密切相關(guān)，本實(shí)驗(yàn)通過(guò)建立CAD/CAM一體化纖維樁核與兩種傳統(tǒng)樁核修復(fù)薄弱根管的三維有限元模型，冠部受力加載，發(fā)現(xiàn)CAD/CAM一體化纖維樁核修復(fù)后的根管壁受力更加均勻，最大主應(yīng)力峰值降低。根據(jù)Kovarik等[7]的研究在正常狀態(tài)下咀嚼力為98～294 N，故靜載值采用100 N(靜載值折算為壓力荷載通過(guò)表面單元傳遞到牙冠上)，加載點(diǎn)位于距切端2 mm處，作用面積為10 mm2，加載方向與牙體長(zhǎng)軸方向成45°，約束邊界距離牙體釉牙骨質(zhì)界下2 mm 區(qū)域。薄弱根管同正常根管應(yīng)力分布趨勢(shì)存在差異，前者應(yīng)力更容易向牙根深處(樁尖處)轉(zhuǎn)移[8]。本實(shí)驗(yàn)條件下，應(yīng)用金屬等高彈性模量的樁，樁本身承擔(dān)了較大的咀嚼力，牙本質(zhì)的應(yīng)力減低；但高彈性模量的樁有效的將咬合力傳遞到樁尖部，增大了樁尖部牙根組織的應(yīng)力，當(dāng)咬力較大時(shí)，容易造成相對(duì)更脆弱的樁尖部不可修復(fù)性折斷；同時(shí)，根據(jù)力學(xué)原理，當(dāng)受到外部應(yīng)力時(shí)，若樁與根管壁的彈性模量相差較大，應(yīng)力由高彈性模量向低彈性模量的根管傳導(dǎo)時(shí)，容易在樁-粘接劑-牙本質(zhì)界面形成過(guò)大應(yīng)力，在應(yīng)力集中區(qū)容易發(fā)生樁脫落或牙根折裂。所以，金屬樁的存在不但沒(méi)有增加牙根的強(qiáng)度，反而增加了根折的幾率。應(yīng)用較低彈性模量的單支纖維樁時(shí)，樁周圍存在大量樹脂粘接劑水門汀，粘接劑與牙本質(zhì)粘結(jié)，與其成為一個(gè)整體，粘接劑彈性模量較小，可成為樁與牙本質(zhì)之間的襯墊層，緩沖部分應(yīng)力，使牙根表面Von-Mises應(yīng)力較小，更多的應(yīng)力集中于纖維樁與牙根接觸區(qū)及唇側(cè)牙頸部，由頸部牙本質(zhì)承擔(dān)；尤其在牙頸部粘接劑表面應(yīng)力集中更明顯。粘接劑強(qiáng)度較低容易破裂，造成樁核頸部折斷、樹脂粘接劑破裂、纖維樁脫落。一體化纖維樁核修復(fù)組牙根表面應(yīng)力分布更均勻，牙本質(zhì)中Von-Mises應(yīng)力界與金屬樁核與單支纖維樁之間，最大主應(yīng)力峰值最小，可能因?yàn)橐惑w化纖維樁核彈性模量與牙本質(zhì)更接近，樁核形態(tài)與薄弱根管更吻合，使咀嚼應(yīng)力的傳導(dǎo)與分布更接近與天然牙，有利于保護(hù)薄弱的牙體組織。

圖 3 3 種樁核最大主應(yīng)力分布云圖

由樁核的Von-Mises應(yīng)力和最大主應(yīng)力分布發(fā)現(xiàn)，在薄弱根管樁核修復(fù)中樁核承擔(dān)了較高的應(yīng)力，彈性模量越大的樁承擔(dān)的應(yīng)力越大，一體化纖維樁核的應(yīng)力分布較均勻，峰值最小，應(yīng)力較高區(qū)域位于牙頸部。金鉑金屬樁核應(yīng)力峰值最高，但金屬樁核自身?yè)碛休^高的強(qiáng)度，不容易折斷，較大應(yīng)力傳至根尖，引起根尖牙體組織的折斷；單支纖維樁核內(nèi)存在纖維樁與樹脂粘接劑兩部分結(jié)構(gòu)，樹脂粘接劑的彈性模量和強(qiáng)度明顯低于纖維樁，樹脂粘接劑的應(yīng)力不足兩者總應(yīng)力的1/3，纖維樁與粘接劑界面產(chǎn)生較大應(yīng)力差異，容易導(dǎo)致粘接界面的破壞。研究發(fā)現(xiàn)，根管壁的應(yīng)力分布與牙本質(zhì)肩領(lǐng)的存在相關(guān)，本實(shí)驗(yàn)中采用的0.5 mm厚1 mm高的牙本質(zhì)肩領(lǐng)即可提供明顯的箍效應(yīng)[9]。少量的粘結(jié)劑對(duì)樁核力學(xué)性能影響很輕微，僅占0.83%，按照有限元分析法的簡(jiǎn)化模型結(jié)構(gòu)的原則，本研究中忽略處單支纖維樁周圍的粘結(jié)劑層是可以接受的。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)有三維有限元法，通過(guò)應(yīng)力分布云圖及峰值，直觀的觀察到靜態(tài)受力條件下咀嚼應(yīng)力的傳遞與分布，但實(shí)際牙體及纖維樁并非完全均質(zhì)物體，口內(nèi)咀嚼力及分布更加復(fù)雜，實(shí)際樁核修復(fù)后薄弱根管受力及破壞方式還需要進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 論

CAD/CAM一體化纖維樁核修復(fù)后牙根應(yīng)力分布更趨于均勻，牙根及樁核的Von-Mises應(yīng)力和最大主應(yīng)力峰值均有減小，有利于樁核的固位，減少修復(fù)體的應(yīng)力疲勞及牙根折斷。