李晨曦 劉一冰 郄 會(huì) 周冠軍 蘆 琳 單麗華

種植體支抗在正畸治療中具有療效可靠、操作簡(jiǎn)便、創(chuàng)傷小及舒適度佳等諸多優(yōu)勢(shì)，已被正畸醫(yī)師臨床上廣泛應(yīng)用。但是臨床上經(jīng)常會(huì)遇到骨密度偏低的患者（如處于發(fā)育期的青少年，骨的發(fā)育并不十分完善），種植體脫落常有發(fā)生，嚴(yán)重影響了治療效果。這種薄弱骨質(zhì)屬于Lekholm和Zarb骨質(zhì)分類[1]的Ⅲ類骨質(zhì)，如何提高這類患者的種植成功率，是目前臨床上急待解決的難題。種植體穩(wěn)定性包括了初期穩(wěn)定性與二期穩(wěn)定性兩方面。有研究表明[2，3]：種植體的初期穩(wěn)定性受到患者自身因素、手術(shù)因素、載荷情況、材料因素等多方面影響，但最重要的是種植部位皮質(zhì)骨的厚度；影響種植體二期穩(wěn)定性的主要因素是愈合時(shí)間和“骨結(jié)合”。針對(duì)Ⅲ類骨質(zhì)，是否需要延長(zhǎng)愈合時(shí)間或者降低載荷力值以提高種植體穩(wěn)定性還有待研究。本實(shí)驗(yàn)采用三維有限元方法，建立不同愈合時(shí)間的Ⅲ類骨種植體—頜骨有限元模型，施加不同力值載荷，并行應(yīng)力分析，從而觀察比較Ⅲ類骨不同愈合時(shí)間與不同載荷力對(duì)微種植體穩(wěn)定性的影響，用以指導(dǎo)微型種植體支抗的臨床應(yīng)用，提高成功率。

資料和方法

1.建立Ⅲ類骨的微種植體-頜骨有限元模型

采用Catia V5軟件，取一女性青春期志愿者左側(cè)上頜第二雙尖牙與第一磨牙之間的頜骨CT縱斷面（常用種植體植入部位），根據(jù)實(shí)際尺寸將斷面簡(jiǎn)化為梯形，然后以斷面作為基底面拉伸成六面體，建立簡(jiǎn)化的頜骨模型。模擬Lekholm和Zarb分類[1]的第Ⅲ類骨質(zhì)，設(shè)定表面皮質(zhì)骨厚度為0.7mm[4]。

根據(jù)某國(guó)產(chǎn)臨床常用微型種植體形態(tài)建立微種植體模型。種植體總長(zhǎng)度12mm，骨內(nèi)段長(zhǎng)度8mm，直徑1.6mm，螺紋高度0.2mm，螺距0.6mm，螺紋為刃狀，頂角60°（圖 1）。

圖1 微型種植體模型

擬在簡(jiǎn)化的頜骨模型上距槽嵴頂齦方4mm處垂直于皮質(zhì)骨骨面植入種植體，利用Catia V5的三維建模功能按其相應(yīng)位置進(jìn)行裝配。

設(shè)定皮質(zhì)骨與松質(zhì)骨均為連續(xù)、均勻、各向同性的線彈性材料，受力變形為彈性小變形。設(shè)定皮質(zhì)骨與松質(zhì)骨四周固定，不發(fā)生相對(duì)移動(dòng)。本研究模型材料力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 模型材料力學(xué)參數(shù)

2.加載力的大小和方向

設(shè)定遠(yuǎn)中為X軸正向，齦方為Y軸正向，以種植體長(zhǎng)軸為Z軸。將種植體的頸部作為載荷點(diǎn)，分別加載1N與2N載荷。加載方向：平行于X-Y平面且與Y軸平行指向負(fù)向（即垂直于種植體長(zhǎng)軸向牙合方）見(jiàn)圖2。

圖2 三維有限元模型加力方向圖解

3.實(shí)驗(yàn)分組設(shè)計(jì)

即刻加載組（immediate loading，IL）采用庫(kù)侖摩擦模型模擬非骨結(jié)合狀態(tài)。應(yīng)用Abaqus軟件，用“過(guò)盈配合”的方法模擬種植體-骨界面的初始應(yīng)力。即刻加載組分三組即：IL1、IL2、IL3，分別設(shè)定過(guò)盈量為 0.03mm、0.05mm、0.1mm[5，6]。

早期加載組（early loading，EL）與延期加載組（delay loading，DL）分別模擬種植體愈合3周后與愈合7周后加載的情況。以微種植體-骨結(jié)合率（bone-implant contact rate，BIC）定義不同愈合時(shí)間微種植體-骨接觸面，設(shè)定EL組BIC為34%，DL組BIC為44%[7]。以不同比例的骨結(jié)合區(qū)與非骨結(jié)合區(qū)來(lái)模擬不同骨結(jié)合率。骨結(jié)合與非骨結(jié)合區(qū)域在種植體-骨界面間隔出現(xiàn)，并隨機(jī)分配[8]（圖3）。種植體-骨界面的骨結(jié)合區(qū)單元為固定接觸，在載荷作用下無(wú)相對(duì)位移；非骨結(jié)合區(qū)單元在載荷作用下允許發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，摩擦系數(shù)μ＝0.2[6]。

圖3 微型種植體與骨接觸區(qū)域

4.網(wǎng)格劃分

將三維模型導(dǎo)入軟件Hyperwork11.0的Hypermesh模塊中以六面體網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其中種植體—骨界面區(qū)域，按照0.07mm網(wǎng)格尺寸進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，其余非重點(diǎn)考察部分以0.25mm網(wǎng)格尺寸完成網(wǎng)格劃分，總網(wǎng)格數(shù)量為672189，節(jié)點(diǎn)數(shù)為146973。將有限元網(wǎng)格模型導(dǎo)入到Abaqus6.10中，建立各部分相應(yīng)的接觸面。

5.求解及計(jì)算

查看計(jì)算結(jié)果，并采集各組沿種植體長(zhǎng)軸各部分的Von-Mises應(yīng)力值。分析微種植體-骨界面在種植體不同愈合時(shí)間的應(yīng)力分布規(guī)律。

結(jié) 果

建立了Ⅲ類骨質(zhì)不同愈合時(shí)間的微種植體-頜骨模型。微種植體的Von-Mises應(yīng)力主要分布在種植體與皮質(zhì)骨接觸的區(qū)域（圖4）；頜骨的Von-Mises應(yīng)力分布主要集中在微種植體-骨界面的皮質(zhì)骨區(qū)，且衰減迅速，松質(zhì)骨區(qū)應(yīng)力較?。▓D5，6）。

圖4 微型種植體應(yīng)力分布圖

圖5 頜骨Von-Mises應(yīng)力分布

過(guò)盈量明顯影響骨界面應(yīng)力峰值，隨著過(guò)盈量的增加，種植體-骨界面的應(yīng)力峰值相應(yīng)增加，IL1～I(xiàn)L3 組分別為 316MPa、519MPa、902MPa（圖 7），但對(duì)同一過(guò)盈量而言，不同載荷條件下，其應(yīng)力峰值無(wú)明顯變化。這說(shuō)明微種植體-骨界面的初始應(yīng)力基本由微種植體與骨的機(jī)械嵌合力產(chǎn)生。載荷值相同時(shí)，EL組和DL組的應(yīng)力峰值相近，且都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于IL組（圖7，表2）。但EL組和DL組2N載荷時(shí)的應(yīng)力峰值明顯高于1N載荷時(shí)，說(shuō)明在皮質(zhì)骨較薄的Ⅲ類骨質(zhì)中，載荷力值對(duì)種植體—骨界面應(yīng)力分布影響顯著。

圖6 EL組與DL組種植體—骨界面應(yīng)力分布

圖7 不同愈合時(shí)間頜骨應(yīng)力峰值的比較

表2 不同愈合時(shí)間頜骨Von-Mises應(yīng)力峰值

討 論

1.皮質(zhì)骨厚度對(duì)微種植體穩(wěn)定性的影響

骨的質(zhì)量尤其是皮質(zhì)骨的厚度，與微型種植體的穩(wěn)定性密切相關(guān)[9，10]。Lekholm和Zarb分類法根據(jù)密質(zhì)骨的厚度、密度與松質(zhì)骨的質(zhì)量，將骨組織分為四類[1]：Ⅰ類骨質(zhì)，整個(gè)頜骨幾乎全由均值的皮質(zhì)骨組成；Ⅱ類骨質(zhì)，有一層較厚的皮質(zhì)骨圍繞致密的松質(zhì)骨核心組成；Ⅲ類骨質(zhì)，一薄層密質(zhì)骨圍繞較松質(zhì)骨構(gòu)成；Ⅳ類骨質(zhì)，一薄層密質(zhì)骨圍繞低密度的松質(zhì)骨構(gòu)成。人類頜骨的不同部位，骨的質(zhì)量有很大差異[1]：通常下頜骨密度高于上頜骨，上頜骨后部皮質(zhì)骨的厚度與松質(zhì)骨的密度均降低，下頜骨反而有增加趨勢(shì)；薄弱的Ⅲ類骨質(zhì)在多數(shù)青少年和某些成年人（多為女性）上頜骨后部最為常見(jiàn)，Ⅱ類骨質(zhì)在成年人頜骨分布最廣。上頜骨后部是種植體常用植入部位，也是臨床上種植體脫落的高發(fā)區(qū)。但目前針對(duì)Ⅲ類骨質(zhì)的研究卻極少。

種植體植入頜骨的部位應(yīng)力過(guò)度集中是導(dǎo)致種植失敗的重要因素[3，11]。本研究發(fā)現(xiàn)Ⅲ類骨質(zhì)中頜骨種植體-骨界面的應(yīng)力很高，且主要集中于皮質(zhì)骨，松質(zhì)骨的應(yīng)力小。Sevimay[12]研究發(fā)現(xiàn)：相同條件下，Ⅲ、Ⅳ類骨種植體-骨界面的密質(zhì)骨Von-Mises應(yīng)力大于Ⅰ、Ⅱ類骨。原因可能是皮質(zhì)骨的楊氏模量遠(yuǎn)大于松質(zhì)骨，當(dāng)應(yīng)力傳導(dǎo)至接觸區(qū)骨界面時(shí)，皮質(zhì)骨對(duì)松質(zhì)骨產(chǎn)生了應(yīng)力遮擋效應(yīng)，松質(zhì)骨承擔(dān)應(yīng)力低，且Ⅲ類骨皮質(zhì)骨厚度小，松質(zhì)骨密度不高，因此皮質(zhì)骨承擔(dān)了更多的應(yīng)力。

2.不同愈合時(shí)間對(duì)微種植體-骨界面應(yīng)力分布的影響

本實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，IL組微種植體-骨界面的應(yīng)力峰值最高，最低的IL1組也達(dá)到316MPa，遠(yuǎn)大于而EL組和DL組（表2）?？梢?jiàn)Ⅲ類骨質(zhì)中微種植體-骨界面的初始應(yīng)力很大，愈合一段時(shí)間形成一定的骨結(jié)合后加載頜骨應(yīng)力大幅度降低。由于Ⅲ類骨質(zhì)皮質(zhì)骨薄弱這一特點(diǎn)，臨床上種植體植入扭力很小，抗力不足，不利于種植體保持穩(wěn)定[13]；另外植入初期頜骨局部應(yīng)力過(guò)大，有研究發(fā)現(xiàn)[3]：皮質(zhì)骨厚度＜1mm、應(yīng)力超過(guò)28MPa時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)皮質(zhì)骨變性，這也必然會(huì)影響骨的重建。因此不推薦即刻加載。

本研究中EL組與DL組應(yīng)力峰值接近，因此可以認(rèn)為34%的骨結(jié)合率足以保持微種植體的穩(wěn)定性。但是，在三維有限元模型中種植體—骨的結(jié)合點(diǎn)是隨機(jī)分布的，且Ⅲ類骨質(zhì)的骨密度低，骨質(zhì)疏松，會(huì)出現(xiàn)空結(jié)合點(diǎn)，因此模型中44%的骨結(jié)合點(diǎn)未必會(huì)多于34%（模型與組織學(xué)上骨結(jié)合有差別）。這可能是本研究中出現(xiàn)DL組應(yīng)力略高于EL組的原因。

Oltramari-Navarro等[14]通組織學(xué)研究認(rèn)為，低強(qiáng)度的即刻加載與早期加載、延遲加載，對(duì)種植體穩(wěn)定性無(wú)影響。但這是針對(duì)一般骨質(zhì)（Ⅱ類骨）的研究，與Ⅲ類骨質(zhì)相比皮質(zhì)骨厚度大、骨質(zhì)也更致密，因此與本實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在差異。吳晶等[15，16]通過(guò)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，微種植體骨整合完成前，種植體的生物力學(xué)性能與愈合時(shí)間呈正相關(guān)。Yano與Motoyoshi研究認(rèn)為[17]微型種植體支抗可以應(yīng)用于頜骨發(fā)育中的青少年患者，但必須經(jīng)過(guò)一定愈合期再加載，否則成功率過(guò)低。而青少年頜骨相對(duì)薄弱，尤其上頜后牙區(qū)多數(shù)屬于Ⅲ類骨質(zhì)，這也可與本實(shí)驗(yàn)結(jié)果相互印證。

3.不同加載力值對(duì)微種植體-骨界面應(yīng)力分布的影響

在本實(shí)驗(yàn)中，EL組和DL組載荷力值下降了50%時(shí)，其應(yīng)力峰值分別下降了51.17%和50.12%（圖7），說(shuō)明減小種植體載荷值更有利于減小微種植體-骨界面應(yīng)力峰值。因此可以通過(guò)適當(dāng)減小種植體載荷力值來(lái)增加Ⅲ類骨質(zhì)中微種植體的穩(wěn)定性。

在IL組中，不同載荷力值對(duì)微種植體-骨界面應(yīng)力分布沒(méi)有明顯影響，說(shuō)明微種植體-骨界面的初始應(yīng)力主要是由過(guò)盈量產(chǎn)生的，微種植體的初期穩(wěn)定性是由種植體與頜骨之間的機(jī)械嵌合力提供。

4.不同過(guò)盈量對(duì)微種植體-骨界面應(yīng)力分布的影響

微種植體植入頜骨時(shí)，即便使用先導(dǎo)鉆，鉆孔的直徑也小于種植體的直徑，由此產(chǎn)生了種植體-骨界面初始應(yīng)力，這需要用“過(guò)盈配合”來(lái)模擬。過(guò)盈是指孔的尺寸減去相配合軸的尺寸所得的代數(shù)差為負(fù)，為正時(shí)稱間隙。過(guò)盈量是這一差值的絕對(duì)值，決定了孔和軸結(jié)合的松緊程度。臨床上助攻型微種植體一般選擇與種植體直徑相差0.1～0.2mm的先導(dǎo)鉆；而自攻型種植體過(guò)盈量一般大于助攻型（具體差距未見(jiàn)有報(bào)道）。在手術(shù)中鉆孔的直徑會(huì)稍大于鉆針直徑，為了能更真實(shí)地模擬臨床狀態(tài)，本研究選擇添加的過(guò)盈量分別為0.1mm、0.05mm和0.03mm。但是現(xiàn)實(shí)中添加過(guò)盈量?jī)H能模擬種植體植入后的近期情況，由于頜骨的破壞和改建在持續(xù)進(jìn)行，過(guò)盈量可能在頜骨分化出破骨細(xì)胞后會(huì)發(fā)生變化（具體變化時(shí)間和過(guò)盈量與應(yīng)力的改變情況未見(jiàn)報(bào)道），因此如何模擬動(dòng)態(tài)的初始應(yīng)力與過(guò)盈量的關(guān)系有待于進(jìn)一步的研究。

本實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，IL組微種植體-骨界面的應(yīng)力與過(guò)盈量值的大小呈正相關(guān)關(guān)系。根據(jù)界面最終初始應(yīng)力與骨的破壞強(qiáng)度相當(dāng)?shù)睦碚揫6]，過(guò)盈量產(chǎn)生的初始應(yīng)力，應(yīng)該在骨組織的耐受范圍之內(nèi)，否則會(huì)產(chǎn)生骨裂、骨折損傷等將應(yīng)力釋放。Ⅲ類骨質(zhì)皮質(zhì)骨薄，應(yīng)力高，更容易在高應(yīng)力下?lián)p傷，因此為了減小過(guò)盈量產(chǎn)生的初始應(yīng)力，臨床上盡可能選擇助攻型種植釘。

在實(shí)驗(yàn)中0.1mm過(guò)盈量模擬的即刻加載模型應(yīng)力最大，其皮質(zhì)骨應(yīng)力峰值高達(dá)902MPa，松質(zhì)骨中的最大應(yīng)力也達(dá)到了78.3MPa，遠(yuǎn)大于在EL組和DL組。出現(xiàn)這一結(jié)果有兩種可能：一是0.1mm的過(guò)盈量能夠真實(shí)地模擬種植體即刻加載的短期情況，應(yīng)力峰值高是由于Ⅲ類骨質(zhì)皮質(zhì)骨很??；二是在微種植體植入過(guò)程中0.1mm的過(guò)盈量過(guò)大了，只是理論值，臨床中沒(méi)有真實(shí)存在。

本研究還存在一些不足：不同愈合時(shí)間的骨結(jié)合率是參考動(dòng)物實(shí)驗(yàn)[7，15，18]選擇的，而人類個(gè)體差異較大，植入不同材料或表面形態(tài)的種植體都會(huì)出現(xiàn)不同結(jié)果，準(zhǔn)確描述未見(jiàn)報(bào)道；且由于Ⅲ類骨質(zhì)的特點(diǎn)，目前的三維有限元模型模擬的骨結(jié)合與組織學(xué)上的骨結(jié)合還有一些差別。如何利用三維有限元模型來(lái)更準(zhǔn)確模擬Ⅲ類骨質(zhì)不同愈合時(shí)間種植體-骨界面狀態(tài)，有待于進(jìn)一步的研究。

針對(duì)Ⅲ類骨質(zhì)患者，應(yīng)在微型種植體愈合一段時(shí)間達(dá)到一定的骨結(jié)合后再輕力加載，以增強(qiáng)種植體穩(wěn)定性，不可即刻加載。微種植體-骨界面的初始應(yīng)力主要是由過(guò)盈量產(chǎn)生的，且與過(guò)盈量值的大小呈正相關(guān)關(guān)系。