楊凱文，劉艾芃，王曉華，趙婭琴，胡曉光，鄧文正

(1. 右江民族醫(yī)學(xué)院研究生學(xué)院，廣西 百色 533000；2. 廣西梧州市紅十字會(huì)醫(yī)院口腔科，廣西 梧州 543002)

目前使用種植牙修復(fù)缺失牙已經(jīng)發(fā)展為成熟、可預(yù)期的治療方案[1]。種植牙的早期成功主要依賴于種植體與牙槽骨的骨結(jié)合，而骨結(jié)合成功后種植體周圍軟硬組織的長期穩(wěn)定是種植牙長期成功的重要因素之一[2]。當(dāng)種植體植入頜骨內(nèi)并完成骨結(jié)合行使負(fù)荷后，種植體邊緣牙槽骨將發(fā)生改建，導(dǎo)致種植體邊緣骨吸收(MBL)，在植入后1年期間吸收可以達(dá)到1.5 mm。已有研究表明[3]平臺(tái)轉(zhuǎn)換的種植體能夠降低種植體周圍牙槽骨的應(yīng)力，減少種植體邊緣骨吸收。目前對(duì)于平臺(tái)轉(zhuǎn)移種植體的肩臺(tái)處成骨對(duì)種植體邊緣骨應(yīng)力影響的研究較少。本實(shí)驗(yàn)通過三維建模軟件及有限元分析軟件，對(duì)平臺(tái)轉(zhuǎn)移種植體肩臺(tái)成骨寬度不同時(shí)種植體-牙槽骨邊緣Von-Mises力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1 資料與方法

1.1 模型的建立 使用SolidWorks(Dassault Systemes公司，美國)軟件參照ankylos(Dentsply Sirona公司，美國)種植體數(shù)據(jù)建立種植體及基臺(tái)模型，種植體直徑4.5 mm，長度11 mm，基臺(tái)種植體平面處直徑2 mm，穿齦高度3 mm。全瓷牙冠及上下頜骨使用簡化模型，牙冠為長寬高皆5 mm的正方體，牙槽骨為長寬皆10 mm、高15 mm的長方體，上頜骨為松質(zhì)骨的長方體，下頜骨為厚度2 mm皮質(zhì)骨包繞松質(zhì)骨。將種植體、基臺(tái)、頜骨和牙冠模型進(jìn)行裝配(見圖1)。模型分為上下頜骨兩大組(見圖2)，每大組頜骨模型根據(jù)植入深度(D)分為0 mm、0.4 mm、0.8 mm、1.2 mm共4組。植入深度0.4 mm、0.8 mm、1.2 mm的模型根據(jù)肩臺(tái)處成骨寬度(W)分為0 mm、0.4 mm、0.8 mm、1.2 mm共4組(見圖3)，共建立模型26組。

圖1 修復(fù)基臺(tái)、種植體以及裝配體渲染圖

圖2 上頜骨、下頜骨建模示意圖

1.2 有限元模型建立和網(wǎng)格劃分 將種植牙及頜骨模塊導(dǎo)入ANSYS15.0(ANSYS公司，美國)軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，通過預(yù)實(shí)驗(yàn)得出應(yīng)力集中區(qū)域，對(duì)應(yīng)力集中處進(jìn)行局部加密處理(見圖4)，以獲得更精準(zhǔn)的結(jié)果。各模型節(jié)點(diǎn)及網(wǎng)格數(shù)量參照見表1。

圖3 不同種植深度及肩臺(tái)成骨寬度建模示意圖

圖4 有限元模型網(wǎng)格劃分示意圖

表1 各模型單元數(shù)及節(jié)點(diǎn)數(shù)

1.3 實(shí)驗(yàn)條件假設(shè) 本研究擬采用的各種材料的力學(xué)參數(shù)見表2。假設(shè)各材料為連續(xù)均值各向同性的線彈性材料[4]，種植體與松質(zhì)骨、皮質(zhì)骨形成完全骨結(jié)合，各材料間定義綁定，在頜骨的頰舌面及底面行剛性約束。中國人平均咀嚼力大小為30～300 N[5]，為模擬日常咀嚼食物時(shí)牙齒最常受到的軸向力與側(cè)向力，本次實(shí)驗(yàn)采用兩種方式進(jìn)行加載：①垂直加載:牙冠頜面予以垂直向下的 200 N力；②斜向加載：與種植體軸線成45°角，由頰側(cè)指向舌側(cè)加載100 N的力，見圖5。

表2 各種材料力學(xué)參數(shù)

1.4 有限元計(jì)算 使用ANSYS 15.0軟件對(duì)以上26組模型進(jìn)行兩種加載后不同部位Von-Mises力的運(yùn)算，記錄并統(tǒng)計(jì)種植體肩臺(tái)成骨寬度不同時(shí)的種植體-牙槽骨邊緣Von-Mises力。

2 結(jié)果

各組Von-Mises力詳細(xì)數(shù)據(jù)見表3。傾斜加載時(shí)種植體、牙槽骨、基臺(tái)最大應(yīng)力值均大于垂直加載，下頜骨模型的牙槽骨最大應(yīng)力值大于上頜骨模型，這是由于皮質(zhì)骨彈性模量大于松質(zhì)骨，產(chǎn)生應(yīng)力遮擋所引起。傾斜加載時(shí)，骨平面種植體牙槽骨邊緣應(yīng)力小于骨下種植體。骨下種植體牙槽骨邊緣應(yīng)力值大都隨成骨寬度的增加而降低，在成骨寬度為0.8 mm時(shí)發(fā)現(xiàn)最小值，但成骨寬度>0.8 mm時(shí)出現(xiàn)應(yīng)力升高。通過觀察下頜骨D0.8W0.8和D0.8W1.2的應(yīng)力云圖，見圖6，推測(cè)應(yīng)力數(shù)值加大是由于種植體基臺(tái)交接處為應(yīng)力集中區(qū)域，當(dāng)肩臺(tái)處皮質(zhì)骨寬度達(dá)到1.2 mm時(shí)，種植體-牙槽骨邊緣過于靠近種植體基臺(tái)交界應(yīng)力集中區(qū)所引起。

圖5 兩種加載方式示意圖

表3 各組Von-Mises力數(shù)據(jù) 單位：Mpa

組別上頜骨垂直加載200 N松質(zhì)骨種植體-牙槽骨交界上頜骨45°加載100 N松質(zhì)骨種植體-牙槽骨交界下頜骨垂直加載200 N松質(zhì)骨皮質(zhì)骨種植體-牙槽骨交界下頜骨45°加載100 N松質(zhì)骨皮質(zhì)骨種植體-牙槽骨交界D0W07.0176.60321.61319.9752.54117.62616.6733.18632.99232.992D0.4W09.0338.84434.02434.0242.50323.13923.1393.48258.86758.867D0.8W08.6246.14333.04531.6102.66622.23613.0063.70259.20054.609D1.2W09.1745.42134.56630.3102.92728.04520.2033.97874.61258.357D0.4W0.46.4421.22222.7774.2492.37712.6336.4393.25629.47815.214D0.8W0.46.0231.77923.4578.3542.68913.2696.1123.75632.69421.597D1.2W0.45.6131.28023.7589.4382.90715.1623.5673.78836.15321.852D0.4W0.85.9680.54920.5731.6882.41012.5524.5003.19626.3918.331D0.8W0.85.7531.28321.7034.8812.66212.7545.2813.52128.19812.631D1.2W0.85.6170.97321.0775.7712.87614.5522.3913.58630.74816.357D0.4W1.25.9270.70520.5285.2702.40511.4318.9323.18552.87352.873D0.8W1.25.7530.82021.5656.1562.64312.5607.0343.45961.63861.638D1.2W1.28.0470.78321.3235.6662.84814.1878.6233.49274.46574.465

傾斜加載時(shí)種植體、牙槽骨、基臺(tái)最大應(yīng)力值均大于垂直加載，下頜骨模型的牙槽骨最大應(yīng)力值大于上頜骨模型，這是由于皮質(zhì)骨彈性模量大于松質(zhì)骨，產(chǎn)生應(yīng)力遮擋所引起。將種植體-牙槽骨邊緣Von-Mises力數(shù)值導(dǎo)入SPSS中，形成多線圖進(jìn)行分析，見圖6，發(fā)現(xiàn)傾斜加載時(shí)，骨平面種植體牙槽骨邊緣應(yīng)力小于骨下種植體。骨下種植體牙槽骨邊緣應(yīng)力值大都隨成骨寬度的增加而降低，在成骨寬度為0.8 mm時(shí)發(fā)現(xiàn)最小值，但成骨寬度大于0.8 mm時(shí)出現(xiàn)應(yīng)力升高。通過觀察下頜骨D0.8W0.8和D0.8W1.2的應(yīng)力云圖，見圖7，推測(cè)應(yīng)力數(shù)值加大是由于種植體基臺(tái)交接處為應(yīng)力集中區(qū)域，當(dāng)肩臺(tái)處皮質(zhì)骨寬度達(dá)到1.2 mm時(shí)，種植體-牙槽骨邊緣過于靠近種植體基臺(tái)交界應(yīng)力集中區(qū)所引起。

圖6 下頜骨D0.8W0.8組和D0.8W1.2組應(yīng)力云圖

3 討論

影響種植體頸部骨組織長期穩(wěn)定的因素有很多，種植體邊緣骨吸收會(huì)導(dǎo)致種植體失敗[6]。種植體廠家嘗試通過改變種植體設(shè)計(jì)以及種植體表面處理，以減少種植的邊緣骨吸收[7]。Lazzara RJ等[8]于2006年報(bào)道了一種保留種植體頸部邊緣骨的辦法，稱之為“平臺(tái)轉(zhuǎn)移”，并將其定義為使用較種植體直徑更小的基臺(tái)，使種植體與基臺(tái)的交界面位于種植體平臺(tái)的內(nèi)側(cè)，這導(dǎo)致種植體與基臺(tái)的交界處向種植體中軸遷移。這樣使得種植體周圍的骨組織應(yīng)力降低，有利于種植體周圍軟硬組織的健康[9-10]。盡管平臺(tái)轉(zhuǎn)移這個(gè)概念已經(jīng)提出十多年，但是對(duì)其中的機(jī)制仍有爭(zhēng)議[11]。有學(xué)者認(rèn)為生物學(xué)寬度的改變是平臺(tái)轉(zhuǎn)移種植體邊緣骨吸收減少的原因，平臺(tái)轉(zhuǎn)移的種植體不僅存在垂直向的生物學(xué)寬度，還存在水平向的生物寬度[12-13]。也有學(xué)者認(rèn)為種植體與基臺(tái)之間微間隙的微動(dòng)及細(xì)菌引起種植體體邊緣骨吸收[14-15]，由于平轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移，使得種植的微間隙向種植體軸心轉(zhuǎn)移，使得微間隙的微動(dòng)和細(xì)菌遠(yuǎn)離種植體頸部牙槽骨，對(duì)其造成的影響降低。還有一部分學(xué)者認(rèn)為影響平臺(tái)轉(zhuǎn)移種植體骨吸收減少的原因是種植體周圍應(yīng)力得以分散[16]，當(dāng)使用平臺(tái)轉(zhuǎn)移的種植體負(fù)載時(shí)，更多的應(yīng)力集中在種植體、基臺(tái)頸部以及固位螺絲上，雖然這樣會(huì)增大機(jī)械并發(fā)癥，但是可以有效分散種植體頸部骨組織應(yīng)力，減少種植體頸部骨組織的吸收[17]。因此當(dāng)下主流觀點(diǎn)認(rèn)為平臺(tái)轉(zhuǎn)移的種植錯(cuò)配值越大效果越好，即種植體肩臺(tái)越寬越好。

目前已有學(xué)者[18]研究平臺(tái)轉(zhuǎn)移種植體入深度和種植體肩臺(tái)寬度對(duì)應(yīng)力分布的影響，但未見肩臺(tái)成骨對(duì)應(yīng)力分布影響的研究。本研究通過對(duì)比種植體肩臺(tái)成骨寬度不同情況下的種植體-牙槽骨邊緣Von-Mises力，可以得出以下結(jié)論：同等植入深度及成骨寬度條件下，下頜骨組Von-Mises力大于上頜骨組，這是由于皮質(zhì)骨彈性模量大于松質(zhì)骨，產(chǎn)生應(yīng)力遮擋所引起。傾斜加載時(shí)，牙槽骨所受Von-Mises力均大于垂直加載，說明側(cè)向力比軸向力容易產(chǎn)生應(yīng)力集中。因此設(shè)計(jì)植入位置及最終修復(fù)體時(shí)，應(yīng)減少種植體所受側(cè)向力，減少牙槽骨所受應(yīng)力。垂直加載時(shí)，種植體肩臺(tái)成骨組的邊緣牙槽骨Von-Mises力小于肩臺(tái)未成骨，上頜骨在D0.4W0.8組發(fā)現(xiàn)最小Von-Mises力0.549 Mpa。下頜骨在D1.2W0.8組發(fā)現(xiàn)最小Von-Mises力2.391 Mpa，表明當(dāng)種植體受到垂直加載時(shí)，肩臺(tái)成骨可以有效減少種植體邊緣骨應(yīng)力，但并非成骨越寬邊緣骨所受應(yīng)力越小，而是在成骨寬度為0.8 mm時(shí)獲得了最佳的生物力學(xué)效果。傾斜加載時(shí)，除了下頜骨肩臺(tái)成骨寬度1.2 mm組邊緣牙槽骨所受應(yīng)力值大于肩臺(tái)未成骨組以外，其余種植體肩臺(tái)成骨組的邊緣牙槽骨Von-Mises力亦明顯小于肩臺(tái)未成骨，上頜骨在D0.4W0.8組發(fā)現(xiàn)最小Von-Mises力1.688 Mpa。下頜骨在D0.4W0.8組發(fā)現(xiàn)最小Von-Mises力8.331 Mpa，最小應(yīng)力值亦在成骨寬度為0.8 mm時(shí)出現(xiàn)。通過本次實(shí)驗(yàn)可知，上下頜骨無論是垂直加載或是傾斜加載，牙槽骨邊緣最小Von-Mises力均出現(xiàn)在肩臺(tái)成骨寬0.8 mm組中，說明種植體肩臺(tái)成骨寬度并非越寬越好，通過觀察應(yīng)力云圖，推測(cè)此現(xiàn)象是由于種植體肩臺(tái)的內(nèi)徑與外徑均為應(yīng)力集中區(qū)域，骨邊緣過于靠近兩側(cè)中的任一側(cè)均導(dǎo)致應(yīng)力集中，并增大邊緣骨吸收的風(fēng)險(xiǎn)。

種植體的光滑表面成骨性能差，而經(jīng)過粗糙化的種植體表面與骨組織結(jié)合面積和強(qiáng)度大大增加[19-20]，但當(dāng)種植體粗糙表面無骨結(jié)合時(shí)，將比光滑表面的種植體容易堆積菌斑，因此建議發(fā)生骨結(jié)合種植體表面設(shè)計(jì)為粗糙面，非骨結(jié)合的種植體表面設(shè)計(jì)為光滑面。通過本次實(shí)驗(yàn)可知，若選擇光滑肩臺(tái)種植體時(shí)，平骨面種植可獲得良好的應(yīng)力分布，減少邊緣骨吸收。若選擇肩臺(tái)粗糙化種植體則建議骨下種植，因?yàn)楫?dāng)種植體植入骨下時(shí)，種植體肩臺(tái)位于有利骨缺損區(qū)域，肩臺(tái)處粗糙面可與新生牙槽骨進(jìn)行骨結(jié)合，使其肩臺(tái)處成骨，有助于應(yīng)力分散，減少菌斑堆積。由于種植體肩臺(tái)成骨過于靠近種植體與基臺(tái)交界處時(shí)將導(dǎo)致種植體-牙槽骨邊緣應(yīng)力再次加大，骨下種植的平臺(tái)轉(zhuǎn)移種植體設(shè)計(jì)成肩臺(tái)外周粗糙，內(nèi)圈光滑更為合理，見圖7。

圖7 外周粗糙、內(nèi)圈光滑的種植體平臺(tái)

本實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)為理想條件下完成，僅為臨床提供指導(dǎo)，實(shí)際情況仍需結(jié)合臨床實(shí)驗(yàn)，以獲得更精確的結(jié)果。