魏 瑋

(江蘇省常州中醫(yī)醫(yī)院 口腔科, 江蘇 常州, 213000)

隨著口腔醫(yī)學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，牙種植逐漸成為牙列缺損患者的首選治療方案。目前，牙種植失敗時(shí)有發(fā)生，其原因?yàn)榉N植體受到過大的負(fù)載而導(dǎo)致種植體周圍骨組織破壞，進(jìn)而引發(fā)種植體周圍炎，最終導(dǎo)致牙種植失敗。造成種植體負(fù)載過大的原因很多，其中種植體與天然牙的形態(tài)差異是一個(gè)重要的因素。本研究在控制種植體與天然牙材質(zhì)、牙根長(zhǎng)度等變量的情況下進(jìn)行三維有限元分析[1-3], 鑒于種植體與天然牙在形態(tài)上均較為復(fù)雜，以整體形式進(jìn)行應(yīng)力分析的難度較大，故采用將種植體與天然牙模型整體分解為多個(gè)簡(jiǎn)單區(qū)域進(jìn)行分析的方法，比較種植體與天然牙的形態(tài)差異[4-5], 現(xiàn)報(bào)告如下。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器及軟件

模型牙, Geomagic Studio(3D Systems, Rock Hill, SC, USA), ANSYS workbench 18.0 (ANSYS, Inc.Canonsburg, PA, USA)。

1.2 方法

1.2.1 建立模型: 通過掃描模型牙及種植體獲得對(duì)應(yīng)的三維模型。本研究選擇的牙位為右下頜第二前磨牙、右下頜第一磨牙、右上頜第一磨牙。采用Geomagic Studio系統(tǒng)將得到的三維模型轉(zhuǎn)化為幾何模型，將幾何模型導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS workbench 18.0, 建立有效的三維有限元模型。

1.2.2 假設(shè)實(shí)驗(yàn)條件: 假設(shè)實(shí)驗(yàn)中各組織及材料均為連續(xù)、均質(zhì)、各向同性的線彈性材料; 假設(shè)種植體及天然牙與骨界面為完全骨結(jié)合; 假設(shè)種植體與天然牙的臨床牙根長(zhǎng)度均為10 mm; 假設(shè)種植體與天然牙材料為鈦。

1.2.3 加載條件：本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)模型施加力量為100 N的垂直方向、水平方向及斜45°方向的載荷[6-7]。垂直方向：沿牙體長(zhǎng)軸向根方向加載負(fù)荷，模擬牙齒在咀嚼時(shí)的受力情況；水平方向：與牙體長(zhǎng)軸垂直，向腭側(cè)或舌側(cè)加載負(fù)荷; 斜45°方向: 與牙體長(zhǎng)軸呈45°, 向舌腭側(cè)根方向加載負(fù)荷。

1.2.4 相關(guān)材料力學(xué)特性: 本實(shí)驗(yàn)所涉及的材料的彈性模量及泊松比見表1。

表1 有關(guān)材料的力學(xué)參數(shù)

1.3 數(shù)據(jù)分析

使用分析軟件ANSYS workbench對(duì)假設(shè)實(shí)驗(yàn)條件下的有限元模型加載不同方向的瞬間負(fù)荷，獲得各方向載荷下各模型(主要是天然牙或種植體)以及其對(duì)應(yīng)的骨松質(zhì)的應(yīng)力分布情況及最大應(yīng)力值。

2 結(jié) 果

種植體及天然牙的三維有限元分析結(jié)果見圖1～4。受到垂直力量作用時(shí)，各天然牙及種植體模型應(yīng)力最大值見表2。種植體在承受100 N的垂直力量時(shí)對(duì)骨松質(zhì)所產(chǎn)生的最大應(yīng)力值略大于天然牙，而種植體本身的最大應(yīng)力值則為天然牙的5～14倍，遠(yuǎn)大于天然牙的最大應(yīng)力值。

圖1 種植體及周圍組織在加載100 N負(fù)荷時(shí)不同方向的應(yīng)力分布

圖2 上頜第一磨牙牙體及周圍組織在加載100 N負(fù)荷時(shí)不同方向的應(yīng)力分布

圖3 下頜第一磨牙牙體及周圍組織在加載100 N負(fù)荷時(shí)不同方向的應(yīng)力分布

圖4 下頜第二前磨牙牙體及周圍組織在加載100 N負(fù)荷時(shí)不同方向的應(yīng)力分布

表2 天然牙及種植體在垂直方向100 N作用下各組成部分的最大應(yīng)力值 MPa

受到水平力量作用時(shí)，各天然牙及種植體模型應(yīng)力最大值見表3。與承受垂直力量時(shí)相比，種植體在承受同樣為100 N的水平方向力量時(shí)，其對(duì)骨松質(zhì)產(chǎn)生的最大應(yīng)力值遠(yuǎn)大于天然牙，為天然牙的10～30倍。同樣，在100 N水平力量的作用下，種植體本身及骨皮質(zhì)的最大應(yīng)力值均遠(yuǎn)大于天然牙。

表3 天然牙及種植體在水平方向100 N作用下各組成部分的最大應(yīng)力值 MPa

受到斜45°方向的力量作用時(shí)，各天然牙及種植體模型應(yīng)力最大值見表4。種植體承受來自斜45°方向的100 N力量時(shí)，周圍組織產(chǎn)生的最大應(yīng)力值介于垂直方向與水平方向之間，而對(duì)種植體本身產(chǎn)生的應(yīng)力為3個(gè)方向中最大的，說明在這種力量作用下種植體更加容易受到破壞。

表4 天然牙及種植體在斜45°方向100 N作用下各組成部分的最大應(yīng)力值 MPa

3 討 論

本研究結(jié)果顯示，種植體在硬組織中產(chǎn)生的應(yīng)力均高于各天然牙，特別是對(duì)骨松質(zhì)產(chǎn)生的應(yīng)力約是天然牙的10倍。在正常的應(yīng)力下，骨組織會(huì)沿力量方向發(fā)生骨改建，但若力量過大，則會(huì)造成骨吸收速度大于骨形成速度，導(dǎo)致種植體周圍骨組織破壞，進(jìn)而形成種植體周圍炎[8-10]。

在同樣力量作用于牙體及種植體上時(shí)，骨松質(zhì)受到的最大應(yīng)力值是有區(qū)別的，復(fù)數(shù)牙根可以更加有效地減小牙體或種植體對(duì)骨松質(zhì)的應(yīng)力。同樣是在單根的情況下，有著牙形態(tài)的下頜第二前磨牙牙根形態(tài)比螺紋種植體形態(tài)更有利于減小骨松質(zhì)的應(yīng)力，降低種植體周圍炎的發(fā)生率。因此，在不考慮牙周膜等緩沖組織的情況下，多根結(jié)構(gòu)更有利于減小力量對(duì)周圍組織尤其是骨松質(zhì)的直接作用，從而降低骨組織破壞的可能性。

人類多根牙的功能主要以研磨食物為主[11]，因此需要承受的力量遠(yuǎn)大于前牙。目前常用的眾多種植系統(tǒng)多采用柱形的螺紋種植體，代替牙根的部分多為單根，且由于種植體骨結(jié)合的需要，種植體與牙槽骨之間沒有牙周膜等軟組織作為緩沖，因此磨牙牙位的種植體因種植體周圍炎導(dǎo)致種植失敗的可能性較其他牙位更大。

同樣的力量以不同方向作用于牙體及種植體上時(shí)，骨松質(zhì)受到的最大應(yīng)力值及應(yīng)力分布也不相同。力量沿牙體長(zhǎng)軸作用時(shí)，牙體、種植體或周圍組織的最大應(yīng)力值均小于其他任意方向，應(yīng)力分布也相對(duì)均勻。該方向的載荷是用來模擬牙齒在進(jìn)行正常咀嚼功能時(shí)來自對(duì)頜牙齒的力量，這是日常生活中各個(gè)牙位的牙齒，特別是磨牙位的牙齒最常承受的力量。研究結(jié)果[12]顯示，常用的螺紋種植體在承受這種力量時(shí)，盡管會(huì)使骨松質(zhì)產(chǎn)生相對(duì)較大的應(yīng)力，但與下頜第二前磨牙相比區(qū)別并不明顯，可以認(rèn)為螺紋種植體能較好地承受來自垂直方向的力量。若力量來自水平方向，即力量方向與牙體長(zhǎng)軸垂直時(shí)，種植體與天然牙的差異就很明顯。

當(dāng)承受相同大小的水平方向力量時(shí)，種植體對(duì)骨松質(zhì)產(chǎn)生的應(yīng)力是天然牙的10～30倍，可認(rèn)為種植體在這種情況下更容易造成骨松質(zhì)損傷。在正常咀嚼過程中，咀嚼力的水平分力較小，該力量可以沿牙弓分散到各個(gè)牙位，對(duì)種植體及骨松質(zhì)的影響較小。若咀嚼習(xí)慣存在問題，比如偏側(cè)咀嚼等，則會(huì)出現(xiàn)頰舌向的咀嚼力量，對(duì)完全骨結(jié)合的種植體來說，這樣的力量會(huì)直接作用在骨組織上，產(chǎn)生足夠大的應(yīng)力，最終造成骨組織的破壞。

當(dāng)天然牙或種植體受到來自外部力量作用時(shí)，也可能產(chǎn)生水平方向的力量。當(dāng)受到同樣大小的水平方向力量時(shí)，除了種植體本身更容易遭到破壞外，周圍的骨組織也會(huì)直接受到該力量的作用，可能造成骨組織的吸收甚至破壞，最終導(dǎo)致種植失敗。但外部的水平力量多是瞬間載荷，相較于骨組織的吸收并最終造成種植體周圍炎，種植體的損壞或骨組織物理性的折裂情況更容易發(fā)生[13-14]。通過比較各實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮谑艿搅α繒r(shí)應(yīng)力集中的區(qū)域發(fā)現(xiàn)，在受到水平方向的力量作用時(shí)，種植體應(yīng)力最集中的區(qū)域在牙頸部區(qū)域，這個(gè)位置是種植體折裂、損壞的好發(fā)部位，但種植體在承受水平方向力量時(shí)對(duì)周圍骨組織，尤其是骨松質(zhì)造成損害的風(fēng)險(xiǎn)依然遠(yuǎn)大于承受垂直方向力量的風(fēng)險(xiǎn)。

天然牙或種植體承受斜45°方向力量的情況通常出現(xiàn)在前牙特別是切牙切割食物時(shí)。從數(shù)值上可以看出，以100 N力量斜向作用于牙齒時(shí)，各組數(shù)據(jù)均介于垂直方向和水平方向數(shù)值，種植體對(duì)骨松質(zhì)產(chǎn)生的應(yīng)力是天然牙的5～10倍。盡管最大應(yīng)力值不如水平力量作用的數(shù)值，但從應(yīng)力分布情況可以看出，天然牙或種植體在承受斜向力量時(shí)應(yīng)力更容易集中于根尖區(qū)，因而在這種情況下骨松質(zhì)更容易受到破壞，最終造成種植體周圍炎。

本研究各個(gè)三維有限元分析用模型在建模時(shí)為了控制牙齒及種植體的牙根長(zhǎng)度，假設(shè)了臨床牙根為10 mm的條件，但在實(shí)際情況下，牙齒及種植體的黏膜-空氣界面多位于牙或種植體頸部，因此這種假設(shè)與實(shí)際情況存在些許偏差，但這種區(qū)別主要體現(xiàn)在黏膜層，對(duì)其他組分的應(yīng)力分布及最大應(yīng)力值的影響較小[15]。

綜上所述，單純從形態(tài)角度而言，螺紋種植體在承受各個(gè)方向的力量時(shí)，其對(duì)骨松質(zhì)造成損害的可能性均大于天然牙，因此種植體比天然牙更容易引起種植體周圍炎，最終導(dǎo)致種植失敗。