張帥 呂川 李進(jìn)紅 朱保民 王維倩

1.浙江中醫(yī)藥大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院/附屬口腔醫(yī)院，杭州 310053；2.杭州市東寧口腔診所，杭州 310017；3.浙江中醫(yī)藥大學(xué)附屬?gòu)V興醫(yī)院，杭州 310021；4.杭州口腔醫(yī)院VIP中心，杭州 310002

種植修復(fù)作為牙列缺失或牙列缺損的一種修復(fù)方式，被越來(lái)越多的患者所選擇。但種植修復(fù)也有其并發(fā)癥，種植體折斷在其中占很大的比例，折斷多發(fā)生在種植體頸部[1]。種植體與牙槽骨的結(jié)合方式與天然牙有很大的差異。天然牙具有起緩沖墊作用的牙周膜結(jié)構(gòu)，使牙齒有較大范圍動(dòng)度，可以對(duì)抗側(cè)向和扭轉(zhuǎn)力。而種植牙與牙槽骨是骨性結(jié)合，種植義齒行使咀嚼功能時(shí)，僅允許骨組織在極小的范圍內(nèi)移動(dòng)（micromovement），力直接傳遞到骨組織引起微損傷導(dǎo)致種植失敗[2]。目前臨床上所使用種植系統(tǒng)的種植體與基臺(tái)的連接均為剛性連接，本研究在基臺(tái)表面增加緩沖層，通過施加垂直向載荷和水平向載荷，對(duì)種植體及基臺(tái)的頸部、體部受力情況進(jìn)行分析，比較有無(wú)緩沖層對(duì)種植體應(yīng)力的影響，以期對(duì)種植體設(shè)計(jì)提供新的思路。

1 材料和方法

1.1 樣本的選擇及數(shù)據(jù)獲取

研究對(duì)象為36歲成年人，女性，36牙缺失，35、37牙無(wú)明顯齲壞及松動(dòng)，無(wú)全身系統(tǒng)性疾病。根據(jù)CT掃描數(shù)據(jù)形成DICOM文件，以此重建下頜第一磨牙區(qū)域的牙槽骨結(jié)構(gòu)模型，并導(dǎo)出頜骨結(jié)構(gòu)STL文件。

1.2 種植體幾何模型CT重建

對(duì)頜骨結(jié)構(gòu)STL文件進(jìn)行曲面擬合和光順處理，分別重建基臺(tái)與種植體頸部連接處有緩沖層和無(wú)緩沖層2種模型，形成頜骨結(jié)構(gòu)三維實(shí)體幾何模型。參考文獻(xiàn)4和文獻(xiàn)5中種植體的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，通過SolidWorks軟件對(duì)種植體、中央螺栓、基臺(tái)與種植體之間的緩沖層、基臺(tái)、第一磨牙的牙冠進(jìn)行三維建模，并與下頜骨的皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨進(jìn)行布爾運(yùn)算，其中皮質(zhì)骨厚度設(shè)置為2 mm，基臺(tái)與種植體之間的緩沖層厚度設(shè)置為0.5 mm（在有限元軟件中建立2D面結(jié)構(gòu)，相關(guān)材料參數(shù)直接輸入，單元屬性定義為2D-shell單元，厚度設(shè)為0.5 mm）；種植體尺寸設(shè)置為長(zhǎng)9 mm、外徑3.6 mm、內(nèi)徑2 mm，將逆向處理好的下頜骨皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、第一磨牙牙冠、種植體、基臺(tái)、中央螺栓、緩沖層等結(jié)構(gòu)形成三維幾何實(shí)體模型，并導(dǎo)入MSC.Patran軟件中（圖1～3）。

圖 1 整體幾何模型Fig 1 The global geometric model

圖 2 第一磨牙處下頜骨及牙冠幾何模型Fig 2 Geometric model of the mandibular groove bone and crown of the first molar

圖 3 種植體三維幾何實(shí)體模型Fig 3 3D geometric solid model of implant

1.3 網(wǎng)格劃分

模型網(wǎng)格劃分情況：種植體、頜骨等實(shí)體結(jié)構(gòu)均采用實(shí)體單元網(wǎng)格，共計(jì)85 155個(gè)節(jié)點(diǎn)、473 144個(gè)網(wǎng)格單元；種植體與牙槽骨之間模擬骨結(jié)合條件，結(jié)構(gòu)間采用綁定連接，確保受力正常傳遞。

1.4 材料參數(shù)的設(shè)定

參考文獻(xiàn)6～8，設(shè)置牙冠、牙槽骨、緩沖層、種植體等各結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)（表1）。

表 1 各結(jié)構(gòu)組織材料參數(shù)Tab 1 Parameters of different structures

1.5 邊界條件的假定

對(duì)種植體有限元模型進(jìn)行邊界約束（圖4）和計(jì)算參數(shù)，定義如下：將牙槽骨底部完全固定約束，將遠(yuǎn)中、近中斷面的法向位移約束，不限制其他方向運(yùn)動(dòng)約束；假定下頜骨結(jié)構(gòu)為各向同性、均勻、連續(xù)的線彈性材料；緩沖層單元類似于硅橡膠特性，定義為超彈性材料；在牙冠處施加動(dòng)態(tài)荷載（垂直向200 N，水平向100 N，45°，沖擊速度44.9 mm·s-1）[3]，作用點(diǎn)位于中央窩處，沿中央螺絲軸線方向施加5 N預(yù)緊力，預(yù)先固定連接種植體系統(tǒng)各個(gè)部件，分別計(jì)算2種不同工況下的種植體、中央螺栓、基臺(tái)的體部和頸部以及下頜骨各部位上受到的應(yīng)力。 2種不同工況分別為：1）基臺(tái)與種植體之間無(wú)緩沖層；2）基臺(tái)與種植體之間有緩沖層。

圖 4 種植體有限元模型邊界約束條件Fig 4 Boundary constraints of finite element model of implant

2 結(jié)果

針對(duì)基臺(tái)有無(wú)緩沖層對(duì)種植體有限元模型進(jìn)行生物力學(xué)有限元仿真模擬，分別得出種植體及下頜骨皮質(zhì)骨等對(duì)應(yīng)的Von Mises等效應(yīng)力云圖，各結(jié)構(gòu)應(yīng)力峰值如表2所示，從表中可見：1）在受到非軸向的力時(shí)，種植體周圍下頜骨應(yīng)力集中在種植體頸部周圍的骨皮質(zhì)，種植體頸部受到的應(yīng)力最大，基臺(tái)應(yīng)力集中在基臺(tái)頸部，中央螺栓應(yīng)力集中在頸部，體部。2）基臺(tái)有緩沖層組在種植體、中央螺栓、基臺(tái)的體部和頸部、以及下頜骨各部位上受到的應(yīng)力均明顯小于基臺(tái)無(wú)緩沖層，應(yīng)力減少了45.6%～54.1%。

表 2 種植體及下頜骨近遠(yuǎn)中、頰舌側(cè)的應(yīng)力峰值Tab 2 The stress peaks of the implant and the distal proximal middle and buccal tongue of the mandibular groove bone

3 討論

3.1 種植體的設(shè)計(jì)

學(xué)者[4-6]研究認(rèn)為，種植體外形為實(shí)心螺紋圓柱形，螺紋頂角為60°時(shí)最有利于應(yīng)力的分布，具有較好的生物力學(xué)相容性。種植體頸部與基臺(tái)連接處為種植體結(jié)構(gòu)中最薄弱的部分，在受到過大應(yīng)力時(shí)，最容易折斷。種植體頸部增加微螺紋可以降低骨界面的應(yīng)力值[7]。種植體長(zhǎng)度的增加不會(huì)減少骨界面應(yīng)力[8]，會(huì)降低周圍骨的骨密度[9]，而種植體直徑的減少會(huì)顯著增加骨界面應(yīng)力。因此，本實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭性谙骂M磨牙區(qū)采用較短長(zhǎng)度、較小直徑的種植體，以期產(chǎn)生較明顯應(yīng)力。

3.2 種植體及頜骨應(yīng)力集中區(qū)域

種植體折斷的臨床病例中，負(fù)荷過大是一個(gè)很重要的誘因，Kinni等[10]通過光彈模型分析，證明種植體底部在軸向負(fù)荷下受到的應(yīng)力最大，而種植體頸部在受到非軸向負(fù)荷時(shí)應(yīng)力最大。本實(shí)驗(yàn)對(duì)修復(fù)體施加垂直向載荷200 N，加載集中于種植體頂部中心，水平向載荷100 N（45°），設(shè)計(jì)施力方向?yàn)榇怪毕蚪Y(jié)合水平向。對(duì)于頜骨，最高的應(yīng)力集中在種植體上部周圍的皮質(zhì)部分[11]，與本研究結(jié)果相同。

3.3 研究方法的選擇

采用CT成像技術(shù)對(duì)下頜骨左側(cè)第一磨牙區(qū)域的頜骨結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維重建，并通過幾何結(jié)構(gòu)建模方法建立種植體、牙冠、緩沖層等結(jié)構(gòu)。采用有限元方法對(duì)兩種工況情況（基臺(tái)無(wú)緩沖層，基臺(tái)有緩沖層）進(jìn)行三維有限元仿真模擬，并定性定量研究分析了種植體及下頜骨近遠(yuǎn)中、頰舌側(cè)對(duì)應(yīng)的Von Mises等效應(yīng)力分布情況，以及相對(duì)基臺(tái)無(wú)緩沖層組對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化情況。

3.4 緩沖層材料的選擇

目前臨床上使用的種植體系統(tǒng)中，種植體與基臺(tái)的連接均為剛性連接，使得牙冠、基臺(tái)受到應(yīng)力后無(wú)緩沖的空間，直接傳導(dǎo)至種植體頸部。高聚合度聚氯乙稀樹脂是指平均聚合度在1 700以上或者其分子間具有輕微交聯(lián)結(jié)構(gòu)的聚氯乙烯樹脂，其中以平均聚合度為2 500最為常見。高聚合度聚氯乙稀樹脂具有多種優(yōu)異的性能，如較高的回彈性、較低的壓縮永久變形、優(yōu)異的耐熱變形性能、較高的拉伸強(qiáng)度、抗撕裂性及耐熱性等，具有熱塑彈性體的性能。高聚合度聚氯乙稀廣泛應(yīng)用于人工椎間盤中髓核的制作，可與金屬結(jié)合，提供良好的緩沖。高聚合度聚氯乙稀在人工椎間盤置換術(shù)中已使用多年，將其用于種植體的緩沖系統(tǒng)，可以兼顧良好的骨結(jié)合和壓力緩沖，形成對(duì)種植體的保護(hù)。

本實(shí)驗(yàn)中在基臺(tái)表面與種植體連接處利用高聚合度聚氯乙稀涂層制造緩沖空間，使得牙冠、基臺(tái)受力后高聚乙烯涂層吸收部分應(yīng)力，從而減少種植體受到的應(yīng)力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，增加了緩沖層后，在上部修復(fù)體受到非軸向的應(yīng)力時(shí)，種植體的體部及頸部受到的應(yīng)力顯著減小，緩沖層的設(shè)計(jì)減輕了種植體的受力。

利益沖突聲明：作者聲明本文無(wú)利益沖突。