李杰森， 林珍香， 吳東， 鄭志強(qiáng)， 林捷

1. 福建醫(yī)科大學(xué)附屬口腔醫(yī)院特診科，福建 福州（350002）； 2. 福建省級機(jī)關(guān)醫(yī)院口腔科，福建 福州（350001）

近年來，隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)輔助制造（computer aided design/computer aided manufac?turing，CAD/CAM）技術(shù)在口腔領(lǐng)域的發(fā)展，氧化鋯、二硅酸鋰玻璃陶瓷等美觀、生物相容性好的全瓷材料得到廣泛推廣，但陶瓷的高脆性和高硬度限制了這類材料的臨床應(yīng)用［1］。相對于傳統(tǒng)全瓷材料，樹脂基陶瓷具有物理性能接近天然牙、加工性能好的優(yōu)點(diǎn)，但相對強(qiáng)度較低［2?3］。本實(shí)驗(yàn)分別選擇二硅酸鋰玻璃陶瓷（IPS e.max CAD）、氧化鋯（Cercon）、樹脂納米陶瓷（Lava Ultimate）和樹脂滲透基質(zhì)玻璃陶瓷（Vita Enamic）進(jìn)行研究，通過有限元分析，比較不同全瓷修復(fù)材料和厚度在種植牙冠修復(fù)的應(yīng)力分布情況，為臨床冠部修復(fù)材料的選擇和設(shè)計(jì)提供參考。

1 材料和方法

1.1 建立二維有限元模型

參考《中國人牙體測量和統(tǒng)計(jì)資料表》數(shù)據(jù)［4］，在有限元軟件ANSYS 10.0（ANSYS，美國）中建立近遠(yuǎn)中向的二維下頜第一磨牙種植牙修復(fù)模型。模型全長20.5 mm，冠高7.5 mm，冠頰舌向?qū)?0.5 mm，基臺穿齦高度2.0 mm，種植體長11.0 mm，種植體頸部寬4.0 mm。分別建立冠修復(fù)體、樹脂水門汀、基臺、種植體、牙槽骨和食團(tuán)結(jié)構(gòu)的有限元模型。如圖1 所示，進(jìn)行6 種冠設(shè)計(jì)，即個(gè)性化基臺（冠修復(fù)體厚1 mm、2 mm、3 mm 和4 mm）和成品基臺（冠修復(fù)體厚3 mm 和4 mm）；共使用4 種不同冠修復(fù)材料：樹脂納米陶瓷（Lava Ultimate，3M，美國）、樹脂滲透基質(zhì)玻璃陶瓷（Vita Enamic，Vita，德國）、二硅酸鋰玻璃陶瓷（IPS e.max CAD，Ivoclar?Vivadent，列支敦士登）和氧化鋯陶瓷（Cercon，Dent?sply，美國），有24 種組合。個(gè)性化基臺設(shè)計(jì)成牙體解剖縮小形態(tài)，成品基臺設(shè)計(jì)成接近圓柱形態(tài)，基臺保持6～8°聚合角，設(shè)計(jì)深凹面（deep chamfer）形肩臺，寬度隨冠厚度變化。個(gè)性化基臺的牙冠厚度指在牙尖斜面和軸面的厚度，成品基臺指在軸面的厚度，在肩臺和牙尖處隨牙體形態(tài)和基臺種類有所減少和增加，但不同厚度組間區(qū)別明顯。樹脂水門汀厚度設(shè)定為0.08～0.10 mm［3］。牙槽骨設(shè)定為力學(xué)性質(zhì)良好的Ⅱ類骨。假設(shè)修復(fù)體、樹脂水門汀、基臺界面完全粘接，種植體和牙槽骨完全骨整合。

1.2 材料性質(zhì)，邊界條件及加載載荷

表1 中列出有限元分析實(shí)驗(yàn)所用的材料性質(zhì)［5?9］，分析中的材料均被假設(shè)為等方、同質(zhì)和線彈性的材料。圖1 中顯示分析用模型的幾何情況。應(yīng)用有限元分析軟件ANSYS 10.0 在計(jì)算機(jī)上劃分二維四節(jié)點(diǎn)的四邊形結(jié)構(gòu)單元（PLANE42），這種單元的每個(gè)節(jié)點(diǎn)在平面內(nèi)分別有2 個(gè)自由度。將牙槽骨底部和兩側(cè)節(jié)點(diǎn)的水平和垂直方向自由度進(jìn)行剛性約束。在下頜第一磨牙面食團(tuán)上沿牙體長軸齦向加載600 N 均布荷載，以模擬最大咬合力［6］，加載方式為靜態(tài)加載。使用有限元軟件ANSYS 10.0 分析應(yīng)力分布，評估最大主應(yīng)力。

表1 材料性質(zhì)Table 1 Material properties

2 結(jié) 果

Figure 1 The stress loading model and six crown designs in this experiment圖1 本實(shí)驗(yàn)中使用的應(yīng)力加載模型與6 種冠設(shè)計(jì)

最大主應(yīng)力有限元分析結(jié)果見表2，冠部應(yīng)力分析顯示，4 mm?Cercon 個(gè)性化基臺組156.05 MPa最高，1 mm?Lava Ultimate 個(gè)性化基臺組18.85 MPa最低；隨著冠厚度的增加，Lava Ultimate 組、Vita En?amic 組和IPS e.max CAD 組的冠修復(fù)體應(yīng)力均呈上升趨勢。樹脂水門汀應(yīng)力分析顯示，4 mm?Lava Ul?timate 個(gè)性化基臺組62.52 MPa 最高，1 mm?IPS e.max CAD 個(gè)性化基臺組16.74 MPa 最低，各材料樹脂水門汀中的應(yīng)力均呈上升趨勢?；_應(yīng)力分析顯示，4 mm?Lava Ultimate 個(gè)性化基臺組187.22 MPa最高，2 mm?Cercon 個(gè)性化基臺組49.14 MPa 最低。各材料組的種植體的應(yīng)力均呈下降趨勢。使用成品基臺時(shí)，Lava Ultimate 組在冠修復(fù)體、樹脂水門汀中的應(yīng)力集中較相同冠厚度的個(gè)性化基臺高。周圍牙槽骨中的應(yīng)力在41.06～41.11 MPa范圍，變化較小。

最大主應(yīng)力云圖見圖2，由圖可知，冠厚度從1 mm 到4 mm，各材料組的冠部高應(yīng)力區(qū)逐漸增大，基臺高應(yīng)力逐漸減少；當(dāng)冠厚度為4 mm 時(shí)，各組均可見基臺高應(yīng)力區(qū)轉(zhuǎn)移到肩臺處。

3 討 論

雖然下頜第一磨牙種植冠部修復(fù)本身是三維結(jié)構(gòu)，但其主要特點(diǎn)在近遠(yuǎn)中向的二維模型中可以反映。二維平面模型與三維立體模型比較，雖在結(jié)構(gòu)完整性方面有不足，但也有自身的優(yōu)勢，如建模快速簡單、誤差可控、易于發(fā)現(xiàn)問題本質(zhì)等［10］。三維模型分網(wǎng)所采用的四面體單元在精確性上不及平面的四邊形單元，如在解析樹脂水門汀等菲薄結(jié)構(gòu)上，會劃分出角度極小的單元，使有限元計(jì)算結(jié)果的精確性受到影響［11］。由于冠部應(yīng)力是主要觀察指標(biāo)之一，本實(shí)驗(yàn)參照Ausiello 等［12］和Dal Piva 等［6］方法，在下頜第一磨牙面食團(tuán)上齦向加載600 N 模擬最大咬合力，食團(tuán)加載避免了直接在牙冠上進(jìn)行點(diǎn)狀加載時(shí)發(fā)生的局部應(yīng)力集中，有利于對有限元分析結(jié)果的判讀。

表2 不同全瓷材料和厚度的種植牙冠最大主應(yīng)力Table 2 Maximum principal stress value of dental implant crown with different all?ceramic materials and thickness MPa

Figure 2 Distribution of the maximum principal stress of dental implant crown with different all?ceramic materials and thickness圖2 不同全瓷材料和厚度的種植牙冠最大主應(yīng)力分布云圖

在CAD/CAM 加工中小于1 mm 的冠切割容易折裂，在磨牙冠留出中央螺絲孔和基臺空間后，大于4 mm 的冠厚度較為少見，因此本實(shí)驗(yàn)從1 mm 到4 mm 范圍進(jìn)行評價(jià)。臨床中成品基臺多為圓柱或圓臺形狀，粗細(xì)一定程度可調(diào)，咬合面為平面，不具備個(gè)性化基臺的牙體縮小形態(tài)，因此設(shè)計(jì)為只調(diào)節(jié)軸面的厚度，以反映其特點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，Lava Ultimate 組的應(yīng)力主要在基臺集中，而Cer?con 組的應(yīng)力主要在冠修復(fù)體集中，而且冠越厚越容易集中。臨床上使用較厚的氧化鋯冠和內(nèi)核很小的基臺組合很少發(fā)生冠折裂，主要由于氧化鋯的強(qiáng)度高。但在使用強(qiáng)度較低的樹脂基陶瓷材料時(shí)，需要控制冠的厚度，否則可能會導(dǎo)致冠的折裂失敗。這和金屬烤瓷的飾瓷與底層冠的關(guān)系類似，強(qiáng)度較低的表層要有強(qiáng)度高的內(nèi)核支撐，表層材料過厚容易崩裂，過薄易產(chǎn)生磨損和顏色不佳的問題。

種植牙冠部修復(fù)和天然牙冠不同之處在于，種植冠部修復(fù)使用鈦等較硬的基臺內(nèi)核，較天然牙的牙體內(nèi)核彈性模量大，在應(yīng)力分布上更容易向鈦基臺集中，這有利于使用樹脂基陶瓷冠部修復(fù)。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見Lava Ultimate 組、Vita Enamic組冠部修復(fù)體的應(yīng)力集中較Cercon 組低，特別是較薄的1 mm 組，而樹脂水門汀中的應(yīng)力集中較氧化鋯高，修復(fù)成功的關(guān)鍵在于粘接。Peumans 等［13］和Stawarczyk 等［14］的研究結(jié)果表明，樹脂水門汀與樹脂基陶瓷成分近似，兩者之間更易于形成化學(xué)結(jié)合。IPS e.max CAD 組樹脂水門汀中應(yīng)力集中最低，且二硅酸鋰玻璃陶瓷粘接性能較好，在種植體冠修復(fù)的應(yīng)用有待臨床檢驗(yàn)。樹脂基陶瓷在用成品基臺時(shí)，冠和樹脂水門汀中的應(yīng)力集中較個(gè)性化基臺高。3 mm?Lava Ultimate 成品基臺的樹脂水門汀應(yīng)力為68.18 MPa，為樹脂水門汀中最高的。Ausiello 等［12］使用冠厚度6 mm，聚合角6°的成品基臺時(shí)，氧化鋯的抗折力約為Lava Ultimate 的3 倍。較細(xì)而尖的成品基臺容易造成基臺尖端的應(yīng)力集中，因此樹脂基陶瓷材料在種植牙冠修復(fù)時(shí)使用個(gè)性化基臺有利于應(yīng)力分散。種植牙沒有牙周膜，咬合時(shí)位置變化很小。當(dāng)對磨牙也為種植修復(fù)體時(shí)，如果上下都采用氧化鋯這類堅(jiān)硬的材料進(jìn)行冠部修復(fù)，對種植體穩(wěn)定可能產(chǎn)生影響。此外，天然牙存在生理性磨耗，而氧化鋯材料的強(qiáng)度高，磨耗較少；如果上下對種植牙均采用氧化鋯冠修復(fù)，長期使用天然牙磨耗之后，容易形成高點(diǎn)，發(fā)生種植牙的創(chuàng)傷。

綜上，樹脂基陶瓷材料在種植牙冠修復(fù)時(shí)使用個(gè)性化基臺有利于減少應(yīng)力集中。此外，本實(shí)驗(yàn)為靜態(tài)力學(xué)的有限元分析，實(shí)驗(yàn)中周圍牙槽骨中的應(yīng)力幾乎沒有變化，因此動(dòng)態(tài)沖擊對種植體以及周圍骨的影響還有待進(jìn)一步研究。

【Author contributions】Li JS performed the experiments and wrote the article. Lin ZX designed the study. Wu D and Zheng ZQ revised the article. Lin J designed the study, performed the experiments and re?viewed the article. All authors read and approved the final manuscript as submitted.