左艷萍, 汪永躍, 王 榮, 劉 寧, 傅云婷, 周 穎

(1.西安醫(yī)學院 口腔醫(yī)學院, 陜西 西安, 710021; 2.四川大學華西口腔醫(yī)院 種植科, 四川 成都, 610041;3.河北工業(yè)大學 省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點實驗室, 天津, 300401;4.廣東省深圳市龍崗區(qū)耳鼻咽喉醫(yī)院 口腔科, 廣東 深圳, 518172;5.四川省成飛醫(yī)院 口腔科, 四川 成都, 610091)

種植窩的骨結構是種植義齒成功的關鍵因素，臨床種植手術前醫(yī)生需對患者種植位點的骨質、骨量進行評估。骨擠壓技術是指在種植備洞過程中，使用由細到粗的骨擠壓器對種植窩骨壁進行逐級擠壓，利用松質骨的彈性增加種植窩直徑和骨質密度，最終使種植體順利植入的方法。臨床實踐[1-2]結果已證實，骨擠壓技術可有效提高種植體初期穩(wěn)定性。臨床種植體骨擠壓技術主要包括敲擊擠壓法和螺旋擠壓法，本研究通過動物實驗和有限元研究分析了敲擊擠壓法和螺旋擠壓法植入種植體的生物力學性能，現(xiàn)報告如下。

1 材料與方法

1.1 實驗材料和設備

螺紋錐狀鈦合金種植體(直徑4.2 mm, 長度8.0 mm), 自行設計的敲擊擠壓器、螺旋擠壓器及扳手(不銹鋼合金)，萬能材料試驗機, ANSYS建模軟件等。

1.2 動物實驗方法

1.2.1 種植體植入: 選擇普通成年雜種犬12只，體質量7～12 kg, 適應性飼養(yǎng)1周后進行實驗。在犬雙側股骨髁部位各預備1個種植體窩，隨機分別納入敲擊擠壓組和螺旋擠壓組，常規(guī)備洞后，用自行設計的2種骨擠壓器分別對2個種植窩進行逐級擠壓，擠壓程度為1.2 mm, 最后分別植入1枚螺紋狀鈦合金種植體(直徑4.2 mm, 長度8.0 mm)。

1.2.2 種植體推出實驗: 術后1、2、4、12周各處死實驗犬3只。取出種植體所在骨段，以生理鹽水沖洗，浸泡于固定液中。應用Trophy數(shù)碼高頻牙片機對樣本進行攝片。去除種植體下方骨質，暴露種植體底端，將含種植體的骨塊固定于萬能材料試驗機上進行種植體推出實驗，以2 mm/min的加載速度將種植體推出，推出方向與種植體長軸方向一致，記錄種植體開始松動時的最大力值，計算剪切強度。

1.3 有限元建模方法

1.3.1 種植體、擠壓器、骨塊設計: 種植體的設計參照臨床常見種植體系統(tǒng)，包括基臺及上部結構即牙冠部分。種植體為根形螺紋種植體，尺寸為直徑4.0 mm(頸部)、3.3 mm(尖端)，長度10.0 mm, 螺紋間距0.5 mm, 螺紋深度0.5 mm; 骨塊寬14.0 mm, 深20.0 mm。根據(jù)不同擠壓方式，分別設計敲擊擠壓器及螺旋擠壓器的工作端。

1.3.2 基本模型生成: 根據(jù)上述尺寸，應用ANSYS建模軟件繪制出螺紋型種植體，頜骨局部骨塊三維立體幾何模型，在骨塊中分別繪制出與2種擠壓器形態(tài)匹配的種植窩，設置材料力學參數(shù)(表1)。模型中的種植體、骨組織都假設為連續(xù)、均質和各項同性的線彈性材料。界面處2種材料在外力作用下可以發(fā)生相對運動，界面可傳遞壓力，不能傳遞拉應力，摩擦系數(shù)0.3, 局部骨塊側向及底面給予固定約束。

表1 材料力學參數(shù)表

1.3.3 敲擊擠壓有限元模型的建立: 對種植窩骨壁的擠壓使得種植窩骨壁剛度增加，因此設計種植體周骨質的彈性模量呈梯度變化。松質骨周邊的彈性模量以每層5 MPa的梯度增加，共設置5層，其中松質骨的彈性模量為1 370 MPa, 彈性模量隨著擠壓程度的增高而增大，因此與種植體接觸處的松質骨彈性模量為1 395 MPa。網(wǎng)格單元采用PLANE183, 種植體附近進行了網(wǎng)格加密。為避免種植體形態(tài)差異的影響，在種植窩壁施加與種植體螺紋螺距、螺紋深度相似的位移約束，即分別施加0.5 mm的位移約束。

1.3.4 螺旋擠壓有限元模型的建立: 模擬螺旋擠壓的特點，可直接將模型中種植體周骨質建立成螺紋狀。同樣設計種植體周骨質的彈性模量呈梯度變化，模型彈性模量的處理方式與前述植入方式相同，網(wǎng)格單元采用PLANE183。

1.3.5 應力加載及有限元計算分析: 對2種擠壓植入方式的種植體上部結構(牙冠部分)施加水平方向側向力200 N(圖1), 并用ANSYS軟件進行有限元計算分析。

A: 敲擊擠壓; B: 螺旋擠壓。

2 結 果

2.1 種植體推出實驗

X線影像結果顯示，種植體與松質骨接觸情況良好，無炎癥性陰影區(qū)(圖2), 2組松質骨影像無顯著差異。種植體推出實驗結果顯示，螺旋擠壓組術后1、2周時的剪切強度高于敲擊擠壓組，差異有統(tǒng)計學意義(P<0.05); 術后4、12周時，螺旋擠壓組的剪切強度均高于敲擊擠壓組，但差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)。見表2。

表2 不同擠壓方式植入種植體的剪切強度比較 MPa

A: 術后1周; B: 術后2周; C: 術后4周; D: 術后12周。

2.2 有限元分析

總位移云圖中，種植義齒中不同顏色代表不同位移量，右側顏色指示條表示從深藍色到紅色位移量逐漸增大，可以看出在側向力的作用下，敲擊擠壓和螺旋擠壓植入的種植體的最大位移均在種植體頸部及根尖部，見圖3。選取牙冠左上角相同位置的節(jié)點進行比較，發(fā)現(xiàn)在相同側向力的作用下，敲擊擠壓植入種植體的位移量小于螺旋擠壓植入種植體，位移結果見表3。

A: 敲擊擠壓; B: 螺旋擠壓。

表3 不同擠壓方法相同節(jié)點處的位移結果比較

3 討 論

SUMMERS R B[3]于1994年率先提出骨擠壓技術，即在種植手術備洞過程中，當種植區(qū)牙槽骨密度較低時(尤其是骨質疏松患者)，為避免常規(guī)鉆骨造成的骨量損失，使用不同規(guī)格的骨擠壓器對種植窩進行逐級擠壓，通過擠壓作用力和松質骨的彈性擴大種植窩，同時增加種植窩周骨質密度，使種植體順利植入。另外，骨擠壓備洞技術可產生很多細小的骨碎片，其被壓進骨小梁之間的空隙，也相當于一種自體骨移植，減少了備洞過程中的骨量喪失。大量研究[1-2, 4-5]證實該技術能夠提高種植窩的骨組織密度，改善種植體的初期穩(wěn)定性，提高種植體骨結合率，為種植義齒提前負重甚至即刻負重創(chuàng)造了有利條件。

骨擠壓技術常被應用于骨擠壓、上頜竇底提升、牙槽骨增寬等臨床手術中，目的是為了改善種植床的骨質、骨量，提升種植體穩(wěn)定性，目前在口腔臨床種植手術中已得到全面應用。螺旋式和敲擊式骨擠壓器都能在一定程度上達到骨擠壓的效果，其中敲擊擠壓方式多用于上頜竇提升并實現(xiàn)松質骨擠壓的患者，螺旋擠壓方式多用于常規(guī)種植擠壓植入手術患者。多項基礎及臨床研究[6-9]均證實了擠壓技術提高種植體初期穩(wěn)定性的作用，本研究在此基礎上對2種擠壓方式進行比較，通過建立動物模型及有限元模型，探究2種擠壓方式對抗垂直和水平方向應力之間的差異。以往關于口腔生物力學的有限元研究[10-11]常采用磨片、切片、三維測量、CT掃描等方式建立三維有限元模型。本研究的主要目的是比較2種不同擠壓方式的生物力學差異，加之考慮到種植體及周圍骨質在結構上的對稱性特點，因此利用ANSYS軟件繪制平面式二維圖形，建立二維的有限元模型，將復雜問題簡單化。種植義齒在口腔行使功能的實際情況中，應力方向是復雜多樣化的，二維有限元模型的結果還需要三維有限元模型進一步驗證，希望本實驗能夠為后續(xù)臨床及基礎相關研究提供思路。

由于下頜骨骨質致密彈性小，骨擠壓技術用于下頜骨種植體手術時需要特別謹慎。另外，在上頜骨使用骨擠壓技術時也要注意控制擠壓力的力度，避免擠壓力過大超過松質骨生理限度而引起松質骨骨小梁的微小骨折。因此，在種植骨擠壓備洞過程中，醫(yī)師豐富的臨床經驗以及良好的手感是非常重要的。在敲擊擠壓過程中，骨錘敲擊擠壓器的力度應均勻，避免因力量過大產生過大壓力和過多熱量而造成骨小梁的斷裂或骨質的吸收，同時由于個體差異的存在，初期穩(wěn)定性與種植窩松質骨的擠壓程度并不一定呈正相關。BEER A等[12]發(fā)現(xiàn)，由于基礎骨密度的個體差異，種植體初期穩(wěn)定性與擠壓程度并不呈正相關，且與患者自身骨質的礦化程度有一定相關性。此外，臨床還要注意減小骨擠壓后種植窩與種植體的直徑差，從而減少術后骨吸收的發(fā)生，促進種植體骨結合[13]。

下頜行使功能過程中的運動方向和形式是復雜多樣的，咀嚼運動也是各方向上的復雜的綜合運動，在此過程中牙齒受到的應力在位置、大小和方向上是動態(tài)多變的。目前臨床缺少公認的動態(tài)載荷相關數(shù)學模型和參數(shù)，靜態(tài)載荷是有限元分析的常用方法，即在研究模型的某一部位加載應力，其位置、大小、方向不隨時間變化而變化。不管是種植義齒還是天然牙，其承受垂直向咬合力的能力是最強的，而承受側向力的能力是最弱的。本研究通過建立有限元靜態(tài)模型比較了2種不同擠壓方式植入的種植體承受水平向外力后的生物力學特征，為了避免不同牙位牙體形態(tài)(包括軸面弧度、牙尖高度、牙尖斜度等)對應力分布的影響，建模時將牙體形態(tài)簡化，并統(tǒng)一選擇受力的位置為軸面，同時參考正常人群實際咀嚼力(10～23 kg), 選擇200 N作為應力加載量，以期為下一步更加真實地模擬口腔功能運動的動態(tài)有限元分析提供一定參考依據(jù)。

綜上所述，螺旋擠壓在對抗垂直力方面優(yōu)于敲擊擠壓，敲擊擠壓在對抗側向力方面優(yōu)于螺旋擠壓。由于實驗研究與臨床實際工作存在不可避免的差異，臨床工作中應根據(jù)患者實際骨質情況設計擠壓方式、擠壓程度等，并通過合理使用擠壓工具以及標準嫻熟的操作手法來實現(xiàn)骨擠壓技術在提高種植體初期穩(wěn)定性方面的作用。