陳志宇 郭曉陽 付藝璇 袁碩 仇亞非

上前牙常因外傷、齲齒等原因導致牙體組織的嚴重缺損，經(jīng)根管治療后一般需采用樁核冠恢復外形與功能。樁核可以預成形或者個性化制作。預成樁加樹脂核可以在椅旁即刻完成，效率高，但與根管形態(tài)匹配度差，失敗率較高[1-2]。個性化樁核與根管形態(tài)匹配度高，應力分布更均勻，是更合理的樁核形式[3]。樁核修復體應滿足機械強度好、生物安全性高、制作便利等條件。臨床常用的鑄造金屬樁核，彈性模量明顯高于牙體組織，有研究認為使用彈性模量較高的樁核材料，力由樁核承擔后會使牙本質(zhì)所受的應力峰值降低[4]。但也有學者認為高彈性模量的樁核有導致根折的風險，應選擇彈性模量與牙本質(zhì)接近的材料，更有利于應力分布[5-6]。

三維有限元法應力分析法高效、準確，是生物力學研究中的重要方法，大大降低了實驗成本[7]。本研究擬采用三維有限元分析法，使用軟件建立不同程度的牙體缺損模型，從力學角度分析不同彈性模量的樁核材料制作個性化樁核，修復上頜中切牙后牙體組織的Von Mises應力和最大主應力分布情況，為臨床應用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 原始數(shù)據(jù)獲取

選擇1 顆需要拔除的完整的上頜中切牙，測量其臨床冠長10 mm，根長12.5 mm、牙冠寬度8 mm，符合王惠蕓測量的標準上頜中切牙的均值[8]，去除表面周圍牙周膜及牙石，保證牙齒結構完整。

1.2 建立模型步驟

1.2.1 建模設備及軟件 Kavo CBCT(Kavo 3D eXam，德國)；Mimics 15(Materialise 公司，比利時)；Iamgware 13.0(EDS公司，美國)；3D Viewer(微軟公司，美國)；Geomagic studio12.0(Raindrop Company，美國)；Pro/Engineer 5.0(Parametric Technology Corporation，美國);Ansys Workbench 18.0(ANSYS公司，美國)。

1.2.2 三維模型獲取 將完整的離體中切牙固定，進行CBCT掃描，掃描層厚0.125 mm，共獲得180 個斷面層。將DICOM數(shù)據(jù)導入3D Viewer軟件，設置視圖方向。分別定義矢狀面、冠狀面和橫截面，將DICOM數(shù)據(jù)有序排放。利用專業(yè)影像處理軟件Mimics，將得到的離體牙數(shù)據(jù)與實驗室存儲的上頜骨CBCT掃描數(shù)據(jù)進行拼接，確定中切牙的合理位置后組合成單個三維模型。在界面中可以得到包括牙齒等組織和背景在內(nèi)的灰度圖像，通過對圖像進行預處理，提高其分辨率和平滑度。特別針對頜骨骨髓腔，需要去除其內(nèi)部的不連續(xù)區(qū)域，利用選擇工具進行骨髓腔規(guī)則化處理。根據(jù)不同密度的組織在圖像上的灰度值不同，應用“Thresholding”命令，設置相應灰度閾值區(qū)間，提取頜骨、牙齒等組織。此時模型有很多偽影、破洞和噪音，利用軟件的自提取功能和擦除充填功能，逐層提高組織影像質(zhì)量。得到牙齒等組織的粗糙模型，保存為STL文件格式。

1.2.3 曲面擬合及模型建立階段 將.STL文件導入Iamgware，利用工業(yè)軟件Iamgware可以對導出的數(shù)據(jù)進行三角面片細分，降噪，光順化處理，并通過精確曲面等過程對其進行曲面化，最終形成上頜骨前段以及上前牙的三維實體模型，以利于后續(xù)的處理以及有限元模型建立及分析。

1.2.4 牙周膜三維模型的建立 在建立上前牙及上頜骨前端模型的基礎上，進一步來構建牙周膜模型。在Iamgware中將建成的牙齒模型進行偏移，偏移量設為0.2 mm，把得到的牙齒牙周膜模型進行曲面重構生成實體模型，導入ANSYS，通過與牙槽骨進行布爾運算，得到牙周膜模型。

1.2.5 模型組裝 導出三維模型數(shù)據(jù)，格式為.stp，導入Pro/Engineer 5.0中進行模型組裝，建立上頜中切牙牙根、樁核、全冠及牙周膜、牙槽骨模型(圖 1)。

1.2.6 材料參數(shù) 見表 1。

圖 1 3D模型組裝

Tab 1 Material parameter

圖 2 3D有限元計算模型

1.2.7 邊界約束和載荷參數(shù) 采用Ansys Workbench軟件的自適應網(wǎng)格技術對各結構進行三維網(wǎng)格劃分，均劃分成四面體實體單元網(wǎng)格，共計207 847 個節(jié)點(Nodes)、119 173 個單元(Tet4 Elements)(圖 2)，各體之間按共節(jié)點處理，以保證受力的正常合理傳遞。模型中假設各材料是連續(xù)、均勻一致、各向同性的線彈性材料。邊界約束條件為牙槽骨底部完全約束。模擬臨床正常咬合情況，在上頜中切牙舌側切1/3與中1/3交界處，與牙體長軸成45°切齦向加載，載荷量為100 N，加載方式為靜態(tài)加載。

1.2.8 模型分組 根據(jù)有無牙本質(zhì)肩領分為2 mm高的有牙本質(zhì)肩領和平齊根面的無牙本質(zhì)肩領組，再根據(jù)不同樁核材料分為3 個亞組：纖維增強樹脂樁核，鑄造金合金和純鈦金屬。

1.2.9 觀察指標 牙本質(zhì)的Von Mises應力與最大主應力。

2 結 果

實驗結果顯示，當冠部受到100 N力45°方向加載時，無論有無牙本質(zhì)肩領的存在，使用不同樁核材料修復后，剩余牙體牙本質(zhì)的Von Mises應力和最大主應力分布情況基本一致，牙本質(zhì)的Von Mises應力和最大主應力集中在牙本質(zhì)頸部區(qū)域和頰側根中1/3區(qū)(圖3)。有肩領的玻璃纖維增強樹脂組在牙本質(zhì)的Von Mises應力和最大主應力稍大于另兩組，但沒有明顯差距。無肩領的玻璃纖維增強樹脂組的Von Mises應力在牙本質(zhì)分布稍大于其他兩組，但沒有明顯差距(表 2)。玻璃纖維增強樹脂組的最大主應力小于其他兩組。可見有無牙本質(zhì)肩領對應力分布范圍的影響不大，只是有肩領組的應力明顯小于無肩領組。

表 2 牙本質(zhì)應力峰值

圖 3 3 種樁核加載后 Von-mises 應力和最大主應力分布

3 討 論

目前臨床可用的個性化樁核材料有金屬、瓷與纖維增強樹脂等。全瓷樁如氧化鋯樁、玻璃陶瓷樁折斷風險較高，且折斷后難以去除。非貴金屬樁核對核磁共振檢查影響大，生物安全性較差，因此這兩類材料臨床較少選用。金合金、純鈦以及纖維增強樹脂材料具有合適的強度和生物安全性，是理想的樁核材料。純鈦金屬、鑄造金合金樁核因抗折強度較好，可以用來修復嚴重缺損患牙[9]。劉鵬等[2]指出一體化纖維樁的抗折性能相當于鑄造金合金樁核。不同樁核材料其彈性模量不同，導致不同的應力分布和修復效果，樁核材料對修復系統(tǒng)應力的影響主要與材料和牙本質(zhì)之間的彈性模量大小有關[10]。本研究旨在通過三維有限元分析法對樁核修復后牙本質(zhì)進行應力分析，以期指導樁核應用于臨床后獲得最佳修復效果。

本實驗中，無論有無牙本質(zhì)肩領的存在，玻璃纖維增強樹脂組、純鈦金屬和鑄造金合金組的牙本質(zhì)Von Mises應力和最大主應力分布范圍顯示基本一致，集中位于頰側根中1/3區(qū)與根尖1/3區(qū)。一體化纖維樁與金屬樁核對牙本質(zhì)應力分布影響基本一致。可見一體化纖維樁可以作為金屬樁核的替代使用。與劉鵬[2]觀點一致。本實驗得出玻璃纖維樁核樹脂組的牙本質(zhì)Von Mises應力稍大于其他兩組金屬樁。Haneef等[11]研究得出纖維樁彈性模量接近牙體組織，牙本質(zhì)與樁核界面應力小，因此對牙體組織的損傷小。李群等[12]研究得出高彈性模量材料會將應力更多的傳導給牙體組織并會發(fā)生折裂，低彈性模量的纖維樁降低了牙根折斷的風險[13]，卻可能會導致脫粘接，這是因為預成纖維樁與根管牙本質(zhì)摩擦力弱，粘接層過厚導致的。一體化纖維樁彌補預成樁直徑小的缺點，并且樁核一體使應力更均勻分布。本研究中3 種樁核材料的最大主應力值的大小也無顯著差距，臨床上均可使用，并且以往研究得出一體化纖維樁核折斷后與金屬樁核一樣無再修復的可能性[14]。二者區(qū)別可能只是遠期存留率不同，臨床上不同牙位不同力作用下均有影響。最近的研究得出金屬樁抗折性能優(yōu)于纖維樁[15]。以往系統(tǒng)性回顧研究得出，纖維樁核與金屬樁核的存活率相似[16]。

牙本質(zhì)肩領是保護剩余牙體組織抗力的重要結構。此次實驗表明牙本質(zhì)肩領存在時，不論使用哪種樁核材料修復，牙本質(zhì)應力均小于無肩領組。這與以往力學研究結果一致[17]，說明肩領的存在可以減小牙本質(zhì)應力的作用明顯。Naumann等[18]研究證明，剩余牙體受力是否發(fā)生折斷是取決于剩余牙體組織的多少，而非樁核材料的彈性模量。有肩領組3 種樁核材料修復后的牙體組織最大主應力值幾乎無差異，這與Zicari等[19]觀點一致，只要牙本質(zhì)肩領存在，無論是否使用樁修復，牙體組織的抗折性能都有一定保障。最新研究也表明了，只要牙本質(zhì)肩領存在，剩余牙體多少并不會對牙體抗折性產(chǎn)生很大影響[15]。宋亮等[20]提出當缺損區(qū)無牙本質(zhì)肩領時，臨床上要避免使用纖維樁樹脂核修復。臨床上經(jīng)常需要通過增加牙本質(zhì)肩領的高度來提高纖維樁樹脂核修復的安全性，對于冠部牙體組織嚴重不足的患牙，可通過牙冠延長術或正畸牽引術增加冠方牙本質(zhì)，以重新獲得牙本質(zhì)肩領來提高牙齒對側向力的抵抗能力[21]，提高遠期修復效果[22]。

本實驗為靜態(tài)加載，不能完全模擬口內(nèi)功能狀況，在100 N的舌側力條件下，無肩領組的最大值也在牙體承受范圍內(nèi)，不會導致根折。但仍可認為牙本質(zhì)肩領的存在減小了應力峰值，有利于提高牙齒抗折性。臨床上樁核的選擇受到多種因素的影響，本實驗僅能提供部分參考，有待進一步完善。

4 結 論

牙本質(zhì)肩領存在與否對3 種個性化樁核應力分布范圍的影響不大，一體化纖維樁卻有著很好的美觀性，于美學區(qū)牙根的保留來說，具有重要臨床意義。牙本質(zhì)肩領組牙根的 Von-Mises 應力和最大主應力峰值均有減小，利于減少牙根折斷。