紀偉民 梁景球 鄧偉濤 林偉軒 方志炯

肇慶學院機械與汽車工程學院 廣東肇慶 526061

一、介紹

1950年瑞典科學家Branemark于實驗中偶然地發(fā)現(xiàn)鈦金屬可以和骨質細胞結合。學者Branemark將這個發(fā)現(xiàn)應用于缺牙的患者而創(chuàng)立了“骨整合人工植牙”，因此Branemark system成為世界上第一個牙種植體系統(tǒng)，為人工植牙手術奠定了基礎。牙種植體主要結構包含：(1)植入體(fixture)、(2)基臺(abutment)、(3)牙冠(crown)三大部分。其構造如下：

(1)植入體：材料為鈦金屬，植入于齒槽骨中，與骨頭有良好的結合性，以提供咬合時之穩(wěn)定性。市售的植入體通過表面處理(surface treatment)、幾何形狀的設計等，達到更良好的骨整合。

(2)基臺：為連接植入體及牙冠的橋梁，主要設計目的是為了使基臺與植入體達到密封，避免產生感染。

(3)牙冠：覆蓋于基臺之上，為提供食物咀嚼的覆蓋材料。

基臺結構則可分為外部連接、內部連接及錐度連接方式。外部連接是指基臺包在植入體外面，受到側向力的時候很容易受彎曲而翹起，造成松脫而產生微細縫(microgap)；內部連接則是利用連接螺釘將基臺鎖入植入體內；錐度連接則是預先施加基臺軸向力讓基臺的金屬表面跟植入體的金屬表面產生相變，達到所謂冷焊接(cold-welting)的效果，讓基臺表面跟植入體表面幾乎接合在一起，可以避免外界異物滲入造成內部細菌滋生。微間隙引起種植體-基臺的相對微磨損和微位移稱為微運動，從而使細菌繁殖并擴散，最后導致種植體頸部周圍的骨質流失和周邊組織發(fā)炎?；_與植入體采用錐度連接方式可有效避免兩者接觸產生之微間隙，且接觸表面應力與尺寸配合對于植入體力學性能息息相關，因此植入體與基臺外形、尺寸配合的不恰當可能造成種植體系統(tǒng)的失效破壞。本研究基于有限元素法，采用Astra 22821型號為模型，以錐度配合連接牙種植體內部結構；施加咬合力負載，借由基臺材料、錐度和接觸面尺寸變化，觀察基臺錐體接觸面的微運動量、探求基臺—植入體連接部位密合的情形及材料和設計變量的選擇依據。

二、理論與方法

基臺和植入體交界面的可靠性和穩(wěn)定性對一個牙種植體長期成功的評價扮演著重要的角色。錐度過盈配合(tapered interference fits)在基臺和植入體之間提供一個可靠的連接方法。錐度過盈配合是在基臺—植入體連接面配合區(qū)域中產生接觸壓力，并借此產生摩擦阻力以提供牢固的連接；如圖1所示，錐度為

θ

、過盈配合

δ

、接觸面長度

L

、植入體內槽深度

L

。

圖1 植入體和基臺過盈配合示意圖

本研究以Astra(Astra Implant Ref.No 22821)為范型，植入體直徑為5.4mm、骨內植入體長度8.6mm，該牙種植體系統(tǒng)由植入體、基臺、連接螺釘組合而成，研究的設計參數有三，分別是兩種基臺材料鈦合金(TiAlV)和純鈦(C.P.Grade 4 Ti)，植入體頸部接觸面錐度、接觸面尺寸，固定參數的是植入體直徑與長度，分析這三者對基臺—植入體接觸面的相對微運動的影響。其錐度(見圖1中

θ

)變化為3°、6°、9°、10°、12°，接觸面長度(見圖1中

L

)有四個尺寸：3.5mm、3.0mm、2.5mm、2.0mm；建構出研究用之下顎骨及牙種植體平面二維模型。針對單顆植體受力情況，參考簡化齒槽骨模型尺寸10mm×22mm，上下表層分別有厚的皮質骨、中間則是疏松骨，上表層皮質骨厚度為2mm、下表層厚度為3mm。

利用力學的等效原理將牙種植體細節(jié)簡化成二維斷面模型，并建立軸對稱的二維有限元素模型(如圖2)，使用ANSYS Workbench 19.2版軟件建構此模型。其中材料性質如表1所示，基臺錐體與植入體接觸面摩擦系數設置為0.038；基臺錐體與植體接觸面網格化(mesh)尺寸設置0.1mm，其他部分網格尺寸為0.2mm，共有9316個節(jié)點、2928個元素；咬合力負載分別以一般軸向咬合力200N、最大軸向咬合力580N施加于基臺頂部；軟件“分析設置”以大變形(large deflection)；接觸面尺寸2.0mm的分析“接觸設置”接觸對有小滑動，需開啟“ON”。

表1 牙種植體模型的材料性質

圖2 牙種植體軸對稱二維平面模型和主要構件及網格化

三、結果與討論

(一)Ti6Al4V和C.P.Grade 4 Ti基臺材料對于植入體接觸面的應變分布云圖

圖3顯示上述TiAlV材質基臺分別在一般咬合力200N和最大咬合力580N下應變云圖的分布情形。由分析結果得知，一般咬合力200N狀況下，兩種基臺材質分別對應的應變分布云圖相似，且最大咬合力580N亦然。由圖中也可以看出兩種咬合力狀況下，咬合力較大者，基臺沉降量較大。

(a)咬合力200N、錐度3°、接觸面尺寸2mm、 基臺材質Ti6Al4V

(b)咬合力580N、錐度3°、接觸面尺寸2mm、 基臺材質Ti6Al4V

(二)一般咬合力200N對種植體錐形接觸面微運動量的影響

表2說明基臺材質為TiAlV和C.P.Grad 4 Ti，在一般咬合力200N時，五種錐度下所產生的接觸面微運動量隨著錐度增加而減少；以接觸面尺寸2.0mm為例，9°到12°由表中微運動量變化逐漸趨緩接近一定值，TiAlV材質約在0.0072～0.01mm的范圍、C.P.Grad 4 Ti材質約在0.0072～0.01mm的范圍。采用9°到12°的錐度可以有效避免接觸面產生高微運動量。

四種接觸面尺寸相應的接觸面微運動量隨著錐體接觸面尺寸增加而減少，表2中接觸面尺寸3.0和3.5mm在9°到12°的微運動量小于0.002mm,差異很小，似乎意味著已經達到最低微運動量。較大的接觸面尺寸亦可有效避免接觸面產生高微運動量。

表2 基于二種基臺材質200N咬合力下錐度和接觸面尺寸變化的接觸面微運動量(mm)

(三)最大咬合力580N對種植體錐形接觸面微運動量的影響

表3說明基臺材質為TiAlV和C.P.Grad 4 Ti，在一般咬合力580N時，在五種錐度下所產生的接觸面微運動量隨著錐度增加而減少。以接觸面尺寸2.0mm為例，9°到12°由圖中微運動量變化逐漸趨緩接近一定值，TiAlV材質約在0.02～0.03mm的范圍，C.P.Grad 4 Ti材質約在0.02～0.03mm。由此可見，采用9°到12°的錐度可以有效避免接觸面產生高微運動量。

四種接觸面尺寸相應的接觸面微運動量隨著錐體接觸面尺寸增加而減少，表3中接觸面尺寸3.0和3.5mm在9°到12°的微運動量小于0.005mm，差異很小，似乎意味著已經達到最低微運動量。由此可見，較大的接觸面尺寸可有效避免接觸面產生高微運動量。

表3 基于二種基臺材質580N咬合力下錐度和接觸面尺寸變化的接觸面微運動量(mm)

四、結論

有限元素分析仿真結果表明，施以上述兩種咬合力狀況，錐度越小，微運動量越大；接觸面尺寸愈大，接觸面微運動量越小。一般咬合力在200N狀況下，TiAlV和C.P.Grad 4 Ti兩種基臺材質的接觸面微運動最大值皆出現(xiàn)于錐度3°接觸面上，且各種錐度接觸面的微運動量表現(xiàn)上非常相似，表2和3中的微運動量變化趨勢相似。咬合力在580N狀況下，TiAlV和C.P.Grad 4 Ti兩種基臺材質的接觸面微運動最大值也是出現(xiàn)于錐度3°接觸面上，且僅錐度3°TiAlV基臺材質的接觸面微運動量比C.P.Grad 4 Ti基臺材質大0.04mm，其他各椎度兩種材料的接觸面微運動量幾乎相同。采用9°到12°的錐度可以有效避免接觸面產生高微運動量。綜合上述，本文提供基臺—植入物連接面過盈配合的五種錐度變化及四種接觸面尺寸的接觸面微運動分析結果，可作為未來牙種植體的設計參考，避免基臺—植入物接觸面發(fā)生較大的微運動量造成異物滲入污染，最終導致周邊組織被傷害。