呂虹雨,孫 毅,李天佑,謝偉麗

自骨結(jié)合理論創(chuàng)立以來,種植修復(fù)已成為恢復(fù)牙列缺損及缺失的重要方法。缺牙后牙槽骨發(fā)生生理性骨改建并且發(fā)生進行性骨吸收,導(dǎo)致骨垂直向高度不足,給種植帶來了困難和風(fēng)險。短和超短種植體的應(yīng)用能夠擴大種植的臨床應(yīng)用范圍,替代復(fù)雜的外科手術(shù)簡化手術(shù)過程,同時降低費用,減少術(shù)后反應(yīng),縮短治療時間[1]?，F(xiàn)在普遍認為長度<8 mm為短種植體[2],長度<6 mm為超短種植體[3]。Benlidayi和吳茴等[4-5]研究發(fā)現(xiàn)短種植體三年內(nèi)生存率和成功率高達90%。但是Hasan等[6]研究表明短種植體的骨負荷明顯增加,超過了常規(guī)種植體周圍骨應(yīng)力。長期高應(yīng)力會造成邊緣性骨吸收甚至種植體周圍骨骨折,不利于種植體的長期留存,同時短種植體的機械并發(fā)癥也高于常規(guī)種植體[7],因此降低短種植體周圍骨應(yīng)力,提高短種植體的長期留存率成為我們研究的目標(biāo)。

種植體現(xiàn)有的材料主要集中在三大類,分別為金屬類、高分子類以及陶瓷類。金屬類中的鈦及鈦合金一直是口腔種植的首選材料[8]。近年來許多研究表明鈦種植體植入人體后存在美學(xué)缺陷以及致敏等問題,同時鈦種植體的機械拉伸強度不能滿足臨床需要,應(yīng)力疲勞折裂風(fēng)險較大[9]。因此尋找新型的種植替代材料成為現(xiàn)在研究的熱點。鈦鋯合金(Ti-Zr)具有更好的抗折裂能力,對機體組織無毒,有較好的拉伸強度以及抗疲勞強度[10],已經(jīng)在Straumann窄直徑種植體中廣泛應(yīng)用。陶瓷類中氧化鋯(ZrO)種植體具有良好的生物安全性以及空間穩(wěn)定性[11],在種植體和種植牙基臺中已經(jīng)開始使用,自上市以來逐漸普及有望替代傳統(tǒng)鈦種植體。高分子材料中的碳纖維加強型聚醚醚酮(carbon fiber reinforced polyether ether ketone,CFR-PEEK)是一種高性能熱塑性聚合物,具有良好的生物相容性、化學(xué)穩(wěn)定性,無細胞毒性,是一種射線透射性材料,可以避免在影像檢查中出現(xiàn)偽影[12],目前國內(nèi)外學(xué)者研究在其優(yōu)良物理性能的基礎(chǔ)上進行化學(xué)改性,改善其表面惰性提高成骨性[13],纖維加強型聚醚醚酮已成為鈦及鈦合金的可行替代品,目前已嘗試應(yīng)用于種植體、基臺和基臺螺絲等方面。本實驗運用三維有限元分析,探究三種新型材質(zhì)超短種植體在咬合力下的應(yīng)力分布。

1 資料與方法

1.1 三維有限元模型建立

1.1.1 頜骨模型建立應(yīng)用 SolidWorks軟件進行簡化Ⅲ類骨塊建立,模擬環(huán)形骨鉆得到種植體周圍骨的柱狀骨塊,在前視基準(zhǔn)面繪制長5 mm、寬2 mm的矩形,旋轉(zhuǎn)凸臺基體指令得到皮質(zhì)骨塊,同理得到直徑10 mm、高18 mm松質(zhì)骨骨塊,拉伸切除結(jié)合掃描切除指令得到骨內(nèi)螺紋,整體骨塊為均質(zhì)各向同性。

1.1.2 種植體和基臺模型建立 參考ARSTRA系統(tǒng)的種植體螺紋形態(tài)建立,利用SolidWorks軟件,在上視基準(zhǔn)面繪制直徑5 mm的圓形,拉伸凸臺基體高度5 mm,轉(zhuǎn)化實體引用引入螺紋線,螺紋深度0.2 mm、螺距0.6 mm,掃描切除指令,種植體上表面4 mm處建立參考平面,繪制4 mm直徑圓,放樣凸臺基體指令建立種錐度為6°柱形基臺。

1.2 材料性質(zhì)和實驗假設(shè)

1.2.1 定義材料屬性 表1中列出三維有限元分析實驗所用材料的力學(xué)參數(shù),即彈性模量和泊松比。設(shè)置牙冠為二硅酸鋰玻璃陶瓷材料,種植體與基臺分別采用ZrO、Ti-Zr和CFR-PEEK(添加30%碳纖維)三種材料。

表1 材料屬性Tab.1 Material attributes

1.2.2 約束條件 將種植體、牙冠、皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨在SolidWorks裝配體中通過同軸心、重合等配合指令進行相應(yīng)的組合,根據(jù)材料屬性進行裝配,設(shè)定分析步為靜態(tài)綜合等。假定模型中所有材料為無間隙、均勻、各向同性、連續(xù)的彈性材料,種植體與骨、種植體與基臺、基臺與修復(fù)體之間均設(shè)置為綁定接觸,種植體與周圍骨質(zhì)完全形成骨結(jié)合,材料彈性形變?yōu)樽钚　Ｔ谙骂M骨的四周及底部施加固定的約束力。

1.2.3 網(wǎng)格劃分 將裝配完成三組模型以X_T格式導(dǎo)入ABAQUS軟件,分別為ZrO組、Ti-Zr組、CFR-PEEK組。將導(dǎo)入的種植體模型在部件模式下分別進行以C3D4單元類型進行網(wǎng)格區(qū)域劃分,創(chuàng)建元素,模型各自的節(jié)點,并定義邊界條件,再將劃分網(wǎng)格完成的部件進行組裝裝配,得到數(shù)據(jù)如表2。

表2 模型單元數(shù)和節(jié)點數(shù)Tab.2 Model unit number and node number

1.2.4 加載條件 在種植冠的面中央施加軸向100 N以及斜向45°、100 N載荷模擬咬合力[18-21](圖1)。提交作業(yè)得到應(yīng)力分布云圖。

圖1 三維實體模型Fig.1 Three dimensional solid models

1.3 主要觀察指標(biāo)

不同種植材料對超短種植體及種植體周圍骨的最大(拉伸)主應(yīng)力、最小(壓縮)主應(yīng)力和Von-Mises應(yīng)力。

2 結(jié) 果

2.1 超短種植體周圍骨應(yīng)力分布

表3示在咬合力下種植體周圍骨的最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力和Von-Mises應(yīng)力,總體而言,在所有模型中皮質(zhì)骨展現(xiàn)出比松質(zhì)骨更高的應(yīng)力值。此外,三組模型的應(yīng)力集中位置相似,均位于皮質(zhì)骨上下表面以及松質(zhì)骨的上表面(圖2)。CFR-PEEK組皮質(zhì)骨的最大主應(yīng)力值為8.061 MPa,相較Ti-Zr組的皮質(zhì)骨應(yīng)力值13.400 MPa降幅39.8%,相較于ZrO組14.270 MPa降幅43.5%,CFR-PEEK組皮質(zhì)骨的最小主應(yīng)力為1.571 MPa,相較于ZrO組5.789 MPa降幅達72.9%。CFR-PEEK組皮質(zhì)骨的Von-Mises應(yīng)力值最低。在松質(zhì)骨中三組模型的最大主應(yīng)力值、Von-Mises應(yīng)力和最小主應(yīng)力較為接近。斜向載荷下骨應(yīng)力明顯提高,但均未超過骨組織屈服強度,不會造成病理性骨折。

2.2 超短種植體應(yīng)力分布

表3顯示了種植體的最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力和Von-Mises應(yīng)力,所有種植體模型均未超過材料的屈服強度,因此不會造成永久變形。CFR-PEEK組種植體的Von-Mises應(yīng)力值更低。在咬合力下三組模型的Von-Mises應(yīng)力分布區(qū)域相似,主要位于一段式種植體上表面、種植體與皮質(zhì)骨結(jié)合區(qū)(圖2),斜向載荷下種植體應(yīng)力明顯提高至4倍。

表3 各模型中最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力和Von-Mises應(yīng)力Tab.3 Maximum principal stress, Von-Mises stress, minimum principal stress values in each model MPa

圖2 種植體和周圍骨Von-Mises應(yīng)力分布Fig.2 Von-Mises stress distribution of implant and bone

3 討 論

3.1 關(guān)于三維有限元分析

三維有限元能將人體解剖的整體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分為大量的單元和節(jié)點,進而將復(fù)雜且難以直接觀察的應(yīng)力通過計算分析以應(yīng)力分布云的直觀形式展現(xiàn)出來。有限元分析已經(jīng)普遍應(yīng)用于口腔種植領(lǐng)域,具有高效率、高重復(fù)性、且不與患者接觸的優(yōu)勢[22],因其結(jié)果可以指導(dǎo)并提前預(yù)測結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,所以先進行計算機層面的三維有限元分析,再進一步進行實驗室動物研究,有助于提高實驗針對性以及成功率。因此本研究借助三維有限元分析軟件探究不同材質(zhì)的超短種植體周圍骨應(yīng)力分布情況,對管嵴距較小、垂直方向骨量不足的下頜后牙缺失利用超短種植體修復(fù)提供一定的理論基礎(chǔ)[5]。

現(xiàn)有關(guān)于種植體以及周圍骨的應(yīng)力研究多集中在Von-Mises應(yīng)力值,而忽略了最大(拉伸)主應(yīng)力和最小(壓縮)主應(yīng)力的研究,根據(jù)第四強度理論,Von-Mises應(yīng)力是考慮了第一、第二、第三主應(yīng)力的綜合概念,但是種植體以及骨是脆性材料,如果單獨研究Von-Mises應(yīng)力值則會掩蓋拉伸與壓縮的真實值,應(yīng)該結(jié)合主應(yīng)力共同分析受力,了解拉伸和壓縮最大值位置對于骨將在何處發(fā)生吸收有非常重要的指導(dǎo)意義。因此本實驗利用有限元分析法對三組模型分別施加載荷,研究種植體在咬合力下的應(yīng)力消散,綜合考慮最大(拉伸)主應(yīng)力、最小(壓縮)主應(yīng)力和Von-Mises應(yīng)力。

3.2 關(guān)于短種植體的力學(xué)風(fēng)險

生物力學(xué)因素與種植體骨結(jié)合水平有直接關(guān)系已經(jīng)被廣泛認識,將骨組織暴露在過大的機械負荷加載下通常會造成骨吸收。種植失敗往往和頸部皮質(zhì)骨丟失有關(guān),這種骨丟失常常受到生物因素以及咬合機械因素影響。Hof等[23]研究表明短種植體相較于常規(guī)長度種植體而言,增加了冠和根的比例,從力學(xué)角度分析,冠根比變大導(dǎo)致杠桿力臂變長,當(dāng)受到咬合力時,皮質(zhì)骨和種植體基底骨應(yīng)力變大,可能增加機械并發(fā)癥的風(fēng)險。因此本實驗通過研究三種新型材料的種植體,探究種植體周圍骨的應(yīng)力分布以及大小,旨在減少短及超短種植體周圍骨高應(yīng)力的潛在風(fēng)險,進而提高種植成功率。

3.3 關(guān)于種植體以及周圍骨的應(yīng)力分析

材料的應(yīng)力分布機制表明,當(dāng)不同材料組裝在一起時,并在其中一個物體上施加載荷,我們可以觀察到兩種材料接觸區(qū)域有明顯的應(yīng)力集中,且彈性模量高的物體會承擔(dān)更大的載荷[24]。首先就種植體與種植體周圍骨而言,種植體的彈性模量高于皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨的彈性模量,種植體分散承擔(dān)更多的應(yīng)力,皮質(zhì)骨和周圍松質(zhì)骨應(yīng)力值較小,因此種植體應(yīng)力值高于周圍骨質(zhì)應(yīng)力值。其次就種植體周圍骨本身而言,應(yīng)力分布云圖(圖2)可見,應(yīng)力較大區(qū)域集中在種植體頸部的皮骨質(zhì),這是由于皮質(zhì)骨彈性模量為13.70 GPa,松質(zhì)骨彈性模量為1.37 GPa,皮質(zhì)骨彈性模量高于松質(zhì)骨,相同載荷下皮質(zhì)骨的應(yīng)力更大,因此頸部骨組織發(fā)生骨吸收的可能性更高。

本研究結(jié)果表明三組模型周圍骨應(yīng)力均未超過骨質(zhì)強度閾值(約60 MPa)[25]。其中CFR-PEEK組相較于Ti-Zr組與ZrO組種植體周圍皮質(zhì)骨的應(yīng)力更小。傳統(tǒng)種植牙的應(yīng)力傳導(dǎo)不同于天然牙,天然牙齒的周圍存在牙周膜具有一定緩沖作用,而種植體與骨的結(jié)合方式為骨結(jié)合,這就導(dǎo)致咬合力會通過種植體直接傳導(dǎo)至種植體周圍骨上,較大的應(yīng)力會增加骨質(zhì)流失風(fēng)險,造成種植體周圍骨損傷。而CFR-PEEK彈性模量為18 GPa接近皮質(zhì)骨彈性模量,因此受到咬合力時,CFR-PEEK相較于彈性模量較大的Ti-Zr、ZrO可以起到緩沖作用,將咬合力以更加輕柔的方式傳遞到周圍骨上。有利于降低短種植體高應(yīng)力集中的不良影響,植入物-骨界面的應(yīng)力分布得到改善。斜向載荷下種植體以及周圍骨應(yīng)力明顯提高,不利于種植體的初期穩(wěn)定性和遠期療效,因此在臨床中要通過降低牙尖斜度等措施使咬合力盡量以軸向載荷的方式作用在周圍骨上。

綜上所述,本實驗采用三維有限元分析ZrO、Ti-Zr、CFR-PEEK三種不同材質(zhì)超短種植體修復(fù)下頜第一磨牙缺失,探究種植體及周圍骨質(zhì)最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力和Von-Mises應(yīng)力的分布和大小。結(jié)果表明CFR-PEEK降低種植體應(yīng)力的同時可以降低皮質(zhì)骨應(yīng)力,緩沖咬合力使得整體應(yīng)力分布更加均勻,從生物力學(xué)角度分析是一種較為理想的種植材料。實驗采用有限元研究雖然已盡量模擬口腔條件,但由于口腔是一個動態(tài)復(fù)雜的環(huán)境,尚無法替代口腔臨床實際情況,因此本實驗可以作為短種植體修復(fù)下頜第一磨牙生物力學(xué)方面的理論參考。