喬 柱 劉 義 鄒 越 陳菁菁 趙 虎

在口腔臨床診療中，由種植牙支持的單端固定橋（cantilevered implant-supported fixed partial denture, CIFPD）逐漸成為一種修復(fù)連續(xù)牙齒缺失的常見手段。CIFPD 可避免因種植區(qū)骨量不足進行的復(fù)雜外科手術(shù)，減少了治療費用，縮短了治療時間。然而當(dāng)CIFPD 橋體咀嚼受力時，以種植體基牙為中心產(chǎn)生的Ⅰ類杠桿作用將不利于周圍支持組織的健康，因此針對不同缺失部位，CIFPD 的合理設(shè)計至關(guān)重要。上頜骨前磨牙區(qū)主要為Ⅲ類、Ⅳ類骨質(zhì)，前磨牙咀嚼中主要發(fā)揮搗碎食物的作用，即通過下頜開閉運動，從垂直方向同下頜前磨牙將食物壓碎。目前國內(nèi)外對于CIFPD 在前牙及磨牙區(qū)游離端缺失的修復(fù)患者中研究較多，前磨牙區(qū)研究較少[1，2]。本研究在建立上頜前磨牙區(qū)種植單端橋及其支持組織的三維有限元模型基礎(chǔ)上，分析靜態(tài)加載下模型各部位的應(yīng)力大小和分布規(guī)律，為種植體支持的單端固定橋的臨床設(shè)計和選擇提供了一定的生物力學(xué)參考。

資料和方法

1. 實驗設(shè)備：Brilliance iCT（飛利浦，荷蘭）；Mimics （Materialise，比利時）；Geomagic Studio（Geomagic，美國）；SolidWorks（Dassault Systèmes，美國）；Ansys Workbench（ANSYS，美國）。

2.實驗資料：本實驗基礎(chǔ)資料來源為選取一名健康成年人志愿者，具體納入條件：身體健康、牙體無明顯磨耗、咬合關(guān)系正常、牙周組織健康、牙體形態(tài)正常、牙體數(shù)據(jù)符合牙體解剖學(xué)數(shù)據(jù)的成年人志愿者。種植體數(shù)據(jù)資料采用意大利西泰克種植系統(tǒng)EL 種植體及修復(fù)基臺。

3.實驗方法：應(yīng)用Brilliance iCT 型64 排螺旋CT 對志愿者頜骨部位進行掃描，并導(dǎo)入Mimics 獲取三維模型、提取出獨立的牙列蒙板、將14、15 切除牙根保留牙冠并減徑至4/5 待用，在Geomagic Studio 中模擬出上頜前磨牙區(qū)的Ⅲ、Ⅳ類骨質(zhì)（外層皮質(zhì)骨厚度1.5 mm）、增高松質(zhì)骨提升上頜竇底、將14、15 牙冠融合成為一體等一系列的修復(fù)操作，在SolidWorks 軟件中建立種植體與基臺的三維模型、通過布爾運算將骨組織與種植體及基臺和牙冠各模型裝配組裝連接在一起，最終形成建立上頜前磨牙區(qū)種植單端橋及其支持組織的三維實體模型。

4.模型參數(shù)：基于參數(shù)化建模功能，根據(jù)意大利西泰克種植系統(tǒng)中上頜前磨牙區(qū)臨床常用型號參數(shù)（種植體參數(shù)：直徑4.3 mm，長度11 mm、螺距0.84×2 mm、螺紋厚0.84 mm、螺紋高0.5 mm、基臺高度6 mm，穿齦高度3 mm、基臺錐度6°）建立種植體與基臺的三維模型。

5.定義單元屬性和網(wǎng)格劃分：將SolidWorks 處理完成的模型文件導(dǎo)出至Ansys 軟件中，根據(jù)實驗材料的力學(xué)特性和應(yīng)力分析的類型來確定單元類型。對模型分配材料屬性，選取松質(zhì)骨、皮質(zhì)骨、牙冠、種植體各部分并分別輸入相應(yīng)的楊氏彈性模量和泊松比，設(shè)置單元屬性。對面網(wǎng)格模型進行體網(wǎng)格化，得到上頜前磨牙區(qū)種植單端橋及其周圍骨組織的有限元模型。

6.實驗條件假設(shè)與參數(shù)設(shè)置：本實驗假設(shè)三維有限元模型各部分均為線彈性材料，模型各截面在應(yīng)力加載時均不存在相對滑動, 故將該實驗?zāi)Ｐ透鳂?gòu)件間的關(guān)系均設(shè)置為綁定關(guān)系（Bonded）。牙冠選擇氧化鋯全瓷，種植體選擇純鈦，基臺選擇純鈦。參考Lekholm 和Zarb 分類法[3]，分別建立上頜前磨牙區(qū)D3、D4 共兩類骨質(zhì)，其均為牙槽嵴側(cè)皮質(zhì)骨厚度1.5 mm，但D3 類松質(zhì)骨為致密骨小梁，D4 類松質(zhì)骨為低密度骨小梁。各組成部件材料的力學(xué)屬性參數(shù)見表1，來源相關(guān)文獻[4，5]。

表1 模型相關(guān)材料的力學(xué)參數(shù)

7.邊界約束條件和加載方式：將骨皮質(zhì)做固定約束，模擬一個咀嚼周期后牙牙牙合循環(huán)的受力大小和方向，本實驗加載方式為靜態(tài)、面加載，加載力量為200 N。右上頜前磨牙區(qū)種植單端橋垂直載荷在中央窩垂直方向總共加載200 N 的均勻力量；斜向載荷與牙長軸呈45°角方向，在14、15 牙冠頰尖腭斜面和腭尖頰斜面共同加載200 N 的均勻力量。

結(jié) 果

1.觀察部位和指標(biāo)：觀察部位為14 種植體與周圍骨組織交界的各截面，包括：頸部皮質(zhì)骨、皮松質(zhì)骨交界部、植體頸部松質(zhì)骨、植體根中部松質(zhì)骨、植體根尖部。觀察指標(biāo)為最大等效應(yīng)力、最大位移，并繪制出應(yīng)力云圖（單位Mpa）。

2.垂直載荷下模型應(yīng)力分布情況：分散垂直載荷D3、D4 模型中種植體及其周圍骨組織的應(yīng)力值見表2 與圖1～2，可得知分散垂直加載時，皮質(zhì)骨的最大應(yīng)力峰值大于松質(zhì)骨最大應(yīng)力峰值，D3 模型種植體的最大應(yīng)力值較大，D4 模型周圍骨組織的最大應(yīng)力值較大，且整體模型應(yīng)力分布比較一致。種植-基臺復(fù)合體應(yīng)力均集中于對應(yīng)頸部皮質(zhì)骨部位的種植體遠中部位；松質(zhì)骨應(yīng)力主要集中于皮松質(zhì)交界處與植體根尖處，其最大應(yīng)力峰值均位于植體根尖處的遠中邊緣部位；頸部皮質(zhì)骨應(yīng)力則均集中于種植體骨界面的遠中頸部區(qū)域。

圖1 D3 垂直向加載種植體及其周圍骨組織受力云圖

圖2 D4 垂直向加載種植體及其周圍骨組織受力云圖

表2 分散垂直向加載時模型最大應(yīng)力值（單位MPa）

3.斜向載荷下模型應(yīng)力分布情況：分散斜向載荷下兩類骨質(zhì)模型中種植體及其周圍骨組織的應(yīng)力值見表3、表4 和圖3-6，可得知分散斜向加載時，皮質(zhì)骨的最大應(yīng)力峰值大于松質(zhì)骨最大應(yīng)力峰值，兩類骨質(zhì)模型中D4 模型種植體以及頸部皮質(zhì)骨的最大應(yīng)力值偏大，D3 模型周圍骨組織的松質(zhì)骨最大應(yīng)力值偏大，且整體模型應(yīng)力分布比較一致。種植-基臺復(fù)合體應(yīng)力均主要集中于對應(yīng)頸部皮質(zhì)骨部位的種植體遠中部位；松質(zhì)骨應(yīng)力主要集中于皮質(zhì)骨與松質(zhì)骨交界處和種植體根尖處，腭向頰加載時其最大應(yīng)力峰值均位于植體根尖處的遠中邊緣部位。頰向腭加載時其最大應(yīng)力峰值D3 模型位于皮松質(zhì)骨交界處的遠中邊緣部位，D4 模型位于植體根尖處的遠中邊緣部位；頸部皮質(zhì)骨應(yīng)力則均集中于種植體骨界面的遠中頸部區(qū)域。

表3 分散斜向（由腭向頰）加載時模型最大應(yīng)力值（單位MPa）

表4 分散斜向（由頰向腭）加載時模型最大應(yīng)力值（單位MPa）

圖3 D3 腭向頰加載種植體及其周圍骨組織受力云圖

圖4 D4 腭向頰加載種植體及其周圍骨組織受力云圖

圖5 D3 頰向腭加載種植體及其周圍骨組織受力云圖

圖6 D4 頰向腭加載種植體及其周圍骨組織受力云圖

4.種植體-基臺復(fù)合體位移:兩類模型中頰舌斜向載荷下的種植體-基臺復(fù)合體最大位移均大于垂直向載荷狀態(tài)位移，最大位移均位于基臺頂端遠中側(cè)且最大位移從基臺到根端依次減小。斜向加載力比軸向加載位移變化明顯，D4 骨質(zhì)模型頰向腭加載下種植體支持單端固定橋中種植體-基臺復(fù)合體位移最大，見圖7-12。

圖7 D3 垂直向加載種植體-基臺復(fù)合體位移云圖

圖8 D4 垂直向加載種植體-基臺復(fù)合體位移云圖

圖9 D3 腭向頰加載種植體-基臺復(fù)合體位移云圖

圖10 D4 腭向頰加載種植體-基臺復(fù)合體位移云圖

圖11 D3 頰向腭加載種植體-基臺復(fù)合體位移云圖

圖12 D4 頰向腭加載種植體-基臺復(fù)合體位移云圖

討 論

隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)不斷更新發(fā)展，越來越多的數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用于口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，有限元分析作為一種分析結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形的數(shù)值方法，從幾何、物理與力學(xué)三個方面綜合分析不同約束和載荷條件下模型的應(yīng)力與應(yīng)變特點[6]。三維有限元研究避免了在實驗力學(xué)過程中由于測控儀器、操作器材、實驗者等因素引起的誤差，同時不會損壞模型的完整性，可以反復(fù)的使用，能夠精確地表達細(xì)致真實的結(jié)構(gòu)，獲取全面準(zhǔn)確的信息，還可以模擬復(fù)雜的載荷條件并進行應(yīng)力分析，定量的測定模型內(nèi)部的應(yīng)力狀況及其他力學(xué)性能[7]，目前已成為分析天然牙、義齒、種植體與周圍骨組織應(yīng)力及應(yīng)變分布的重要工具，為口腔生物力學(xué)研究奠定了基礎(chǔ)[8]。有限元在宏觀尺度上的模擬能力，為復(fù)雜生物力學(xué)問題的分析提供了一種非常有用和有效的方法，可以應(yīng)用于觀察種植體的應(yīng)力分布和材料研究[9]。

臨床中不同于天然牙，骨結(jié)合為連接種植體與骨的方式，咀嚼受力時反應(yīng)敏感度較弱易造成過大負(fù)荷，將進一步導(dǎo)致修復(fù)失敗[10]。因而種植體與基臺、基臺與牙冠之間的連接尤為重要，力的穩(wěn)定傳導(dǎo)能夠決定種植修復(fù)的長期穩(wěn)定性[11]。本實驗通過螺旋CT 掃描直接獲得DICOM 數(shù)據(jù)，使用逆向工程軟件Mimics、Geomagic 實現(xiàn)了三維模型的構(gòu)建，造型軟件SolidWorks 進行了模型的裝配，有限元分析軟件Ansys 進行材料的賦值、網(wǎng)格劃分，快捷有效地建立了右側(cè)上頜前磨牙區(qū)種植單端橋三維有限元模型。

筆者在利用有限元進行靜載分析時，最常見的結(jié)果評價指標(biāo)就是考察應(yīng)變（Von Mises Stress）和形變（Deformation）的大小，它們一般與應(yīng)力云圖相互對應(yīng)，被用來作為考慮種植體初期穩(wěn)定性和長期的疲勞可靠性的評價標(biāo)準(zhǔn)。一般應(yīng)力和形變位移值越小，種植體的初期穩(wěn)定性越好。

兩模型各向載荷中種植體-基臺復(fù)合體為整個種植體系統(tǒng)應(yīng)力最大的零件，通過云圖顏色差異可以看出高應(yīng)力區(qū)均集中在種植體上半部分，最大應(yīng)力均位于基臺與種植體相連接處的邊緣。最大與最小應(yīng)力值差別很大，這是因為植體上部內(nèi)錐孔與臨床基臺相配合，而種植體下部都是埋入到松質(zhì)骨內(nèi)部所以受力較小，該實驗中種植體-基臺復(fù)合體最大應(yīng)力均未超過純鈦材料的屈服強度極限870 MPa[12]。

皮質(zhì)骨的厚度與松質(zhì)骨的密度是影響種植體及骨組織應(yīng)力分布的關(guān)鍵因素[13]。許多實驗研究了種植位點牙槽骨密度對骨結(jié)合的影響，但少有人分析不同骨密度中種植體周圍應(yīng)力分布的情況，此將為臨床中評估種植預(yù)后、制定適宜方案及指導(dǎo)修復(fù)時機提供依據(jù)[14]。本實驗將上頜前磨牙區(qū)兩類不同牙槽骨密度分別進行了應(yīng)力分析。兩骨質(zhì)模型在垂直和斜向加載力下應(yīng)力峰值均集中于種植體頸部周圍的皮質(zhì)骨。因為皮質(zhì)骨彈性模量更大，彈性模量不同的兩種成分組成的系統(tǒng)在載荷作用下，高彈性模量的成分應(yīng)力傳導(dǎo)更迅速有效，種植體承受的牙合力會迅速傳導(dǎo)到皮質(zhì)骨，但傳遞給松質(zhì)骨的應(yīng)力極少，所以臨床種植體周圍骨組織的吸收大多出現(xiàn)在種植體頸部皮質(zhì)骨處[15]。斜向加載力下種植體周圍骨質(zhì)的應(yīng)力峰值遠大于垂直加載力，考慮原因為斜向加載力對骨破壞更大，更易造成種植體周圍骨吸收，因此臨床應(yīng)采取減小牙尖斜度、消除牙合干擾等措施，以避免義齒受到過大的側(cè)向力[16]。本研究中不論通過垂直還是斜向載荷，種植體頸部周圍皮質(zhì)骨所受應(yīng)力均低于皮質(zhì)骨生理耐受閾值140～170 MPa[17]，不會引起皮質(zhì)骨創(chuàng)傷性吸收。同上種植體周圍骨沉積所需最小應(yīng)力為1.3～1.7 MPa[18]，兩骨質(zhì)模型在各向加載狀態(tài)下的應(yīng)力均大于該值，故不會引起皮質(zhì)骨的廢用性骨吸收。本實驗各向加載時D4 模型皮質(zhì)骨的最大應(yīng)力值均大于D3 模型，即上頜前磨牙區(qū)高密度松質(zhì)骨的最大應(yīng)力值偏小，這與最近研究[19]提出的骨密度增大均會使種植體及周圍皮質(zhì)骨Von Mises 應(yīng)力值降低相符合。皮質(zhì)骨厚度及松質(zhì)骨密度增大均能改善種植體及其周圍骨的應(yīng)力分布，這一規(guī)律是比較明確的。KIM 等[20]認(rèn)為，通過術(shù)前CT評估種植體放置部位的骨質(zhì)和骨量來預(yù)測種植體的預(yù)后是可行的，當(dāng)術(shù)前發(fā)現(xiàn)患者皮質(zhì)骨厚度較薄或松質(zhì)骨密度較低時，應(yīng)行植骨或骨擠壓術(shù)以提高種植體的遠期成功率。

本次研究關(guān)于形變方面，與垂直軸向加載力比較，頰舌向加載力下兩類模型位移均增大，主要變形區(qū)域集中在種植體上部基臺頂端遠中側(cè)，其變形峰值為0.082909 mm，其次為皮質(zhì)骨與種植體上部外螺紋接觸區(qū)，皮質(zhì)骨其他位置的變形接近于零，說明垂直載荷對皮質(zhì)骨產(chǎn)生的變形區(qū)域很小，這與之前有關(guān)研究[12]的結(jié)論相符合。本研究中D3 模型的種植體-基臺復(fù)合體最大位移值較小提示了上頜前磨牙區(qū)高密度骨質(zhì)種植修復(fù)后相對高的穩(wěn)定性。

有些專家通過對臨床中牙列后部區(qū)域的種植單端橋修復(fù)患者隨訪調(diào)查，發(fā)現(xiàn)一些并發(fā)癥，比如對于種植體周圍粘膜炎和種植體周圍炎[21]、螺釘松脫[22]等均有很高的患病率，但同時也證實了在后部使用種植體支持的單端橋修復(fù)是一種可靠的長期治療選擇，無論懸臂延伸的位置如何，具備種植體存活率高，種植體周圍骨水平變化最小的優(yōu)點[23]。在臨床中影響種植體成功的因素有很多，應(yīng)從更多的角度考慮種植支持式單端固定橋植入的風(fēng)險因素，提高種植支持式單端固定橋修復(fù)的成功率[24]。

綜上所述，在此次研究范圍內(nèi)從生物力學(xué)角度分析，上頜前磨牙區(qū)種植單端橋具有合理性，同時高密度松質(zhì)骨更有利于種植固定修復(fù)的應(yīng)力分布，建議術(shù)前對種植位點的骨質(zhì)類型進行仔細(xì)評估。由于實驗是基于三維有限元的仿真模擬研究，不能完全代表臨床實際情況，后期仍需結(jié)合臨床對照試驗及長期隨訪進一步驗證，但仍可為臨床中上頜前磨牙區(qū)缺失后的種植方案設(shè)計提供一定的參考價值。