仇 敏，惠光艷，賈文敏

各種原因引起牙頜部分或全部缺失后，牙槽嵴將發(fā)生不同程度的吸收萎縮，破壞義齒固位和穩(wěn)定，難以取得良好的修復(fù)效果。對(duì)于種植義齒修復(fù)，由于植入?yún)^(qū)骨量不足，難以容納種植體，即使勉強(qiáng)植入，過(guò)大冠根比也常導(dǎo)致種植義齒松動(dòng)[1]。萎縮的牙槽嵴要進(jìn)行修復(fù)治療必須行牙槽嵴增高術(shù)以滿足必要的修復(fù)條件。近年來(lái)，牽張成骨（distraction osteogenesis，DO）技術(shù)在牙槽外科得到廣泛應(yīng)用，有望成為一種理想的牙槽嵴增高技術(shù)。本研究試圖建立牙槽嵴種植牽張器-骨復(fù)合體三維有限元模型以模擬牙槽嵴種植牽張器所處的生物力學(xué)環(huán)境，為進(jìn)一步了解其生物力學(xué)特性提供基礎(chǔ)。

圖 1 牽張種植體分解視圖

1 材料和方法

1.1 軟硬件環(huán)境 硬件為電腦1臺(tái)，配置如下：CPU：AMD Athlon AM2 3800+x2；RAM：2G； Harddisk：Seagate 200G；Video Card：Nvidia 6600GT。 軟 件 ：AutoDeskMechanicalDesktop2004DX中文版（AutoDesk 公司），ANSYS Workbench 10.1（ANSYS公司），運(yùn)行于Windows XP環(huán)境下。

1.2 牙槽嵴種植牽張器模型設(shè)計(jì) 本研究選用由何黎升等設(shè)計(jì)的種植體型牙槽嵴牽張器，全長(zhǎng)

11.0 mm，設(shè)計(jì)牽張全程為16.0 mm，直徑3.7 mm，螺距0.7 mm，螺紋深0.25 mm。具體結(jié)構(gòu)及外形數(shù)據(jù)見文獻(xiàn)[2]化模型需要，將牽張器分解為兩部分，即基骨段和輸送段。

運(yùn)行MDT2004軟件，通過(guò)定義并約束輪廓截面的方法獲得未添加螺紋的零件原始模型，繼而采用定義三維螺旋掃略路徑的方法運(yùn)用掃略、零件布爾運(yùn)算等軟件操作技術(shù)分別獲得輸送段及基段牽張器CAD模型。打開零件裝配增強(qiáng)控制器，為輸送段和基段添加三維裝配約束，使兩者連接，螺紋吻合緊密。得到該牽張器的CAD模型，分解視圖見圖1。

1.3 骨段模型設(shè)計(jì) 繪制下頜骨骨段模型。模型近遠(yuǎn)中向長(zhǎng)10 mm，高15 mm，頰舌向?qū)?0 mm。除近遠(yuǎn)中面外，外層均被覆1.2 mm厚密質(zhì)骨，內(nèi)層為松質(zhì)骨構(gòu)成。模型通過(guò)參數(shù)化建模方式獲得，各項(xiàng)數(shù)據(jù)均可調(diào)整并自動(dòng)更新模型。

1.4 牙槽嵴牽張器-骨復(fù)合體CAD模型的生成利用零件布爾運(yùn)算功能，以生成的牽張器模型切削萎縮段骨模型中心位置，以模擬種植窩的制備。采用零件分割技術(shù)將萎縮段近咬合面部分骨質(zhì)切開，形成 8 mm（近遠(yuǎn)中）×10 mm（頰舌向）×5 mm（高度）大小之游離骨段以模擬牽張中的矩形截骨術(shù)；繼而利用零件裝配增強(qiáng)控制器將牽張器模型植入種植窩中，使基段和輸送段的分界線位于前述的截骨線上，最終建立牙槽嵴牽張器-骨復(fù)合體CAD模型。圖2示牽開1 mm時(shí)的骨-牽張器復(fù)合體CAD模型。

圖 2 輸送段被牽開1 mm時(shí)骨-種植牽張器復(fù)合體CAD模型

1.5 牙槽嵴牽張器-骨復(fù)合體三維有限元模型的生成 運(yùn)行ANSYS Workbench 10.1軟件將MDT 2004所生成的CAD模型導(dǎo)入，即生成牙槽嵴牽張器-骨復(fù)合體三維有限元模型。通過(guò)在MDT軟件中使用增強(qiáng)零件操縱器調(diào)整輸送段骨和牽張器的位置，可模擬牽張進(jìn)行的各個(gè)階段。圖3示牽開1 mm時(shí)的骨-牽張器復(fù)合體有限元模型。

圖 3 輸送段被牽開1 mm時(shí)骨-種植牽張器復(fù)合體有限元模型

1.6 材料力學(xué)特性與加載約束 本實(shí)驗(yàn)設(shè)定骨組織為Ⅲ類骨質(zhì)，為簡(jiǎn)化模型，假設(shè)模型中骨和種植體均為連續(xù)、均質(zhì)和各向同性的線彈性材料，各部分力學(xué)參數(shù)見表1[1]。設(shè)定牽張開始前及進(jìn)行中時(shí)，牽張器與骨之間關(guān)系為緊密接觸并可做少許滑動(dòng)。約束條件設(shè)定為基骨段近遠(yuǎn)中面施加剛性約束。

表 1 有關(guān)組織和材料的力學(xué)參數(shù)

2 結(jié)果

三維有限元模型具有良好的形態(tài)，牽張器模型質(zhì)量好，無(wú)零件間相互干涉，螺紋密合。對(duì)牽張過(guò)程的模擬與臨床所見類似。

3 討論

與骨移植術(shù)、膜引導(dǎo)組織再生術(shù)、羥基磷灰石牙槽嵴重建術(shù)等常規(guī)牙槽嵴增高方式相比，DO技術(shù)具有諸多優(yōu)點(diǎn)：創(chuàng)傷較小，不需開辟第二術(shù)區(qū)；組織兼容性好，不存在生物相容性問(wèn)題；牽張過(guò)程中軟組織和骨組織得到同步增加，術(shù)后牙槽嵴軟硬組織外形恢復(fù)好，且不易吸收，便于種植和修復(fù)治療。牽張成骨是一個(gè)骨愈合和再生的過(guò)程，力學(xué)環(huán)境對(duì)相關(guān)連接組織的材料形態(tài)和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的維持、修復(fù)和再生具有關(guān)鍵作用。牽張能否成功，不僅有賴于在骨切開時(shí)最大限度地保留骨膜和血供、有足夠的時(shí)間形成修復(fù)性骨癡、適宜的牽張速度和頻率以及合適的固定期等生物學(xué)因素，還取決于生物力學(xué)因素[3]。

機(jī)體組織在緩慢、有規(guī)律、穩(wěn)定的牽引力作用下可產(chǎn)生張力，刺激和保持骨組織結(jié)構(gòu)的再生和生長(zhǎng)，使?fàn)繌垍^(qū)內(nèi)細(xì)胞增生、生物合成功能被激活。由于牽張間隙是逐漸、緩慢增加的，間隙內(nèi)組織所受張力小于快速牽引時(shí)的應(yīng)力，此時(shí)，周圍骨膜、筋膜、神經(jīng)、肌肉、血管、皮膚和肌腱等軟組織就會(huì)發(fā)生對(duì)應(yīng)力的適應(yīng)性反應(yīng)。張應(yīng)力的效應(yīng)首先是粘彈性材料的抗屈服特性，然后是骨周軟組織順應(yīng)牽引速度與距離的力學(xué)效應(yīng)，最后出現(xiàn)由此造成的間隙內(nèi)骨組織的增殖反應(yīng)，這是DO的生物力學(xué)基礎(chǔ)。組織界面的應(yīng)力傳導(dǎo)和分布，是DO過(guò)程中一個(gè)重要研究方面[4]，牽張器就位后，其界面上應(yīng)力分布合理與否將直接影響成骨的方向與連續(xù)性。雖然學(xué)者們通過(guò)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了研究，但是動(dòng)物模型與人牙槽嵴萎縮患者的真實(shí)情況有較明顯的區(qū)別。目前，大多數(shù)動(dòng)物模型是通過(guò)拔牙并輔以牙槽嵴修整術(shù)模擬，其缺損部位的下頜骨牙槽嵴除高度喪失外，沒(méi)有結(jié)構(gòu)的明顯變化。而根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，有齒下頜骨，無(wú)齒下頜骨及缺牙區(qū)下頜骨的形態(tài)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)均存在差異。因此，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果與牙槽嵴萎縮真實(shí)情況有一定差異。臨床應(yīng)用中，由于對(duì)骨組織應(yīng)力的改變不甚明了，不可避免出現(xiàn)一些并發(fā)癥。因此，明確牽張器這一特殊種植體植入萎縮牙槽嵴后的生物力學(xué)特性對(duì)ARA的臨床應(yīng)用有指導(dǎo)意義。

作為一種重要的理論應(yīng)力分析發(fā)法，有限元法最基本、最重要的步驟就是建立有限元模型[5]，將直接影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確性與信度。由于相對(duì)規(guī)則的種植體幾何外形以及相對(duì)較小的研究范圍，在目前的牙種植體有限元研究中非實(shí)體建模法逐漸占據(jù)了主流。該方法將種植體和頜骨幾何外形做一定簡(jiǎn)化后，直接利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件繪制生成模型。與利用活體或離體頜骨并通過(guò)磨片、CT掃描等予以數(shù)字化的實(shí)體建模法相比，所需設(shè)備簡(jiǎn)單，大大減輕了工作量，并可滿足種植體骨界面應(yīng)力分析的要求。對(duì)于種植牽張器-骨復(fù)合體模型來(lái)說(shuō)，由于矩形截骨術(shù)使骨模型被一分為二，牽張器結(jié)構(gòu)也遠(yuǎn)較種植體為復(fù)雜，模型計(jì)算量大大增加，因而更適用于非實(shí)體法建模。由于正常及異常牙槽嵴臨床表現(xiàn)不同，個(gè)體差異明顯，因而利用CT等影像手段獲得的模型分析結(jié)果往往缺乏足夠的代表性，難以全面說(shuō)明問(wèn)題。本研究利用CAD軟件簡(jiǎn)化模型，是目前廣泛應(yīng)用的建模方法[6]。

與種植體有限元研究中加載和約束設(shè)定的條件不同，種植體型牽張器在牽張階段通常不承受咬合力，患者因術(shù)區(qū)疼痛不適，一般較少給予機(jī)械性刺激。牽張過(guò)程中，輸送骨段主要受到來(lái)自下方被牽拉而伸長(zhǎng)的無(wú)定型基質(zhì)的拉力以及來(lái)自表面覆蓋口腔黏膜等軟組織的張力。牽張器植入后到牽張開始通常只有5～7 d的原位固定期，無(wú)法發(fā)生種植體的骨結(jié)合，故設(shè)定骨和牽張器緊密接觸，并可出現(xiàn)少許滑動(dòng)。

利用本方法生成的有限元模型，在模型裝配控制器的控制下，可模擬牽張進(jìn)行的各個(gè)時(shí)期，通過(guò)對(duì)各不同階段模型的加載分析，可以獲得牽張進(jìn)行過(guò)程中不同時(shí)期的生物力學(xué)參數(shù)，這將是本實(shí)驗(yàn)的后續(xù)研究。

綜上所述，可見通過(guò)CAD和FEA軟件的結(jié)合，能建立外形逼真，網(wǎng)格適當(dāng)，圖像還原好，且能夠從力學(xué)上代表實(shí)物的牙槽嵴種植牽張器骨復(fù)合體有限元模型。

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