單麗華 董福生 宮偉偉 張雄

（1.河北醫(yī)科大學(xué)第二醫(yī)院 口腔正畸科，石家莊 050000；2.河北醫(yī)科大學(xué)口腔醫(yī)院 頜面外科，石家莊 050017；3.清華大學(xué) 工程力學(xué)系，北京 100084）

微型種植體長度對骨界面應(yīng)力分布的影響

單麗華1董福生2宮偉偉3張雄3

（1.河北醫(yī)科大學(xué)第二醫(yī)院 口腔正畸科，石家莊 050000；2.河北醫(yī)科大學(xué)口腔醫(yī)院 頜面外科，石家莊 050017；3.清華大學(xué) 工程力學(xué)系，北京 100084）

目的 探討微型種植體長度對骨組織內(nèi)應(yīng)力分布的影響。方法 建立直徑1.6mm，長度分別為6、8、10、12mm的種植體-下頜骨三維有限元模型，垂直植入種植體，給以1.96N的水平向前及前上方向的載荷，記錄并分析不同情況下的應(yīng)力分布。結(jié)果 種植體水平向前載荷的應(yīng)力峰值范圍為3.500～3.765MPa，位移峰值范圍為1.266～1.288μm；前上方向載荷的應(yīng)力峰值范圍為4.075～4.510MPa，位移峰值范圍為1.668～1.694μm。水平向前載荷的應(yīng)力峰值及位移峰值均低于前上方向載荷的峰值。結(jié)論 在所研究的尺寸（6～12mm）范圍內(nèi)，種植體長度對骨界面應(yīng)力影響不大，而種植體載荷方式對骨界面應(yīng)力分布有重要影響。

微型種植體； 應(yīng)力分布； 三維有限元分析

微型種植體支抗技術(shù)逐漸成為正畸領(lǐng)域的研究熱點，目前存在的最大問題在于種植體承受較大正畸力時容易脫落[1]。微型種植體多植入在牙槽骨兩牙根之間，距離牙根、上頜竇、神經(jīng)管、鼻腔等較近，因此增加種植體長度會增加損傷鄰近器官的危險性。微型種植體長度對骨界面應(yīng)力分布的影響及與載荷方式的關(guān)系尚不明確，目前國內(nèi)外文獻少見這方面的報道。本實驗應(yīng)用三維有限元法，探討不同微型種植體長度及載荷方式對周圍骨組織內(nèi)應(yīng)力分布的影響，為種植體開發(fā)及臨床醫(yī)生選擇合適的種植體長度提供參考依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 微型種植體的選擇

參照德國Medicon公司生產(chǎn)的螺紋型微型種植體（純鈦，Aarhus Screw Syst 1.6型），設(shè)定種植體的頭部和頸部為直徑1.6mm的光滑圓柱形結(jié)構(gòu)，總長度為3.4mm。螺紋體頂部直徑1.6mm，根部直徑1.5mm，中間線性變化。種植體螺紋高為0.3mm，螺距0.6mm，頂角90°。種植體螺紋部分長度有6、 8、10、12mm共4種。

1.2 下頜骨及微型種植體三維有限元模型的建立

采用日立W2000 CT螺旋掃描機（GE公司，美國），對1名志愿者進行頜骨CT掃描。掃描條件：選擇骨組織窗掃描，螺距0.875mm，種植區(qū)層距為0.5mm，其他區(qū)域?qū)泳酁?mm，床進速度0.5mm·s-1。以眶耳平面為參照平面，平行于牙合平面，由髁突頂端至頦部下緣進行橫斷面掃描。轉(zhuǎn)數(shù)為20，共掃描52層，對下頜骨進行三維重建。設(shè)一側(cè)下頜骨第二前磨牙與第一磨牙牙根間牙槽骨為種植體植入部位，取此處一個斷面，掃描結(jié)果以DICOM形式存儲。

在Pro/E 2.0軟件中，將植入部位斷面表面部分設(shè)置為皮質(zhì)骨（厚度1.65mm），內(nèi)部為骨松質(zhì)。根據(jù)實際的尺寸，將斷面簡化成六邊形，六邊形斷面尺寸：上表面寬10.89mm，中間寬18.20mm，下面寬11.94mm，高39mm（圖1）。將此面沿著下頜骨橫斷面拉伸成體，構(gòu)成下頜骨。用ANSYS 10.0軟件建立下頜骨三維有限元模型。根據(jù)種植體的選擇建立4種長度種植體的三維有限元模型。

圖1 微型種植體植入部位斷面示意圖Fig 1 Schematic drawing of cross-section view when mini-implant was inserted

1.3 裝配實體微型種植體-下頜骨三維有限元模型

種植體植入位置及角度設(shè)定：以下頜牙合平面與地平面平行為準(zhǔn)，設(shè)一側(cè)下頜骨第二前磨牙與第一磨牙牙根間距離牙槽嵴頂4mm處為植入點，將種植體與皮質(zhì)骨表面形成90°垂直植入（圖1）。

裝配種植體-頜骨模型：在ANSYS 10.0軟件中，對頜骨硬組織與種植體的三維有限元模型進行處理。按照不同長度種植體，復(fù)制種植體模型的骨內(nèi)部分，運用ANSYS命令從骨模型中去除這一部分，從而形成具有內(nèi)螺紋的骨模型。種植體的實體模型與骨實體模型通過ANSYS命令使兩實體界面各節(jié)點連接，從而建立直徑1.6mm，長度分別為6、8、10、12mm的種植體-下頜骨三維有限元模型（圖2）。

圖2 微型種植體垂直植入下頜骨三維有限元模型及載荷示意圖Fig 2 3D finite element model of the mandible with mini-implant inserted vertically and schematic diagram of loading

1.4 定義材料特性

假設(shè)種植體、皮質(zhì)骨和骨松質(zhì)均為連續(xù)、均勻、各向同性的線彈性材料，材料變形為彈性小變形。種植體和骨界面完全骨整合，不發(fā)生相對位移。各材料參數(shù)見文獻[2]。

1.5 網(wǎng)格劃分

種植體-下頜骨界面附近及螺紋等復(fù)雜不規(guī)則的部分采用四面體劃分單元格，其余部分均采用六面體劃分單元格，節(jié)點與單元在種植體附近加密，在近遠中方向適當(dāng)延長。不同長度種植體植入模型節(jié)點數(shù)及單元數(shù)見表1。

表1 4種長度種植體下頜骨模型單元及節(jié)點數(shù)Tab 1 Element and note numbers of mandible models with four kinds of im plant length

1.6 載荷方向

通過種植體載荷點做與牙合平面平行的直線（A線，圖2），通過此直線做與地平面垂直的平面，在此平面上給種植體頂端施加1.96 N載荷。水平向前載荷為通過A線向前（近中）的載荷（A線方向），前上方向載荷為向前上方向與A線成45°的載荷（B線方向）。

1.7 觀測分析指標(biāo)與方法

觀測分析指標(biāo)采用Von-Mises等效應(yīng)力，分別通過A線、B線沿種植體長軸中心縱剖有限元模型（圖3、4），記錄Von-Mises應(yīng)力峰值、位移峰值，得到2種方向載荷的骨界面應(yīng)力分布圖，分析比較骨界面上的應(yīng)力分布特點。

圖3 通過A線及種植體中心縱剖的有限元模型示意圖Fig 3 Schematic drawing of finite element model cutting across A line and implant axis

圖4 通過B線及種植體中心縱剖的有限元模型示意圖Fig 4 Schematic drawing of finite element model cutting across B line and implant axis

2 結(jié)果

在種植體-皮質(zhì)骨-骨松質(zhì)系統(tǒng)中，不同長度種植體模型均為種植體受力最大，然后是皮質(zhì)骨，骨松質(zhì)受力最小。種植體上應(yīng)力主要集中在種植體的頸部，皮質(zhì)骨上應(yīng)力主要集中在與種植體接觸的區(qū)域，見圖5、6。

圖5 不同長度種植體水平向前載荷的Von-Mises應(yīng)力分布圖Fig 5 Von-Mises stress distribution of varied length of implants loaded mesiolly

圖6 不同長度種植體前上方向載荷的Von-Mises應(yīng)力分布圖Fig 6 Von-Mises stress distribution of varied length of implantsloaded mesiol-vertically

6、8、10、12mm長度種植體水平向前載荷的應(yīng)力峰值分別為3.765、3.726、3.627、3.500 MPa，應(yīng)力峰值范圍為3.500～3.765MPa，位移峰值范圍為1.266～1.288μm；前上方向載荷的應(yīng)力峰值分別為4.510、4.477、4.392、4.075MPa，應(yīng)力峰值范圍為4.075～4.510MPa，位移峰值范圍為1.668～1.694μm。水平向前載荷的應(yīng)力峰值及位移峰值均低于前上方向載荷的峰值。

3 討論

微型種植釘憑借其體積細(xì)小的優(yōu)勢，有效地克服了傳統(tǒng)種植體支抗所受的植入部位的限制，幾乎能夠植入正畸醫(yī)師所需要的任何一個部位，但種植體穩(wěn)定性受到一定影響，且有損傷鄰近器官的危險。隨著材料學(xué)的不斷發(fā)展，人們逐漸認(rèn)識到生物力學(xué)因素對種植體成功的重要性，載荷狀態(tài)直接關(guān)系到種植的成敗，其中種植體界面的應(yīng)力傳導(dǎo)與分布是需要考慮的一個重要方面。本研究探討了2種載荷方向下種植體長度對骨界面的影響，結(jié)果表明：隨著種植體長度的增加，周圍骨內(nèi)應(yīng)力分布趨勢沒有明顯變化，應(yīng)力峰值有所降低但變化不大，位移峰值的變化也很小，而載荷方式對界面應(yīng)力分布有明顯影響。

種植體的穩(wěn)定性受多種因素綜合影響且關(guān)系復(fù)雜。動物實驗表明，植入扭力峰值及對側(cè)向力的承受力與種植體長度成正比[3-4]；長種植體即刻或早期載荷的成功率高于短種植體[5]；而不同長度種植體愈合后載荷組與非載荷組的骨結(jié)合量均無統(tǒng)計學(xué)差異[6]。臨床研究表明，微型種植體的長度與脫落率并不相關(guān)[1]。相同長度種植體在不同界面骨狀態(tài)時對載荷的反應(yīng)不同，受骨質(zhì)骨量、種植體設(shè)計、載荷及初期穩(wěn)定性等因素的綜合影響。

三維有限元法有效克服了一些因素的干擾，是種植體生物力學(xué)研究的重要手段。以往國內(nèi)外學(xué)者研究種植體長度與應(yīng)力的關(guān)系時所選用的種植體大多為修復(fù)用種植體，直徑一般大于3mm。研究結(jié)果顯示：種植體的長度對應(yīng)力分布的影響要比直徑的影響小[7]；增加種植體長度可減少應(yīng)力，但過大尺寸的種植體將導(dǎo)致骨內(nèi)應(yīng)力過大，建議采用適當(dāng)尺寸的種植體[8]；種植體長度的變化對應(yīng)力峰值影響不大[9]。而微型種植體的直徑一般為1.4～2.0mm，長度為6～12mm。近來有學(xué)者[10-11]建立微型種植體支抗模型，但觀點不一。本研究結(jié)果表明種植體長度對界面應(yīng)力分布影響不大，原因可能是皮質(zhì)骨是承受應(yīng)力的主要部分，骨松質(zhì)內(nèi)應(yīng)力分布很少，而增加種植體長度主要是增加了骨松質(zhì)內(nèi)部分的長度，且正畸載荷力值較小，因此，增加的種植體長度并沒有承擔(dān)更多的應(yīng)力，沒有明顯改變應(yīng)力分布。本結(jié)果提示臨床選擇種植體時不必刻意增加種植體長度，同時也表明應(yīng)用短種植體是可行的。不同長度種植體在較強載荷下的應(yīng)力分布特性及微型支抗種植體允許的最短長度問題尚有待進一步研究。

另外，由于游離齦的活動性影響了種植體的穩(wěn)定性，因此臨床一般將微型種植體種植在頰側(cè)膜齦聯(lián)合處，即微型種植體多植入在距離牙槽嵴較近的唇頰側(cè)牙槽骨上。關(guān)于載荷方式對骨應(yīng)力分布的影響目前研究不多。龍紅月等[12]應(yīng)用三維有限元法將種植體植入在牙槽嵴頂，并施加近遠中向、頰舌向及軸向正畸載荷，結(jié)果顯示種植體周圍頜骨的寬度影響骨界面的應(yīng)力及位移大小，寬皮質(zhì)骨的應(yīng)力峰值低于窄皮質(zhì)骨，因此他們認(rèn)為在植入支抗種植體時，應(yīng)根據(jù)正畸載荷力的形式，盡量不要過于偏頰、舌側(cè)，以免造成應(yīng)力過于集中。從力學(xué)原理看，2個力值相同且均與種植體長軸垂直的載荷，其產(chǎn)生的骨界面應(yīng)力峰值和位移峰值應(yīng)該相近，而本實驗結(jié)果表明前上方向載荷的應(yīng)力峰值及位移峰值始終高于水平向前載荷的峰值，原因可能是微型種植體植入位置距離牙槽嵴頂較近，造成種植體牙合側(cè)骨量較少，因此，前上方向載荷時承受載荷的皮質(zhì)骨骨量比水平向前載荷時少，導(dǎo)致種植體前上方向載荷時應(yīng)力分布較集中。載荷骨量對界面應(yīng)力分布的影響尚有待進一步研究。

[1] Park HS,Jeong SH,Kwon OW.Factors affecting the clinical success of screw implants used as orthodontic anchorage[J].Am J Orthod Dentofacial Orthop,2006,130（1）：18-25.

[2] 單麗華,董福生,宮偉偉,等.微型種植體植入角度對骨界面應(yīng)力峰值的影響[J].中國組織工程研究與臨床康復(fù),2008,12（52）：10227-10230.

SHAN Li-hua,DONG Fu-sheng,GONG Wei-wei,et al.Influence of various implanting angles of micro-implants on peak stress in peri-implant surface[J].J Clinical Rehabilitative Tissue Engineering Research,2008,12（52）：10227-10230.

[3] Lim SA,Cha JY,Hwang CJ.Insertion torque of orthodontic miniscrews according to changes in shape,diameter and length [J].Angle Orthod,2008,78（2）：234-240.

[4] Block MS,Delgado A,Fontenot MG.The effect of diameter and length of hydroxylapatite-coated dental implants on ultimate pullout force in dog alveolar bone[J].J Oral Maxillofac Surg,1990, 48（2）：174-178.

[5] Freire JN,Silva NR,Gil JN,et al.Histomorphologic and histomophometric evaluation of immediately and early loaded miniimplants for orthodontic anchorage[J].Am J Orthod Dentofacial Orthop,2007,131（6）：704.e1-e9.

[6] De Pauw GA,Dermaut LR,Johansson CB,et al.A histomorphometric analysis of heavily loaded and non-loaded implants[J]. Int J Oral Maxillofac Implants,2002,17（3）：405-412.

[7] Himm lováL,DostálováT,KácovskyA,et al.Influence of implant length and diameter on stress distribution：A finite element analysis[J].J Prosthet Dent,2004,91（1）：20-25.

[8] Rieger MR,Adams WK,Kinzel GL.A finite element survey of eleven endosseous implants[J].J Prosthet Dent,1990,63（4）：457-465.

[9] 蘭澤棟,林珠,龍紅月,等.支抗種植體長度對骨界面應(yīng)力分布的影響[J].中國口腔種植學(xué)雜志,2003,8（3）：112-115.

LAN Ze-dong,LIN Zhu,LONG Hong-yue,et al.The effect of different anchorage implant length on stress distribution in implant-bone interface[J].Chin J Oral Implant,2003,8（3）：112-115.

[10]朱勝吉,榮起國,周彥恒.微螺釘型種植體支抗長度及直徑對應(yīng)力分布影響的三維有限元研究[J].口腔正畸學(xué),2006,13（2）：49-52.

ZHU Sheng-ji,RONG Qi-guo,ZHOU Yan-heng.Study about the effect of implant length and diameter on stress distribution with finite element method[J].Chin J Orthodont,2006,13（2）：49-52.

[11]王震東,王林,倪曉宇,等.不同長度微種植體支抗應(yīng)力差異的三維有限元研究[J].口腔醫(yī)學(xué),2005,25（2）：95-96.

WANG Zhen-dong,WANG Lin,NI Xiao-yu,et al.Research on 3-D FEM stresses around anchorage micro-implants with different length[J].Stomatology,2005,25（2）：95-96.

[12]龍紅月,蘭澤棟,林珠,等.正畸力作用方向?qū)χЭ狗N植體-骨界面應(yīng)力分布的影響[J].中國口腔種植學(xué)雜志,2004,9（1）：10-14.

LONG Hong-yue,LAN Ze-dong,LIN Zhu,et al.The effect of orthodontic force orientation on stress distribution of implant-bone interface[J].Chin J Oral Implant,2004,9（1）：10-14.

（本文編輯 李彩）

The effect of mini-imp lant lengths on stress distributions in peri-imp lant surface

SHAN Li-hua1,DONG Fu-sheng2,GONG Wei-wei3,ZHANG Xiong3.（1.Dept.of Orthodontics,The Second Hospital,Hebei Medical University,Shijiazhuang050000,China;2.Dept.of Oral and Maxillofacial Surgery,Hospital of Stomatology,Hebei Medical University,Shijiazhuang050017,China;3.Dept.of Engineering Mechanics,Tsinghua University,Beijing100084,China）

ObjectiveTo observe the effect of mini-implant lengths on stress distribution in peri-implant surface.MethodsThe 3D finite element analysis mandible and mini-implant models with diameter of 1.6mm,lengths of 6, 8,10 and 12mm were established.The mini-implants were inserted into designed site of mandibular vertically,respectivly.A force of 1.96 N were applied mesioly and 45°tilted mesio-vertically in models.The stress distribution under every condition was recorded and analyzed.Results When load was applied mesially,the maximum stress varied from 3.500 to 3.765MPa,the maximum displacement varied from 1.266 to 1.288μm.When load was applied 45° tilted mesio-vertically,the maximum stress varied from 4.075 to 4.510 MPa,the maximum displacement varied from 1.668 to 1.694μm.All of the maximum stress and displacement of loading mesially were lower than loading mesiovertically.ConclusionThe change of the mini-implant length within 6-12 mm don’t show much influence on the stress distribution.The loading type is an important factor influencing stress and displacement of peri-implant bone.

mini-implant； stress distribution； finite element analysis

R 783.5

A

10.3969/j.issn.1000-1182.2011.01.007

1000－1182（2011）01－0027-04

2010-03-26；

2010-06-25

河北省科技支撐計劃基金資助項目（08276101D-4）

單麗華（1964—），女，山東人，教授，博士

董福生，Tel：0311-86266796

·基礎(chǔ)研究·