張帥 呂川 李進(jìn)紅 朱保民 王維倩

1.浙江中醫(yī)藥大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院/附屬口腔醫(yī)院，杭州 310053；2.杭州市東寧口腔診所，杭州 310017；3.浙江中醫(yī)藥大學(xué)附屬廣興醫(yī)院，杭州 310021；4.杭州口腔醫(yī)院VIP中心，杭州 310002

種植修復(fù)作為牙列缺失或牙列缺損的一種修復(fù)方式，被越來越多的患者所選擇。但種植修復(fù)也有其并發(fā)癥，種植體折斷在其中占很大的比例，折斷多發(fā)生在種植體頸部[1]。種植體與牙槽骨的結(jié)合方式與天然牙有很大的差異。天然牙具有起緩沖墊作用的牙周膜結(jié)構(gòu)，使牙齒有較大范圍動度，可以對抗側(cè)向和扭轉(zhuǎn)力。而種植牙與牙槽骨是骨性結(jié)合，種植義齒行使咀嚼功能時，僅允許骨組織在極小的范圍內(nèi)移動（micromovement），力直接傳遞到骨組織引起微損傷導(dǎo)致種植失敗[2]。目前臨床上所使用種植系統(tǒng)的種植體與基臺的連接均為剛性連接，本研究在基臺表面增加緩沖層，通過施加垂直向載荷和水平向載荷，對種植體及基臺的頸部、體部受力情況進(jìn)行分析，比較有無緩沖層對種植體應(yīng)力的影響，以期對種植體設(shè)計提供新的思路。

1 材料和方法

1.1 樣本的選擇及數(shù)據(jù)獲取

研究對象為36歲成年人，女性，36牙缺失，35、37牙無明顯齲壞及松動，無全身系統(tǒng)性疾病。根據(jù)CT掃描數(shù)據(jù)形成DICOM文件，以此重建下頜第一磨牙區(qū)域的牙槽骨結(jié)構(gòu)模型，并導(dǎo)出頜骨結(jié)構(gòu)STL文件。

1.2 種植體幾何模型CT重建

對頜骨結(jié)構(gòu)STL文件進(jìn)行曲面擬合和光順處理，分別重建基臺與種植體頸部連接處有緩沖層和無緩沖層2種模型，形成頜骨結(jié)構(gòu)三維實體幾何模型。參考文獻(xiàn)4和文獻(xiàn)5中種植體的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，通過SolidWorks軟件對種植體、中央螺栓、基臺與種植體之間的緩沖層、基臺、第一磨牙的牙冠進(jìn)行三維建模，并與下頜骨的皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨進(jìn)行布爾運(yùn)算，其中皮質(zhì)骨厚度設(shè)置為2 mm，基臺與種植體之間的緩沖層厚度設(shè)置為0.5 mm（在有限元軟件中建立2D面結(jié)構(gòu)，相關(guān)材料參數(shù)直接輸入，單元屬性定義為2D-shell單元，厚度設(shè)為0.5 mm）；種植體尺寸設(shè)置為長9 mm、外徑3.6 mm、內(nèi)徑2 mm，將逆向處理好的下頜骨皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、第一磨牙牙冠、種植體、基臺、中央螺栓、緩沖層等結(jié)構(gòu)形成三維幾何實體模型，并導(dǎo)入MSC.Patran軟件中（圖1～3）。

圖 1 整體幾何模型Fig 1 The global geometric model

圖 2 第一磨牙處下頜骨及牙冠幾何模型Fig 2 Geometric model of the mandibular groove bone and crown of the first molar

圖 3 種植體三維幾何實體模型Fig 3 3D geometric solid model of implant

1.3 網(wǎng)格劃分

模型網(wǎng)格劃分情況：種植體、頜骨等實體結(jié)構(gòu)均采用實體單元網(wǎng)格，共計85 155個節(jié)點、473 144個網(wǎng)格單元；種植體與牙槽骨之間模擬骨結(jié)合條件，結(jié)構(gòu)間采用綁定連接，確保受力正常傳遞。

1.4 材料參數(shù)的設(shè)定

參考文獻(xiàn)6～8，設(shè)置牙冠、牙槽骨、緩沖層、種植體等各結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)（表1）。

表 1 各結(jié)構(gòu)組織材料參數(shù)Tab 1 Parameters of different structures

1.5 邊界條件的假定

對種植體有限元模型進(jìn)行邊界約束（圖4）和計算參數(shù)，定義如下：將牙槽骨底部完全固定約束，將遠(yuǎn)中、近中斷面的法向位移約束，不限制其他方向運(yùn)動約束；假定下頜骨結(jié)構(gòu)為各向同性、均勻、連續(xù)的線彈性材料；緩沖層單元類似于硅橡膠特性，定義為超彈性材料；在牙冠處施加動態(tài)荷載（垂直向200 N，水平向100 N，45°，沖擊速度44.9 mm·s-1）[3]，作用點位于中央窩處，沿中央螺絲軸線方向施加5 N預(yù)緊力，預(yù)先固定連接種植體系統(tǒng)各個部件，分別計算2種不同工況下的種植體、中央螺栓、基臺的體部和頸部以及下頜骨各部位上受到的應(yīng)力。 2種不同工況分別為：1）基臺與種植體之間無緩沖層；2）基臺與種植體之間有緩沖層。

圖 4 種植體有限元模型邊界約束條件Fig 4 Boundary constraints of finite element model of implant

2 結(jié)果

針對基臺有無緩沖層對種植體有限元模型進(jìn)行生物力學(xué)有限元仿真模擬，分別得出種植體及下頜骨皮質(zhì)骨等對應(yīng)的Von Mises等效應(yīng)力云圖，各結(jié)構(gòu)應(yīng)力峰值如表2所示，從表中可見：1）在受到非軸向的力時，種植體周圍下頜骨應(yīng)力集中在種植體頸部周圍的骨皮質(zhì)，種植體頸部受到的應(yīng)力最大，基臺應(yīng)力集中在基臺頸部，中央螺栓應(yīng)力集中在頸部，體部。2）基臺有緩沖層組在種植體、中央螺栓、基臺的體部和頸部、以及下頜骨各部位上受到的應(yīng)力均明顯小于基臺無緩沖層，應(yīng)力減少了45.6%～54.1%。

表 2 種植體及下頜骨近遠(yuǎn)中、頰舌側(cè)的應(yīng)力峰值Tab 2 The stress peaks of the implant and the distal proximal middle and buccal tongue of the mandibular groove bone

3 討論

3.1 種植體的設(shè)計

學(xué)者[4-6]研究認(rèn)為，種植體外形為實心螺紋圓柱形，螺紋頂角為60°時最有利于應(yīng)力的分布，具有較好的生物力學(xué)相容性。種植體頸部與基臺連接處為種植體結(jié)構(gòu)中最薄弱的部分，在受到過大應(yīng)力時，最容易折斷。種植體頸部增加微螺紋可以降低骨界面的應(yīng)力值[7]。種植體長度的增加不會減少骨界面應(yīng)力[8]，會降低周圍骨的骨密度[9]，而種植體直徑的減少會顯著增加骨界面應(yīng)力。因此，本實驗?zāi)Ｐ椭性谙骂M磨牙區(qū)采用較短長度、較小直徑的種植體，以期產(chǎn)生較明顯應(yīng)力。

3.2 種植體及頜骨應(yīng)力集中區(qū)域

種植體折斷的臨床病例中，負(fù)荷過大是一個很重要的誘因，Kinni等[10]通過光彈模型分析，證明種植體底部在軸向負(fù)荷下受到的應(yīng)力最大，而種植體頸部在受到非軸向負(fù)荷時應(yīng)力最大。本實驗對修復(fù)體施加垂直向載荷200 N，加載集中于種植體頂部中心，水平向載荷100 N（45°），設(shè)計施力方向為垂直向結(jié)合水平向。對于頜骨，最高的應(yīng)力集中在種植體上部周圍的皮質(zhì)部分[11]，與本研究結(jié)果相同。

3.3 研究方法的選擇

采用CT成像技術(shù)對下頜骨左側(cè)第一磨牙區(qū)域的頜骨結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維重建，并通過幾何結(jié)構(gòu)建模方法建立種植體、牙冠、緩沖層等結(jié)構(gòu)。采用有限元方法對兩種工況情況（基臺無緩沖層，基臺有緩沖層）進(jìn)行三維有限元仿真模擬，并定性定量研究分析了種植體及下頜骨近遠(yuǎn)中、頰舌側(cè)對應(yīng)的Von Mises等效應(yīng)力分布情況，以及相對基臺無緩沖層組對應(yīng)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化情況。

3.4 緩沖層材料的選擇

目前臨床上使用的種植體系統(tǒng)中，種植體與基臺的連接均為剛性連接，使得牙冠、基臺受到應(yīng)力后無緩沖的空間，直接傳導(dǎo)至種植體頸部。高聚合度聚氯乙稀樹脂是指平均聚合度在1 700以上或者其分子間具有輕微交聯(lián)結(jié)構(gòu)的聚氯乙烯樹脂，其中以平均聚合度為2 500最為常見。高聚合度聚氯乙稀樹脂具有多種優(yōu)異的性能，如較高的回彈性、較低的壓縮永久變形、優(yōu)異的耐熱變形性能、較高的拉伸強(qiáng)度、抗撕裂性及耐熱性等，具有熱塑彈性體的性能。高聚合度聚氯乙稀廣泛應(yīng)用于人工椎間盤中髓核的制作，可與金屬結(jié)合，提供良好的緩沖。高聚合度聚氯乙稀在人工椎間盤置換術(shù)中已使用多年，將其用于種植體的緩沖系統(tǒng)，可以兼顧良好的骨結(jié)合和壓力緩沖，形成對種植體的保護(hù)。

本實驗中在基臺表面與種植體連接處利用高聚合度聚氯乙稀涂層制造緩沖空間，使得牙冠、基臺受力后高聚乙烯涂層吸收部分應(yīng)力，從而減少種植體受到的應(yīng)力。實驗結(jié)果表明，增加了緩沖層后，在上部修復(fù)體受到非軸向的應(yīng)力時，種植體的體部及頸部受到的應(yīng)力顯著減小，緩沖層的設(shè)計減輕了種植體的受力。

利益沖突聲明：作者聲明本文無利益沖突。