王 嵐 綜述，秦思琪，陳思宇，高 志 審校

(重慶醫(yī)科大學附屬第二醫(yī)院口腔科，重慶 400010)

咬合力過載能顯著降低種植修復義齒的存活率，種植義齒高負荷能導致種植體周圍骨組織產(chǎn)生應力集中，最終該部位的骨質發(fā)生吸收，種植體頸部暴露甚至松動。近年來，三維有限元分析已被廣泛應用于研究咬合負載對種植體及周圍骨的影響。三維有限元分析是仿真度高、計算精準的力學分析技術，其通過利用計算機技術對復雜幾何模型進行建模，將分析模型劃分為有限個離散單元，在軟件中改變相關參數(shù)與負荷條件來模擬物體的受力情況后，通過大量的數(shù)學計算每個單元的力學特征，來獲得分析對象總的位移分量及應力分布規(guī)律。

在種植修復體的研究中，三維有限元分析方法使用了患者CT圖像來逆向構建口內牙列缺損區(qū)域的數(shù)字模型，然后在該模型上植入種植體于指定的位置、制定種植體上部修復結構，然后通過有限元分析賦予三維模型材料屬性，加載模擬的咀嚼力，最后測試得出種植體及周圍骨的應力應變分布等生物力學行為特點。

傳統(tǒng)的生物力學實驗分析方法主要包括了電阻應變法、光彈性法、全息干涉法和激光散斑干涉法等。以上傳統(tǒng)的實驗分析方法由于實驗設備體積較大，容易受到口腔內狹小的操作空間及周圍組織的限制，很難直接在口腔中進行，所以仍未能精確、高效地模擬口內真實的情況。相較于上述方法，三維有限元分析法建模仿真、算法多樣、結果直觀、不受口腔空間限制，在模擬復雜的臨床情況上更具有優(yōu)勢，更能準確地預測出種植修復義齒各個部件和周圍支持骨組織的生物力學行為，從而為研究者尋找適宜的種植義齒設計方案提供參考，延長種植義齒的使用壽命。

本文全面地介紹了三維有限元法在牙槽骨、種植體形態(tài)、基臺、種植體上部修復冠、種植橋體修復、天然牙-種植體聯(lián)合修復、種植全口固定義齒、種植覆蓋全口義齒等8個方面的種植修復學領域中的應用進展，并概述三維有限元目前的優(yōu)點和局限性及其未來應用發(fā)展的可能性。

1 牙槽骨

已有研究表明，植入頜骨內植體的長期存活率取決于骨的初始質量及骨持續(xù)的適應性[1]。

1.1牙槽骨的骨質量 骨質量會影響種植體植入頜骨后的初期穩(wěn)定性和骨結合。要實現(xiàn)骨與種植體的骨結合，不僅需要足夠的骨量(高度、寬度、形狀)，還需要足夠的骨密度。張楊等[2]建立了具有四類不同密度骨質的天然牙-種植體聯(lián)合修復體模型，通過三維有限元研究發(fā)現(xiàn)骨質的類型在很大程度上影響植體周圍骨的應力值大小，密質骨的最大應力隨著骨密度的降低而增大，松質骨的最大應力隨著骨密度的降低而減小。SEVIMAY等[3]認為降低骨密度會使種植體周圍骨質的最大應力增大，同時導致應力分布更加集中在種植體頸部周圍骨質。

1.2種植義齒引起牙槽骨改建 人類的骨骼在力的作用下會發(fā)生骨密度和外形的改建來適應所處的生物力學環(huán)境，在牙槽骨中植入種植體也會引起相應位置的牙槽骨改建。種植體的骨結合通常發(fā)生在種植體植入后的第3～6個月，之后種植體周圍骨仍持續(xù)性改建從而提高種植體的長期穩(wěn)定性。所以預測植體植入后發(fā)生的持續(xù)性牙槽骨重建有利于優(yōu)化植體植入位置和相關治療計劃。

目前，已有學者將長骨改建的算法擴展到牙科中，應用骨適應理論，開發(fā)了系統(tǒng)的有限元，評估種植體誘導下的頜骨隨時間發(fā)生的骨改建方案。LI等[4]建立了頜骨密度變化率與機械刺激相關的數(shù)學方程，在ABAQUS軟件中加入UMAT子程序從而實現(xiàn)三維有限元分析法對種植體導致的骨改建過程預測。該程序還可以模擬種植牙低負荷和超負荷情況。有限元分析結果顯示，在超負荷情況下，種植體頸部骨質會發(fā)生吸收，但骨質從植體頸部的細螺紋吸收到植體中上段第一根粗螺紋的水平高度后，骨吸收發(fā)生停止；而下頜骨深處的骨密度會略有增加。LIN等[5]通過三維有限元分析發(fā)現(xiàn)種植體植入下頜骨后植體周圍及鄰牙根部周圍松質骨骨密度均逐漸增加，由此產(chǎn)生的密質骨隨著骨重建的進展替代了大部分松質骨區(qū)。骨改建在第30個月后達到平衡狀態(tài)。

2 種植體的形態(tài)結構

種植體-骨界面的應力分布與種植體的形態(tài)結構密切相關，而有限元分析可以提供種植體及種植體周圍骨表面的應力分布信息，所以其已成為設計骨內種植體的基本工具。大量學者通過有限元分析法改變種植體的直徑、長度、外形、螺紋、表面形態(tài)、表面處理方式等，減少種植體周圍產(chǎn)生應力集中區(qū)域的面積，從而探究得出最佳的植體設計方式。

2.1種植體的直徑和長度 植體的直徑與植體周圍骨應力成反比，所以根據(jù)頜骨形態(tài)及其寬度，在保證植體周圍有1.5～2.0 mm骨質包繞的前提下，盡可能選擇大直徑的種植體，可以有效地改善種植體周圍應力的分布[6]。

目前，關于種植體長度與植體周圍骨組織之間的生物力學關系這一問題，還未達成一致的結論。BAGGI等[6]報道種植體長度對種植體周圍皮質骨區(qū)域的應力分布影響不大。鄒敬才等[7]認為增加種植體的長度，可以減小植體頸部骨應力。RAAJ等[8]研究發(fā)現(xiàn)，在垂直和斜向載荷下，增加種植體的長度均能降低植體周圍松質骨受到的應力。

2.2種植體形態(tài)結構設計 種植體與牙槽骨直接發(fā)生接觸，因此植體形狀和表面形態(tài)的設計會影響力由種植體向骨質的傳導過程，并對骨結合的產(chǎn)生也至關重要[9]。CHUN等[10]在有限元分析中發(fā)現(xiàn)，在降低種植體螺紋之間的螺距可以降低種植體受到的應力。AO等[11]認為種植體螺紋的寬度比深度對植體周圍骨應力產(chǎn)生的影響小。在頸部設置微螺紋可以增大植體與牙槽骨接觸面積，有利于植體初期穩(wěn)定性，減緩頸部牙槽骨吸收。牛文芝[12]通過三維有限元研究了在不同骨質中的種植體頸部普通螺紋與微螺紋設計對植體及周圍組織應力產(chǎn)生的影響，發(fā)現(xiàn)在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類骨中種植體頸部微螺紋設計可以很大限度地降低植體及周圍組織受到的應力，對改善應力分布具有積極作用。

2.3平臺轉換 平臺轉換技術指的是種植體頸部的直徑大于基臺頸部的直徑，使基臺-種植體界面的外側緣位于種植體頸部外側緣與種植體中軸之間[13]。相較于基臺頸部外側緣與種植體頸部外側緣重合的平齊對接式連接，平臺轉換式連接可顯著減小種植體頸部周圍骨的應力，延緩相應部位骨質的吸收速度[14]，但卻增大了種植體頸部、基臺肩部、中央螺絲、牙冠頸部的應力[15]。

3 基 臺

3.1基臺材料 鮑利紅等[15]研究發(fā)現(xiàn)，種植體和周圍骨的應力大小和分布特點與基臺的材料無關。蔣劍暉等[16]用有限元分析了氧化鋯基臺、氧化鋁基臺和鈦基臺這3種材料基臺的應力疲勞壽命，發(fā)現(xiàn)不同材料的基臺疲勞壽命不同，鈦的疲勞壽命最長，其次為氧化鋯，疲勞壽命最短的是氧化鋁；不同材料基臺的基臺-種植體接觸界面的應力集中部位不同，該應力集中點可能決定了基臺疲勞壽命的長短。

3.2基臺傾斜角度 由于種植區(qū)域骨質條件不佳導致植體未能植入理想的位置，可通過使用角度基臺來矯正上部修復牙冠的長軸，使冠的長軸與咬合力平行。傾斜的植體搭配角度基臺可以減少骨增量手術的需求，降低手術難度、時間和費用。

基臺長軸與種植體長軸形成的角度會影響角度基臺到周圍骨組織的應力分布。石平等[17]通過三維有限元研究得出，增大基臺的傾斜角度會導致種植修復體及牙槽骨的應力、應變值增大；當角度基臺達到20°時，皮質骨的應變值已接近骨組織所能承受的最大值，可能會引起骨吸收。陳小璇等[18]認為角度基臺的設計應小于25°，且基臺的角度最易影響松質骨的應力大小。

4 種植體上部修復冠

4.1冠的設計 合理的冠部設計是維持植體與周圍骨質穩(wěn)定的骨結合必要條件。近幾年，探究合理的咬合接觸方式和牙尖斜度來減少植體周圍骨組織的應力一直是研究的熱點。BRUNE等[19]通過上頜天然牙間接施加載荷于下頜種植牙牙冠上，并且使兩牙之間的咬合接觸點為3點接觸或5點接觸，此外種植牙冠的牙尖傾角分別設置為20°、30°和40°。非線性接觸計算表明，在牙冠頜面的咬合接觸點非均勻分布(3個接觸點)情況下，增加牙尖傾斜角度會增加種植體周圍骨受到的應力，而在均勻接觸分布(5個接觸點)情況下，改變牙尖傾斜角度未明顯影響種植體周圍骨的應力。王超等[20]用三維有限元方法模擬了不同咬合接觸形式下單顆種植牙應力值的差別。分析結果顯示：種植牙全瓷冠在咬合時接觸形式為帶有B點的多點接觸，有利于全瓷冠及植體周圍骨組織的應力均勻分布。ACHARYA等[21]認為咬合過程中種植修復體的牙冠在只有中央窩接觸的種植保護比在牙尖交錯中受到的應力更小。

4.2冠/種植體比值 冠/種植體比值是影響種植體修復的重要因素，高冠/種植體比值可以增加斜向載荷下種植修復體的杠桿效應，從而增大種植修復牙齒承受的應力。江鷺鷺等[22]用有限元分析了冠根比分別設定為1∶1.5、1∶1、1.5∶1、2∶1和3∶1的五組下頜單顆種植修復義齒的生物力學行為特點。分析得出垂直載荷下，冠根比對模型整體應力分布及Von Mises應力峰值的影響不明顯；斜向載荷下，增大冠根比會使種植修復義齒產(chǎn)生的應力峰值明顯增大。DE MORAES等[23]建立了1個種植體(3.75 mm×10.0 mm)和3個高度為10.0、12.5 mm和15.0 mm的冠三維模型，三維有限元分析得出的結果也與上述觀點一致。

5 種植橋體修復

多個種植體上部修復結構采用連冠能有效分散咬合力，尤其是能分散側向力對冠根比過大的短植體修復橋體的作用，防止過載的咬合力導致單顆種植體周圍的骨質吸收速度加快[24]；連冠修復可以減少上部修復體旋轉和中央螺絲松脫的概率，從而起到增加修復體固位力、防止脫落的作用。但連冠的設計增加修復體制作的難度，不利于口腔衛(wèi)生的維護。

多個后牙連續(xù)缺失時，理想的種植方案為在牙缺失的區(qū)域植入與缺牙數(shù)目等同的種植體數(shù)目。但常由于患者自身解剖條件限制或經(jīng)濟條件不佳，無法達到該理想狀態(tài)，只能通過減少種植體數(shù)目和上端修復體使用橋體來修復牙列缺損。TONIOLLO等[25]認為植入植體的數(shù)目多時，種植修復體各個部位受到的應力可以得到更好的分散。GENKOGLU等[26]得出在垂直載荷下，2個種植體支撐三單元懸臂梁式連冠產(chǎn)生的應力最大；2個種植體支撐三單元連冠與3個種植體支撐三單元連冠這兩種修復體周圍骨質受到應力大小相近；2個種植體支撐二單元連冠時，植體周圍骨受到的應力最小。在斜向載荷下，3個種植體支撐三單元連冠產(chǎn)生的應力最小。

6 天然牙-種植體聯(lián)合修復

種植體與周圍牙槽骨產(chǎn)生骨結合，兩者緊密接觸，缺乏天然牙根與牙槽骨之間的牙周膜軟組織。在頜力作用下，種植修復體由于缺乏牙周韌帶的緩沖過程將導致壓力直接傳導至牙槽骨上。所以種植修復體與天然牙的生物力學行為并不一致。在受到垂直向載荷的天然牙-種植體聯(lián)合修復固定橋中，種植體端產(chǎn)生的應力大于天然牙端；當受到斜向載荷時，植體端產(chǎn)生的應力是天然牙端的3倍；且植體端的運動幅度小于天然牙端[27]。因此種植體端承擔了絕大部分的垂直和斜向載荷。這一現(xiàn)象可導致橋體的天然牙端下沉、種植體周骨創(chuàng)傷導致骨吸收、聯(lián)合固定橋松動、折斷或脫落。雖然已有臨床研究表明，天然牙-種植體聯(lián)合修復成功率與種植牙-種植牙聯(lián)合固定修復成功率相近，累計成功率分別為98.45%和94.9%，差異無統(tǒng)計學意義[28]。但天然牙-種植體聯(lián)合修復固定橋仍未被臨床醫(yī)生采納應用，僅在患者自身經(jīng)濟狀況不佳或解剖條件存在限制時考慮應用該方案。

研究者通過優(yōu)化天然牙-種植體聯(lián)合固定義齒的結構來降低種植端受到的應力。TSOUKNIDAS等[29]用三維有限元分析法評估當牙種植體聯(lián)合固定義齒的天然牙上使用附著體或套筒冠時不同的連接方式(剛性與非剛性)對固定修復義齒所受的應力產(chǎn)生影響。結果表明：當使用非剛性連接，上部支持結構(牙齒和種植體)的應力分布和位移發(fā)生變化。DE PAULA等[30]研究得出了牙種植體聯(lián)合固定義齒的植體端采用內六角植體比外六角植體存在更低的生物機械故障風險。

7 種植全口固定義齒

相比于種植覆蓋義齒，種植固定義齒具有咀嚼效率高、異物感小和舒適度高的優(yōu)點。對于種植固定義齒，如何設計合理的植體數(shù)目、植體植入位置、植體間傾斜角度和上部修復體結構，使其更好地發(fā)揮咀嚼性能并且減少固定義齒中發(fā)生應力集中的部位，一直是眾多學者研究的熱點。

種植固定義齒修復所需植入頜骨的種植體數(shù)目一直存在爭議。目前，最常見的植入種植體數(shù)量有4、6顆等方案。增加植體數(shù)量可以改善應力分布，卻也會增加手術難度和成本。ELSAYYAD等[31]通過三維有限元分析得出，“All-on-3”中的植體周圍骨質所受的應力大于“All-on-4”中的植體周圍骨質所受的應力，但如果患者對頜為全口義齒時，“All-on-3”方案中植體周圍骨的應力在骨吸收閾值之內，仍可以替代“All-on-4”修復方案。BHERING等[32]對“All-on-6”和“All-on-4”進行對比研究發(fā)現(xiàn)，“All-on-6”受到的應力更小，應力分布更均勻。

“All-on-6”方案可以避免“All-on-4”方案的懸臂梁設計，并可選擇進行分段式的修復設計。徐寧[33]研究，“All-on-6”無懸臂梁設計修復方案的最佳種植位點和上部修復結構分段設計，得出無牙頜行“All-on-6”修復較優(yōu)的種植位點為7、5、1和7、4、1；在種植體植入位點相同的情況下，修復橋體三段式設計的種植體頸部存在明顯應力集中，二段式設計的植體頸部應力略大于全牙弓式設計。王佳等[34]也通過三維有限元分析得出全牙弓式設計的植體各部分和周圍骨質受到的應力小于分段式，但全牙弓的上部修復橋體受到的應力大于分段式，且在牙冠連接處和前牙區(qū)牙冠存在應力集中，增大了橋體折斷的風險。

8 種植全口覆蓋義齒

無牙頜患者行種植全口覆蓋義齒修復時最少需植入2顆種植體，但在臨床應用過程中若任意一顆植體出現(xiàn)松動脫落，就可導致雙種植體支持的覆蓋義齒無法固位。所以有醫(yī)生通過植入3顆或4顆種植體來降低植體出現(xiàn)并發(fā)癥后帶來的失敗風險和分散種植體和種植體周圍骨受到的應力[35]。

種植覆蓋義齒的連接方式不同也會影響基臺、種植體及其周圍骨組織的應力大小和分布。胡鳳玲等[36]采用有限元分析了3個具有不同連接方式覆蓋義齒的應力大小和分布特點，認為圓頂型和襯墊型磁性附著體比平面型磁性附著體更能使應力均勻分布。沈丹等[37]和姜夢洋等[38]通過三維有限元分析得出Locator 附著體覆蓋義齒比球帽附著體覆蓋義齒、桿卡附著體覆蓋義齒受到的應力更小且應力分布更均勻，Locator 附著體能降低種植體周圍骨及基臺頸部受到的應力，從而降低種植體周圍骨質的吸收速度，利于覆蓋義齒的長期穩(wěn)定。

9 小 結

三維有限元分析是一個高效準確、可重復性高、可模擬各種復雜條件的生物力學研究方法，并且與患者沒有直接接觸，不對患者造成任何損傷，未來還會被繼續(xù)廣泛應用于口腔種植修復學中。但目前三維有限元分析仍存在一定的局限性。由于目前計算機軟硬件設備的限制，有限元分析存在大量的簡化，與真實的口內情況仍存在一定差距。為了減少分析軟件的運算量和運算時間，很多研究者將非線性的模型材料簡化為均勻的、各向同性的彈線性材料、簡化了物體間的接觸面設置、加載了靜態(tài)力，這也降低了有限元分析的仿真性。此外，不同學者目前對牙科材料的屬性仍未達成共識，材料的彈性模量和泊松比只是一個范圍，而沒有一個準確的數(shù)值。但是可以預想隨著材料學和計算機軟硬件的進步，三維有限元分析將會朝著更精準的建模和更復雜仿真的生物力學設定發(fā)展。