Ⅱ類骨質(zhì)量下短種植體表面設(shè)計(jì)對(duì)骨界面應(yīng)力分布的影響

劉樹發(fā),衣紅梅

(佳木斯大學(xué)附屬口腔醫(yī)院頜面外科,黑龍江 佳木斯 154002)

一個(gè)成功的人工種植體應(yīng)該和骨組織直接結(jié)合,形成良好的生物力學(xué)相容性,將咀嚼壓力均勻的分布到周圍骨組織,應(yīng)力過大或過小,都無益于種植牙周圍骨組織的重建,都將導(dǎo)致種植牙的失敗。目前國內(nèi)外關(guān)于種植體 (長度＞10mm)的生物力學(xué)方面研究很多,但是關(guān)于短種植體(長度＜10mm)的生物力學(xué)方面的研究還很少,尤其是長度≤ 7mm的短種植體。Hagi D等人[1]在2004年研究得出結(jié)論即要使長度≤7mm超短種植體成活,種植體表面的幾何形狀是一個(gè)很重要的因素。因此本實(shí)驗(yàn)就采用三維有限元方法研究Ⅱ類骨質(zhì)量下7mm長短種植體不同表面設(shè)計(jì)對(duì)種植體骨——界面應(yīng)力分布的影響,從生物力學(xué)方面為短種植體的新產(chǎn)品開發(fā)和臨床設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 模型的建立與組裝

1.1.1 上頜骨后區(qū)模型的建立

采用螺旋 CT掃描正常成人頜骨,自上頜牙弓咬合平面開始至眶上緣做連續(xù)橫斷掃描 ,得到45幅二維 CT掃描斷層圖像。掃描參數(shù)設(shè)定為螺旋層厚1.5mm,床進(jìn)速度1mm/s,球管電流與電壓125mA/120kV。圖像數(shù)據(jù)為 DICOM格式。將45幅 DICOM格式的顱頜部位的二維 CT掃描斷層圖像直接輸入到計(jì)算機(jī)3D-Doctor軟件中。描記上頜骨后牙區(qū)、上頜竇的輪廓位圖,自動(dòng)生成 X、Y、Z軸三維坐標(biāo)化數(shù)據(jù),以word格式數(shù)據(jù)存入計(jì)算機(jī)。最后將 word格式坐標(biāo)數(shù)據(jù)導(dǎo)入ABAQU S軟件中建立骨Ⅱ類骨質(zhì)量(皮質(zhì)骨厚度1.6mm,皮質(zhì)骨彈性模量13Gpa,松質(zhì)骨彈性模量5.5Gpa,皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨泊松比均為0.3)[2,3]的上頜骨后牙區(qū)、上頜竇的三維有限元網(wǎng)格模型。

1.1.2 短種植體模型的建立

應(yīng)用3D— Doctor軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,具體數(shù)據(jù)如下:

種植體的定量:圓柱形;直徑為4.5mm;長度為 7.0mm。種植體的變量:表面設(shè)計(jì)如下:(1)三角型螺旋短種植體:螺距 0.8mm,齒高 0.4mm,寬度 0.2mm,螺紋頂角 30°。(2)支撐型螺旋短種植體:螺距0.8mm,齒高0.4mm,寬度 0.2mm,螺紋頂角 15°。(3)反支撐型螺旋短種植體:螺距 0.8mm,齒高0.4mm,寬度 0.2mm,螺紋頂角 15°。(4)鰭式非螺旋短種植體:齒距 0.8mm,齒高 0.4mm,寬度 0.2mm,頂角 15°。

圖1 種植體表面設(shè)計(jì)示意圖

在各種植體上模擬基臺(tái)高度為5mm,其上模擬2mm氧化鋯全瓷厚。最后將這4個(gè)模型分別導(dǎo)入 ABAQUS軟件中建立有限元網(wǎng)格模型(材料屬性見表1)。

最后將這4個(gè)模型分別導(dǎo)入 ABAQUS軟件中建立有限元網(wǎng)格模型并分別與Ⅱ類骨質(zhì)量上頜后區(qū)模型進(jìn)行組裝。

表1 種植材料屬性

1.2 單元與節(jié)點(diǎn)

模型用 10節(jié)點(diǎn)四面體和20節(jié)點(diǎn)六面體劃分,在種植體-骨界面進(jìn)行細(xì)劃。模型分別由 51601～ 56768單元和71387～78241節(jié)點(diǎn)組成。

1.3 實(shí)驗(yàn)條件假設(shè)

種植體各部件之間以及種植體與上部結(jié)構(gòu)之間設(shè)定為完全精確吻合。各組織均為連續(xù)、各向同性、均質(zhì)的線彈性材料。對(duì)骨塊的上邊緣和近遠(yuǎn)中邊緣進(jìn)行固定約束。骨-種植體界面設(shè)定為完全的骨整合,在載荷作用下二者無相對(duì)滑動(dòng)。

1.4 加載條件[4]

(1)垂直載荷:方向與種植體長軸一致,由牙合方指向齦方,加載大小為200N。(2)側(cè)向載荷:方向與種植體長軸成45°,由腭側(cè)指向頰側(cè),加載大小為100N。

1.5 分析方法

本研究采用 Altair Hyperview8.0軟件對(duì)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算分析。沿牙槽頰腭方向 ,通過種植體中心縱剖有限元模型,觀察各組模型的三維有限元應(yīng)力分布云圖,得出各組模型的應(yīng)力峰值數(shù)據(jù)。分析指標(biāo):(1)垂直、側(cè)向載荷下每種模型的應(yīng)力分布特征;(2)皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨 Von-Mises應(yīng)力峰值。

2 結(jié)果

2.1 皮質(zhì)骨的應(yīng)力分布

在所有模型垂直加載時(shí),皮質(zhì)骨應(yīng)力主要分布在種植體頸部周圍,呈環(huán)狀分布。側(cè)向加載時(shí) ,皮質(zhì)骨應(yīng)力分布在種植體頸部頰腭兩側(cè),其中頰側(cè)為主要應(yīng)力區(qū)。在這兩種加載下,得出同樣結(jié)果即各種表面設(shè)計(jì)皮質(zhì)骨 EQV應(yīng)力云圖均相似。

2.2 松質(zhì)骨的應(yīng)力分布

在所有模型垂直加載時(shí),松質(zhì)骨應(yīng)力主要集中分布在種植體頸部和根部的周圍骨組織。反支撐形、支撐形和鰭式設(shè)計(jì)均表現(xiàn)出較好的應(yīng)力分布;側(cè)向加載時(shí),松質(zhì)骨應(yīng)力主要集中在種植體頸部的頰腭側(cè),且頰側(cè)大于腭側(cè)。各種表面設(shè)計(jì)松質(zhì)骨 EQV應(yīng)力云圖均相似。

2.3 EQV應(yīng)力峰值

垂直加載時(shí),鰭式非螺旋設(shè)計(jì)的松質(zhì)骨 EQV應(yīng)力峰值明顯低于其他三種設(shè)計(jì);側(cè)向加載時(shí),反支撐形螺旋設(shè)計(jì)松質(zhì)骨 EQV應(yīng)力峰值最小,但與支撐形螺旋設(shè)計(jì)和鰭式非螺旋設(shè)計(jì)沒有明顯差異;在這兩種加載下,V形螺旋設(shè)計(jì)皮質(zhì)骨 EQV應(yīng)力峰值最小,但是其松質(zhì)骨 EQV應(yīng)力峰值明顯大于其他三種表面設(shè)計(jì),見表2。

表2 皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨在200N垂直向和100N側(cè)向加載下的 EQV應(yīng)力峰值(M Pa)

3 討論

本實(shí)驗(yàn)研究目的是尋求短種植體表面設(shè)計(jì)對(duì)骨界面應(yīng)力分布的影響,因而模型就以表面設(shè)計(jì)作為變量,其中不同表面設(shè)計(jì)的主要參數(shù)都完全一致。在建立模型時(shí),以往人們?cè)诮?CT掃描的標(biāo)本選取上多采用經(jīng)防腐處理的離體標(biāo)本[5],其部分組織已受到破壞,其 CT掃描的數(shù)據(jù)結(jié)果跟實(shí)際相比較偏差較大。本研究是基于正常人活體 CT掃描,掃描的數(shù)據(jù)結(jié)果符合實(shí)際,獲得的信息全面、準(zhǔn)確,并能反應(yīng)較細(xì)致復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。然后采用數(shù)據(jù)采集精度高的3D-Doctor軟件讀取 CT掃描的原始 DICOM格式數(shù)據(jù),最后應(yīng)用網(wǎng)格處理精度高的 ABAQUS軟件進(jìn)行精細(xì)的網(wǎng)格劃分,建立三維有限元模型。近幾年,多數(shù)臨床研究表明,短種植 (長 ＜10mm)的五年成活率可達(dá)95%以上,其中還包括長≤7mm的短種植體。2000年 Friberg B等人[6]研究 6～ 7mmBranemark短種植體安置在嚴(yán)重萎縮的下頜骨,五年累計(jì)存活率為95.5%;2007年 Ma ló P等人[7]研究結(jié)果顯示 7mmBranemark短種植體五年累計(jì)存活率為96.2%;ten Bruggenkate CM等人[8]對(duì)在6年間253顆6mm長 ITI短種植體進(jìn)行1到7年的隨訪 ,結(jié)果有7顆種植失敗;San Diego CA(2006)和 Venuleo C等人[9](2008)對(duì)6mm×5.7mm Bicon短種植體都進(jìn)行長期回顧性研究也得出了同樣的結(jié)論即6mm×5.7mm Bicon短種植體五年成活率達(dá)100%。以上所應(yīng)用的 Branemark短種植和 ITI短種植表面設(shè)計(jì)均為螺紋設(shè)計(jì),但是 Bicon短種植應(yīng)用的是鰭式非螺旋設(shè)計(jì),本實(shí)驗(yàn)就對(duì)這兩種設(shè)計(jì)進(jìn)行了比較研究。結(jié)果反支撐形和支撐形螺紋設(shè)計(jì)與鰭式非螺旋設(shè)計(jì)都表現(xiàn)出了較好的應(yīng)力分布特征。通過以上結(jié)果和討論分析,得出以下結(jié)論:(1)皮質(zhì)骨的應(yīng)力分布趨勢(shì)和 EQV應(yīng)力峰值不受短種植體表面設(shè)計(jì)的影響。(2)松質(zhì)骨的應(yīng)力分布趨勢(shì)和EQV應(yīng)力峰值受短種植體表面設(shè)計(jì)的影響較大。(3)支撐形螺旋設(shè)計(jì)、反支撐形螺旋設(shè)計(jì)和鰭式非螺旋設(shè)計(jì)均適用于短種植體,應(yīng)避免應(yīng)用 V形螺旋表面設(shè)計(jì)。

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