植入位點不同對顴骨種植義齒種植體周骨應(yīng)力分布影響的研究

儲順禮 周延民 岳貴平

（1.吉林大學(xué)口腔醫(yī)院 口腔種植中心，吉林 長春 130041；2.中國第一汽車集團(tuán)公司技術(shù)中心，吉林 長春 130011）

當(dāng)上頜后牙區(qū)可用骨量嚴(yán)重不足時，學(xué)者們常常采用上頜竇外提升[1-3]的方法來增加骨量以滿足種植牙修復(fù)，但是該方法術(shù)后并發(fā)癥較多、患者的痛苦較大，患牙修復(fù)時間較長，很多患者難以接受。隨著功能性外科和功能性整復(fù)的開展，以及種植技術(shù)及相關(guān)生物材料學(xué)的發(fā)展，顴骨種植義齒修復(fù)是近年來新開展的解決上頜后牙區(qū)重度萎縮的牙缺失修復(fù)的良好辦法。

種植義齒修復(fù)其不同的植入術(shù)區(qū)常擁有不同的骨質(zhì)和骨量，如前磨牙區(qū)的骨寬度小于磨牙區(qū)的骨寬度、上頜第一磨牙區(qū)上頜竇底位置最低等，選擇不同植入術(shù)區(qū)會產(chǎn)生不同的應(yīng)力分布，這會影響種植義齒的遠(yuǎn)期成功率。在選擇顴骨種植義齒修復(fù)時，由于種植體是斜向植入到顴骨區(qū)的，植入位點不同時種植體的傾斜角度也會不同，但究竟何者更有利于種植體的長期穩(wěn)定和遠(yuǎn)期成功率目前仍無基礎(chǔ)理論。本實驗即從該角度出發(fā)，應(yīng)用三維有限元法，研究植入位點的變化對種植體骨界面應(yīng)力分布的影響，為臨床實踐提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 有限元模型的建立[4-5]

選擇1例右側(cè)上頜后牙區(qū)牙缺失、牙槽骨嚴(yán)重吸收（其牙槽嵴頂?shù)缴项M竇底的可用骨高度為4mm）、口內(nèi)無其他牙體牙周疾患的成年男性志愿者。將預(yù)先制作的咬合板戴入志愿者口內(nèi)，自上頜牙弓咬合平面開始至眶上緣做連續(xù)橫斷CT掃描，掃描參數(shù)為：螺旋層厚為1.5mm，床進(jìn)速度為1mm·s-1，球管電流與電壓125mA和120 kV，獲得45幅二維CT掃描斷層圖像，以DICOM格式將數(shù)據(jù)存入計算機(jī)，輸入到自編計算機(jī)軟件中,依據(jù)圖像各組成部分的明暗度來辨別各個層面骨皮質(zhì)、骨松質(zhì)、上頜竇腔、顴骨骨皮質(zhì)和骨松質(zhì)的邊界。描記邊界繪制上頜骨后牙區(qū)、上頜竇、顴骨的骨輪廓位圖，自動生成X、Y、Z軸三維坐標(biāo)化數(shù)據(jù)。將坐標(biāo)數(shù)據(jù)輸入計算機(jī)Altair Hypermesh軟件（由中國第一汽車集團(tuán)公司技術(shù)中心提供）中，連接各層面間坐標(biāo)點成閉合曲線，層面間拉伸形成空間實體。定義各部位骨質(zhì)的彈性模量，完成建立正常上頜骨后牙區(qū)、上頜竇及顴骨的三維有限元模型。分別在三維有限元模型的第一前磨牙區(qū)、第二前磨牙區(qū)、第一磨牙區(qū)和第二磨牙區(qū)描入種植體，途經(jīng)上頜骨、上頜竇外側(cè)壁達(dá)到顴骨最厚平面之中央處，采用圓柱形純鈦種植體，直徑為3.5mm，種植體長度為52mm，基臺的高度為8.6mm（依據(jù)口內(nèi)余留牙確定咬合平面的高度）。由于本實驗主要研究的是種植體骨界面的應(yīng)力分布規(guī)律，所以對上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡化，參考正常人上頜后牙的數(shù)據(jù)[6]設(shè)計上部結(jié)構(gòu)為圓柱形牙，直徑為7mm，高為7mm。

實驗?zāi)Ｐ偷膯卧凸?jié)點數(shù)如下表1。

表1 模型的有限元網(wǎng)格單元數(shù)和節(jié)點數(shù)Tab 1 The elements and nodes of these experimental models

1.2 材料的力學(xué)參數(shù)

有關(guān)材料的力學(xué)參數(shù)見下表2。

表2 材料的力學(xué)參數(shù)Tab 2 M echanical parameters of materials

1.3 實驗條件假設(shè)

人體生物組織的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能復(fù)雜，在對其進(jìn)行有限元研究時，往往需要對其材料特性加以簡化，以發(fā)現(xiàn)對臨床具有指導(dǎo)性的應(yīng)力分布規(guī)律，本研究對頜骨局部模型進(jìn)行了連續(xù)、均質(zhì)、各項同性假設(shè)；種植體與周圍上頜骨、顴骨為100%骨性結(jié)合，在載荷作用下二者無相對滑動。

1.4 加載條件

根據(jù)牙周潛力理論[6]設(shè)計加載力的大小為100N，加力點位于牙冠咬合面中心點處，分別進(jìn)行垂直加載、頰向30°加載（偏頰側(cè)，與牙冠長軸成30°）、舌向30°加載（偏舌側(cè)，與牙冠長軸成30°）。

1.5 計算分析

將各種工況模型輸入到ABAQUS軟件[9]中（由中國第一汽車集團(tuán)公司技術(shù)中心提供），進(jìn)行求解計算，得出各組模型的三維數(shù)字化圖像以及應(yīng)力數(shù)值，應(yīng)用Hyperviews軟件（由中國第一汽車集團(tuán)公司技術(shù)中心提供）進(jìn)行后處理分析。應(yīng)力分布圖可以集中反映顴骨種植義齒在受載荷時的應(yīng)力分布特征，列表輸出種植體-骨界面的應(yīng)力峰值，并比較大小。

2 結(jié)果

2.1 建立了上頜后牙區(qū)、上頜竇、顴骨以及顴骨種植義齒的三維有限元模型

通過CT掃描獲得了高精度的DICOM格式的圖像，利用軟件技術(shù)獲得了上頜后牙區(qū)、上頜竇、顴骨的三維有限元模型，幾何相似性好。對模型各組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行材料特性設(shè)置，并且模擬了顴骨種植義齒修復(fù)（圖1）。

2.2 顴骨種植義齒種植體周骨應(yīng)力分布

應(yīng)力主要集中在與種植體接觸的骨界面區(qū)域，距離種植體骨界面越遠(yuǎn)，骨承載的應(yīng)力越小。無論是垂直向載荷還是斜向載荷條件下應(yīng)力峰值均位于上頜骨牙槽嵴頂區(qū)。在上頜骨區(qū)，與種植體接觸的上頜竇底部以及上頜骨頰側(cè)骨質(zhì)最薄區(qū)骨承載的應(yīng)力較大。在顴骨區(qū)，與種植體接觸的上頜竇頂端（即上頜竇頂顴骨區(qū)）骨承載的應(yīng)力最大（圖2、3）。

2.3 植入位點變化對種植體周骨應(yīng)力峰值影響比較

第一前磨牙區(qū)顴骨種植體其頰側(cè)種植體暴露較多，與臨床不符（圖4）。

植入位點變化不同部位的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力如下表3～5。

對表3～5數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以看出，上頜骨牙槽嵴頂區(qū)骨界面應(yīng)力明顯高于顴骨區(qū)骨界面應(yīng)力，最大壓應(yīng)力值均大于最大拉應(yīng)力值。

上頜后牙區(qū)拉應(yīng)力峰值比較：選擇第二磨牙區(qū)植入時最大，第二前磨牙區(qū)次之，第一磨牙區(qū)最小。

上頜后牙區(qū)壓應(yīng)力峰值比較：選擇第二磨牙區(qū)植入時最大，第一磨牙區(qū)次之，第二前磨牙區(qū)最小。顴骨區(qū)拉應(yīng)力及壓應(yīng)力峰值比較：選擇第二前磨牙區(qū)植入時最大，第一磨牙區(qū)次之，第二磨牙區(qū)最小。

垂直載荷下植入位點變化時上頜后牙區(qū)及顴骨區(qū)應(yīng)力分布云圖見圖5～8。

表4 頰向30°加載時，植入位點變化時不同部位的應(yīng)力峰值/MPaTab 4 Stress peak values in different implant sites loading 30°angle buccally to the axis of tooth crown/MPa

表5 舌向30°加載時，植入位點變化時不同部位的應(yīng)力峰值/MPaTab 5 Stress peak values in different implant sites loading 30°angle lingual to the axis of tooth crown/MPa

圖5示上頜后牙區(qū)拉應(yīng)力云圖，最大拉應(yīng)力均位于牙槽嵴頂區(qū)的頰側(cè)骨皮質(zhì)區(qū)，選擇第二磨牙區(qū)植入時拉應(yīng)力更為集中。圖6示上頜后牙區(qū)壓應(yīng)力云圖，選擇第二磨牙區(qū)植入時壓應(yīng)力最為集中，第一磨牙區(qū)次之，第二前磨牙區(qū)最小。圖7示顴骨區(qū)拉應(yīng)力云圖，圖8示顴骨區(qū)壓應(yīng)力云圖，其應(yīng)力分布比較均為：選擇第二前磨牙區(qū)植入時最為集中，第一磨牙區(qū)次之，第二磨牙區(qū)最小。

3 討論

3.1 顴骨種植義齒的臨床應(yīng)用

Br?nemark教授1989年正式提出了顴骨種植義齒這一名稱，然后由Nobel Biocare公司開始生產(chǎn)和設(shè)計顴骨種植體，并將其納入Br?nemark系統(tǒng)[10-11]。2001年Bedrossian等[11]學(xué)者對上頜骨嚴(yán)重吸收萎縮的病例進(jìn)行顴骨種植義齒修復(fù)，認(rèn)為顴骨種植義齒修復(fù)可以避免大型骨移植手術(shù)和上頜竇提升術(shù)，與傳統(tǒng)的方法相比節(jié)省了大量的時間、人力和財力。近幾年其他學(xué)者[12-20]也有該方面的報道。尤其是近些年來種植牙外科技術(shù)的大力發(fā)展，使得顴骨種植義齒成為上頜后牙區(qū)嚴(yán)重吸收萎縮病例的良好修復(fù)方案。

3.2 顴骨種植義齒種植體周骨應(yīng)力分布趨勢

顴骨種植體是斜向植入到顴骨中，當(dāng)種植義齒受到載荷作用時，載荷可以分解為平行于種植體長軸方向的軸向載荷和垂直于種植體方向的水平向載荷。軸向載荷使種植體有向根方相對下沉的趨勢，水平向載荷使種植體有彎曲變形的趨勢。本研究結(jié)果表明，應(yīng)力主要集中在與種植體接觸的骨界面區(qū)域，距離種植體越遠(yuǎn)，骨承受的應(yīng)力越小。應(yīng)力在整個上頜骨及顴骨中傳遞較好，分布趨向均勻，無論是垂直向載荷還是斜向載荷條件下牙槽嵴頂區(qū)骨質(zhì)承受的應(yīng)力值最大。在上頜骨區(qū)域，與種植體接觸的上頜竇底部以及上頜骨頰側(cè)骨質(zhì)最薄區(qū)應(yīng)力較大。在顴骨區(qū)域，與種植體接觸的上頜竇頂端骨承受的應(yīng)力較大。由數(shù)據(jù)結(jié)果得知，上頜骨區(qū)承受的應(yīng)力要大于顴骨區(qū)承受的應(yīng)力，因而上頜骨區(qū)是主要承載區(qū)，應(yīng)著重考慮上頜骨區(qū)的力學(xué)分布，在適應(yīng)證選擇時也應(yīng)仔細(xì)探究上頜骨區(qū)的骨質(zhì)情況。

3.3 植入位點變化對顴骨種植體-骨界面應(yīng)力分布的影響

由實驗結(jié)果可以看到，上頜后牙區(qū)拉應(yīng)力峰值比較：選擇第二磨牙區(qū)植入時最大，第二前磨牙區(qū)次之，第一磨牙區(qū)最小。上頜后牙區(qū)壓應(yīng)力峰值比較：選擇第二磨牙區(qū)植入時最大，第一磨牙區(qū)次之，第二前磨牙區(qū)最小。顴骨區(qū)拉應(yīng)力及壓應(yīng)力峰值比較：選擇第二前磨牙區(qū)植入時最大，第一磨牙區(qū)次之，第二磨牙區(qū)最小。這些結(jié)果也可能與種植體植入位點不同時的植入角度不同有關(guān)。第一磨牙區(qū)植入時，種植體的傾斜角度要小一些，種植體所受的側(cè)向力相對較小，引起的骨質(zhì)破壞趨勢要小，綜合考慮在第一磨牙區(qū)植入種植體是最佳選擇。

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