Replace內(nèi)、外連接方式種植體-基臺內(nèi)部的應(yīng)力分析

蘭晶 徐欣 姜廣水 管延錦 黃海云 梁晉 馬曉妮

（1.山東大學(xué)口腔醫(yī)院 種植中心，山東省口腔生物醫(yī)學(xué)重點實驗室；2.山東大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，濟南 250012）

隨著口腔種植技術(shù)的飛速發(fā)展，種植義齒以其明顯的優(yōu)越性逐漸成為修復(fù)牙列缺損、牙列缺失的常規(guī)手段，同時高成功率也是廣大患者接受種植義齒的重要原因之一[1-2]。影響種植義齒成功率的因素很多，機械并發(fā)癥就是其中的主要因素之一。種植體和基臺內(nèi)部的結(jié)構(gòu)設(shè)計恰當(dāng)與否和機械并發(fā)癥的發(fā)生率有直接關(guān)系。臨床上使用的種植系統(tǒng)很多，每種種植系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)都不盡相同，其種植體與基臺的接連方式多種多樣，歸納起來主要分為兩大類：內(nèi)連接和外連接[3-4]。本研究選擇Replace External Hex種植體（外連接）和Replace Select種植體（內(nèi)連接）進行種植體-基臺內(nèi)部的應(yīng)力對比分析，以期為臨床種植體受力情況和遠期療效提供參考。

1 材料和方法

1.1 材料

Replace External Hex系統(tǒng)（Nobel Bicare公司，瑞典）種植體為仿根型的圓錐狀，表面有螺紋。種植體-基臺的連接方式為外連接，即種植體冠方向外突出1mm，其幾何形態(tài)為外六方結(jié)構(gòu)，具有較好的抵抗側(cè)向力和抗旋轉(zhuǎn)作用。兩者是通過施加一定預(yù)負荷的中心螺絲連接固定。

Replace Select系統(tǒng)（Nobel Bicare公司，瑞典）種植體形態(tài)同Replace External Hex系統(tǒng)。種植體-基臺的連接方式為內(nèi)連接，即基臺根方向外突出，種植體冠方向內(nèi)凹入。種植體凹入部分與基臺突出部分吻合，基臺突出部分的底部為圓柱狀，近齦端軸面有3個半圓形突起，起定位和抗旋轉(zhuǎn)作用。種植體和基臺是通過施加一定預(yù)負荷的中心螺絲連接固定。

Unigraphics（簡稱UG）軟件，具有三維實體建模、裝配建模等功能，能生成直觀可視的數(shù)字虛擬產(chǎn)品。MSC.Marc/Mentat為非線性有限元分析軟件。

1.2 模型幾何尺寸和材料參數(shù)

用螺旋測微器（千分尺）測量Replace External Hex系統(tǒng)和Replace Select系統(tǒng)的種植體（直徑4.3mm、長度13mm）、基臺及中心螺絲。

商業(yè)純鈦（CP Ti）的性能參數(shù)由公司提供。純鈦為各向同性材料，它的性能參數(shù)：楊氏模量為96GPa；抗拉強度為240～550MPa；撓曲強度為170～485MPa；疲勞極限為240MPa；泊松比0.34。

選取一具34、35、36和37缺失的成人下頜骨實體標(biāo)本，缺牙區(qū)牙槽骨無明顯吸收。人體下頜骨屬于各向異性材料，其性能參數(shù)：皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨的楊氏模量分別為13 700、1 370MPa；泊松比均為0.3。

1.3 三維有限元模型的建立和處理

1.3.1 下頜骨三維計算機輔助設(shè)計（computer aided design，CAD）模型的建立和處理 利用螺旋CT對缺牙區(qū)進行掃描，掃描體位為垂直于局部下頜骨邊緣。選取其中一個斷面，將圖像剪貼到二維CAD軟件，根據(jù)CT圖片的斷面輪廓描出光滑的截面曲線，并按一定比例將截面曲線放大到下頜骨截面的實際尺寸。根據(jù)下頜骨的結(jié)構(gòu)，考慮皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨的不同組織和性能，假定皮質(zhì)骨（2mm）為包裹在松質(zhì)骨外側(cè)且厚度均勻的一層組織。利用UG軟件組成下頜骨的三維實體模型。

1.3.2 種植系統(tǒng)三維CAD模型的建立和處理 根據(jù)實際測量的Replace External Hex系統(tǒng)和Replace Select系統(tǒng)的尺寸，在UGⅡ軟件中分別建立基臺、種植體、中心螺絲的三維CAD模型，然后利用UGⅡ軟件的裝配功能將各零件依據(jù)它們相互之間的裝配關(guān)系，建立種植系統(tǒng)的三維裝配圖，從而構(gòu)建了2種種植系統(tǒng)的三維CAD模型。

1.3.3 植入下頜骨的種植系統(tǒng)的三維CAD模型的建立 根據(jù)所建立的下頜骨、種植系統(tǒng)的三維CAD模型，利用UGⅡ中布爾運算的subtract（差集）功能，建立植入下頜骨的種植系統(tǒng)的三維CAD模型。

1.3.4 有限元網(wǎng)格離散 離散時采用四面體三維實體單元，而且離散時由于下頜骨（包括皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨）、種植體、基臺、中心螺絲分別為5個不同的實體，離散時考慮各實體界面處的網(wǎng)格協(xié)調(diào)。

1.3.5 多體接觸的處理 整個種植系統(tǒng)由下頜骨（包括皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨）、種植體、基臺、中心螺絲多部分組成。各部分之間靠定義相互接觸關(guān)系來確定承載時各部分之間載荷的傳遞。確定各實體相互之間的摩擦系數(shù)為0.3，由于螺絲的緊固作用，使種植體、基臺之間產(chǎn)生了相互作用的壓緊力，分析時取螺絲的預(yù)緊力大小為100N（根據(jù)臨床預(yù)負荷為35N·cm計算得出）。

1.4 分析條件假設(shè)

模型材料和組織假設(shè)為連續(xù)、均質(zhì)、各向同性的線彈性材料；材料受力變形為小變形；種植體-骨界面為100%骨整合，受力后不發(fā)生相對位移。

1.5 載荷及邊界條件

對模型施加面約束，即固定牙槽骨的第一截面和最后截面進行約束，施加完約束后，對模型施加載荷，進行有限元分析求解。將外載荷施加于基臺頂部，形式取為軸向和30°側(cè)向（由頰側(cè)斜向舌側(cè)）；綜合相關(guān)文獻資料及臨床實踐，取軸向力為200N，30°側(cè)向力為100N[5]。

根據(jù)臨床實際情況，中心螺絲預(yù)負荷為35N·cm，在計算模型中，中心螺絲的預(yù)負荷以均勻面載荷的形式施加到螺絲頭，節(jié)點數(shù)見表1。

表1 外接式和內(nèi)接式三維有限元模型的節(jié)點數(shù)和單元數(shù)Tab 1 Data of nodes and unions of three-dimensional finite element model in outside conjunction and inside conjunction

2 結(jié)果

2.1 Replace External Hex種植體-基臺內(nèi)部的應(yīng)力分布特征

軸向加載時可看出應(yīng)力主要集中在種植體與基臺接觸平面、與螺絲下部接觸區(qū)、頸部狹窄處，但應(yīng)力值基本在30MPa以下；種植體的外六方部分沒有應(yīng)力集中現(xiàn)象（圖1、2A）。30°側(cè)向加載時應(yīng)力主要集中于加載側(cè)的螺絲頭部，應(yīng)力值在65 MPa以上，種植體上部（外六方體、植體基臺接觸平面、頸部狹窄處、與螺絲下部接觸區(qū)）應(yīng)力集中也比較明顯，應(yīng)力值在30MPa（圖2B、3）。30°側(cè)向加載時種植體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值高于軸向加載，提示臨床修復(fù)時應(yīng)避免產(chǎn)生過大的側(cè)向力，以防出現(xiàn)種植體破壞現(xiàn)象。種植體的中心螺絲應(yīng)力集中均不明顯。

2.2 Replace Select種植體-基臺界面的應(yīng)力分布特征

軸向加載時應(yīng)力主要集中在種植體頸部狹窄處和種植體與基臺的接觸平面，頸部狹窄處為應(yīng)力最集中處，插入體和螺絲中下部應(yīng)力集中不明顯。種植體內(nèi)部應(yīng)力值高于Replace External Hex種植體的應(yīng)力值（圖2C、4）。30°側(cè)向加載時應(yīng)力集中于非加載側(cè)的種植體頸部狹窄處和螺絲頭部，應(yīng)力值都在60MPa以上，種植體與基臺接觸平面的應(yīng)力在30MPa以上，插入體和螺絲下部的應(yīng)力值在20MPa（圖2D、5）。30°側(cè)向加載時種植體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值高于軸向加載，提示臨床修復(fù)時應(yīng)避免產(chǎn)生過大的側(cè)向力，以防出現(xiàn)種植體破壞現(xiàn)象。種植體的中心螺絲應(yīng)力集中均不明顯。

3 討論

3.1 三維模型的建模及施力特點

本研究建模的特點是實體建模，采用螺旋CT掃描下頜骨缺牙區(qū)，所形成的CT圖像為垂直于下頜骨邊緣的頜骨縱向剖面圖像，能清晰地反映下頜骨高度、寬度、下牙槽神經(jīng)的位置及皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨的厚度，將此圖像進行平滑處理和截面拉伸處理，得到部分下頜骨的三維模型。種植體、基臺和中心螺絲三維模型主要是依靠測量真實種植體等各部分的數(shù)據(jù)，輸入至計算機內(nèi)，利用UG軟件的強大圖形處理功能建立逼真的圖像。由于中心螺絲的螺紋非常細小，很難將其網(wǎng)格化，即使勉強網(wǎng)格化后，分析時容易出現(xiàn)穿透現(xiàn)象，出錯率增高，影響結(jié)果的真實性，所以，2種結(jié)構(gòu)的中心螺絲均未加螺紋，保證結(jié)果的可比性，但仍按實際情況在螺絲上加載一定的預(yù)負荷。就本研究所關(guān)心的問題而言，各模型的建立具有模擬真實性，在各模型簡化條件相同的情況下，進行影響因素的研究時，其他相關(guān)因素保持不變[5]。

3.2 應(yīng)力分布特點

本研究2種結(jié)構(gòu)相比較，Replace External Hex種植體內(nèi)部應(yīng)力值均明顯小于Replace Select種植體。軸向加載時Replace External Hex種植體的應(yīng)力主要集中在種植體頸部狹窄處和種植體基臺的接觸平面，側(cè)向加載時應(yīng)力主要集中在加載側(cè)的種植體頸部狹窄處、種植體基臺接觸平面和外六方體，而且應(yīng)力值明顯高于軸向加載時，提示在臨床上應(yīng)避免或盡量減小側(cè)向力，防止出現(xiàn)個別部位的應(yīng)力集中，使種植體-基臺結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性受到影響。Replace Select種植體軸向加載和側(cè)向加載時的應(yīng)力都非常明顯地集中在種植體頸部狹窄處，根據(jù)力學(xué)原理，機械疲勞最易發(fā)生在應(yīng)力集中區(qū)及其附近區(qū)域，所以受力過大可能更容易導(dǎo)致種植體折斷，使種植義齒完全失敗。

平面接觸式的種植體和基臺不論是何種結(jié)構(gòu)形式都必須通過中心螺絲連接固位，因此螺絲的作用是很關(guān)鍵的。種植常見的并發(fā)癥就是中心螺絲松動，當(dāng)咬合力超過中心螺絲的屈服強度時，螺絲發(fā)生變形，螺紋之間不再緊密接觸，這使螺絲的預(yù)負荷降低，基臺與種植體接觸的緊密程度也隨之降低，同時咬合力會進一步加劇螺絲松動、變形甚至折斷。本研究的結(jié)果表明Replace External Hex和Replace Select系統(tǒng)的2種螺絲應(yīng)力值均不大（除與基臺接觸的螺絲頭部，因為此處是預(yù)負荷直接加載處），螺絲下部有應(yīng)力集中趨勢但不明顯，提示2種種植體的結(jié)構(gòu)均不易導(dǎo)致中心螺絲松動、折斷。同時三維有限元的分析結(jié)果與筆者臨床實踐結(jié)果相符。

[1]Sones AD.Complications with osseointegrated implants[J].J Prosthet Dent,1989,62（5）：581-585.

[2]Kirsch A,Ackermann KL.The IMZ osteointegrated implant system[J].Dent Clin North Am,1989,33（4）：733-791.

[3]王少安,巢永烈.種植體-基樁（臺）界面結(jié)構(gòu)的研究[J].國外醫(yī)學(xué)口腔醫(yī)學(xué)分冊,2001,28（5）：283-285.Wang Shaoan,Chao Yonglie.Research of implant-abutment interface structure[J].Foreign Medical Sciences（Stomatology）,2001,28（5）：283-285.

[4]湯春波,韓科,周延民.植入體-基臺連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計與研究[J].口腔頜面修復(fù)學(xué)雜志,2002,3（1）：61-63.Tang Chunbo,Han Ke,Zhou Yanmin.Design and research of implant-abutment conjection structure[J].Chin J Prosthodont,2002,3（1）：61-63.

[5]蘭晶,徐欣,姜廣水,等.2種接連方式種植體的骨界面應(yīng)力分析[J].華西口腔醫(yī)學(xué)雜志,2008,26（4）：443-447.Lan Jing,Xu Xin,Jiang Guangshui,et al.Three-dimensional finite element analysis of bone surface stress of two kinds of conjunction implant[J].West China J Stomatol,2008,26（4）：443-447.

[6]趙靜輝,周延民,李春艷.種植體螺紋位置對應(yīng)力分布影響的有限元研究[J].華西口腔醫(yī)學(xué)雜志,2008,26（6）：584-587.Zhao Jinghui,Zhou Yanmin,Li Chunyan.Finite element analysis of the effects of implant thread locations on stress distribution[J].West China J Stomatol,2008,26（6）：584-587.