種植體修復(fù)上部義齒不同頜面形態(tài)設(shè)計(jì)的三維有限元分析

戴東曉 李偉 于靜 趙暖 翟秀英 侯曉薇

種植體－骨界面整合的形成以及種植體－骨界面的應(yīng)力傳導(dǎo)是影響種植修復(fù)成功的關(guān)鍵因素。上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng)是導(dǎo)致修復(fù)失敗的重要原因，尤其頜面設(shè)計(jì)不當(dāng)會(huì)造成種植體周圍應(yīng)力分布不均勻而產(chǎn)生較大的側(cè)向力。本研究通過建立種植體及上部修復(fù)體的三維有限元模型，并進(jìn)行應(yīng)力研究，探究種植體修復(fù)上部義齒不同牙合面形態(tài)對(duì)種植體-骨界面應(yīng)力傳導(dǎo)的影響，為種植后臨床修復(fù)設(shè)計(jì)與制作提供研究理論依據(jù)，以提高種植修復(fù)的成功率。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料 本實(shí)驗(yàn)基于Pro/E2.0軟件的自適應(yīng)功能，參照FRIALIT-Ⅱ種植體及標(biāo)準(zhǔn)牙頜模型(右下第二前磨牙牙尖斜度約為35°)，通過修改牙合面形態(tài)建立九種包含牙種植體及其上部結(jié)構(gòu)、下頜骨骨塊的三維實(shí)體模型，通過建模、試驗(yàn)假設(shè)和參數(shù)設(shè)定，以及數(shù)據(jù)分析完成試驗(yàn)。

1.2 建模

1.2.1 三維有限元模型的建立:測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)牙頜模型右下第二前磨牙牙合面、頰面、舌面、近遠(yuǎn)中面各尖、嵴、軸角及邊緣的長(zhǎng)度、角度、弧度等，將數(shù)值輸入Pro/E建模軟件中，建立標(biāo)準(zhǔn)牙冠的3D模型。應(yīng)用Pro/E軟件在計(jì)算機(jī)上建立圓柱型臺(tái)階種植體及其上部結(jié)構(gòu)的3D模型，并在上部結(jié)構(gòu)的表層均勻涂布30 μm的粘接劑層。建立下頜骨骨塊的3D模型，骨塊簡(jiǎn)化為內(nèi)部為松質(zhì)骨，外部包繞1.3 mm厚的皮質(zhì)骨的矩形方塊［1］。使用AUTO-CAD軟件軟件對(duì)牙冠牙合面進(jìn)行修改，改變牙尖斜度(15°、25°、35°)及頰舌徑(為正常頰舌徑的 100%、80%、60%)，建立九種牙合面形態(tài)的三維模型。將各單位組裝成一整體，使用Pro/E軟件的Ansyswork-bench無縫接口，將實(shí)體模型直接導(dǎo)入Ansys軟件中得到可用于分析的3D模型。

1.2.2 三維模型網(wǎng)格劃分:用自動(dòng)智能劃分及手控制劃分的方法全部采用10節(jié)點(diǎn)四面體單元對(duì)九個(gè)不同模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。保證不同模型的相同部位劃分網(wǎng)格時(shí)尺寸相同。

1.3 實(shí)驗(yàn)假設(shè)與參數(shù) 假設(shè)種植體和頜骨之間為骨性接合，接合面連續(xù)、均勻、一致，修復(fù)體和種植體之間亦假設(shè)為固定接觸。假設(shè)本研究中的所有材料為連續(xù)的、均質(zhì)、各向同性的線彈性材料。材料參數(shù)均來自于文獻(xiàn)報(bào)道［2］，見表1。對(duì)下頜骨下緣及頰舌面的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行三向平移及旋轉(zhuǎn)約束。實(shí)驗(yàn)采用面力加載的方式，加載部位是牙合面舌尖的頰斜面和頰尖的舌斜面及頰斜面的牙合1/3［3］。根據(jù)中國人的平均咀嚼力，并參考教科書，加載數(shù)值為1.0 Mpa。

表1 相關(guān)材料參數(shù)類型

1.4 數(shù)據(jù)分析 采用Ansys10.0專用軟件作有限元分析，在種植體-骨界面測(cè)試Von Mises應(yīng)力的最大值、最小值及其位置。

2 結(jié)果

九種試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮诓煌d荷條件下Von Mises應(yīng)力的最大值、最小值見表2;應(yīng)力集中的位置見圖1、2，種植體頸部的骨皮質(zhì)是應(yīng)力集中區(qū)，不同試驗(yàn)條件下VonMises應(yīng)力最大值均位于種植體種植體舌側(cè)頸部周圍的骨皮質(zhì)。

表2 九種牙合面形態(tài)的的Von Mises應(yīng)力的最小值和最大值MPa

圖1 牙尖斜度為35°，減徑為100%時(shí)的應(yīng)力分布舌側(cè)觀

圖2 牙尖斜度為15°，減徑為60%時(shí)的應(yīng)力分布舌側(cè)觀

3 討論

3.1 模型的相似性和載荷的真實(shí)性 本研究利用Pro/E專業(yè)CAD設(shè)計(jì)軟件，根據(jù)種植體和牙冠的真實(shí)參數(shù)直接繪制出其形態(tài)，準(zhǔn)確的表達(dá)細(xì)微特征，另外該軟件與ansys workbench軟件具有無縫接口功能，可以將Pro/E軟件中裝配的三維實(shí)體模型直接導(dǎo)入ansys有限元軟件中進(jìn)行分析，避免了數(shù)據(jù)的丟失，故本論文中三維模型的幾何相似性比以往有相當(dāng)?shù)奶岣摺１狙芯坎捎迷谙骂M牙正中咬頜狀態(tài)下的工作面施以面力加載，更符合牙齒的一般工作時(shí)的實(shí)際情況。

3.2 牙尖斜度和減徑程度的選擇 曾有文獻(xiàn)在作受力分析的研究時(shí)把義齒的牙尖斜度設(shè)計(jì)為45°等，實(shí)際工作中義齒的牙尖斜度都不超過解剖式牙的牙尖斜度(≤35°)，故本研究將義齒的牙尖斜度設(shè)計(jì)為35°、25°與15°，更符合臨床實(shí)際。關(guān)于減徑的程度，本研究考慮到右下第二前磨牙的牙冠直徑較小，過分的減徑會(huì)造成模型比例的失真，故選擇了100%、80%、60%的三種程度。在工作中我們還可以通過加大外展隙、加深頰、舌溝和加深副溝等方式達(dá)到變相減徑的效果。

3.3 種植體頸部周圍應(yīng)力 本研究表明，種植體頸部周圍的皮質(zhì)骨內(nèi)均有較大的應(yīng)力集中，種植體根端處不出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)，種植體頸部的應(yīng)力值的數(shù)量級(jí)與以往文獻(xiàn)的報(bào)道［4］一致。在臨床上和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，常發(fā)現(xiàn)在種植體頸部周圍的牙槽骨出現(xiàn)所謂的“碟形吸收”，這可能就是由于頸部周圍骨內(nèi)的應(yīng)力集中所致。應(yīng)力最小值出現(xiàn)在種植體頰側(cè)中部周圍的骨質(zhì)處，表現(xiàn)為壓應(yīng)力，這可能因?yàn)樵诒驹囼?yàn)的條件下，由于皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨的彈性模量不同，種植體在載荷的作用下產(chǎn)生Ⅰ類杠桿式的位移傾向，中間部分位移傾向較小，產(chǎn)生的應(yīng)力亦相對(duì)較小。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明:(1)在義齒牙合面減徑程度相同的情況下，隨著牙尖斜度增大，vonMises應(yīng)力最大值亦增大。(2)義齒牙合面牙尖斜度相同的情況下，減徑的程度越大，vonMises應(yīng)力最大值隨之減小。(3)單獨(dú)改變義齒的牙尖斜度或頰舌徑兩因素之一，即可影響種植體周圍骨質(zhì)的受力情況，而通過降低義齒牙尖斜度和減徑措施的聯(lián)合應(yīng)用，可以大幅度降低種植體頸部周圍的皮質(zhì)骨內(nèi)的應(yīng)力數(shù)值。

本實(shí)驗(yàn)證實(shí)了臨床上常用的為了分散、減小牙合力而采取降低義齒牙尖斜度及減小義齒頰舌徑措施的有效性，兩者聯(lián)合應(yīng)用可以更加有效地保護(hù)種植體-骨界面受到過大的集中應(yīng)力，提高種植體的成活率。

1 Eriko K，Roxana S，Shuichi N，et al.Biomechanical aspects of marginal bone resorption around osseointegrated implants:considerations based on a three-dimensional finite element analysis.Clin Oral Impl Res，2004，15:401-412.

2 Chun HJ，Cheongs YJ，Hanh，et al.Evaluation of design parameters of osseointegrated dental implants using finite element analysis.Journal of Oral Rehabilitation，2002，29:565-574.

3 呂純潔，董湘懷，潘衛(wèi)紅，等.上頜第二磨牙的三維有限元模型及受力分析.臨床口腔醫(yī)學(xué)雜志，2005，21:209-211.

4 Eriko K，Roxana S，Shuichi N，et al.Biomechanical aspects of marginal bone resorption around osseointegrated implants:considerations based on a three-dimensional finite element analysis.Clin Oral Impl Res，2004，15:401-412.