下頜后牙游離端缺失種植固定橋連接體橫截面適宜受力面積研究

丁旭,程緯,孫應(yīng)明,曹雪,汪大林

[摘要]目的：探尋下頜后牙游離端缺失種植固定橋連接體橫截面適宜受力面積，以保證瓷層不發(fā)生斷裂。方法：在建立下頜單側(cè)后牙游離端缺失種植固定橋三維有限元模型的基礎(chǔ)上，建立不同橋體跨度不同連接體面積時(shí)的模型I-I、I-II、I-III和II-I、II-II、II-III，利用有限元分析軟件ABAQUS找出連接體變形量小于0.001mm時(shí)連接體橫截面積。結(jié)果：在模型I中和模型II中，連接體的最大變形量分別為0.00106、0.000938、0.000563、0.00118、0.000958和0.000785。結(jié)論：在第二前磨牙至第二磨牙缺失和第一前磨牙至第二磨牙缺失時(shí)，連接體橫截面積分別大于或等于4mm2和8mm2時(shí)連接變形率小于0.1%,可確保瓷層不發(fā)生斷裂。

[關(guān)鍵詞]種植固定橋；連接體；橫截面

[中圖分類號(hào)]R783 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A [文章編號(hào)]1008-6455（2012）04-0630-03

The appropriate area of cross section area of attachment body in the fixed bridge supported by implant in restoring mandibular single side distal free-end edentulism

DING Xu,CHENG Wei,SUN Ying-ming,CAO Xue,WANG Da-lin

(Department of Stomatology, No.101st Hospital of PLA,Wuxi 214044,Jiangsu,China)

Abstract:ObjectiveTo explore the appropriate area of cross section areas of attachment body in the fixed bridge supported by implant in restoring mandibular single side distal free-end edentulism for enuring that the porcelain layer is not broken.MethodsBase on a three-dimensional finite elementmodel of the fixed bridge supported by implant in restoring mandibular single side distal free-end edentulism and according to designed three different cross section areas of attachment body,we construct model I-I,I-II,I-III and model II-I,II-II,II-III. ResultsIn model I and in modedl-II,the maximum deflection of attactment body are 0.00106,0.000938,0.000563,0.00118,0.000958 and 0.000785.ConclusionIn the second premolar to second molar and first premolar to second molar missing,the cross section areas of the attachment body should be more than or equal to 4mm2 and 8mm2,and strains are less than or equal to 0.1%,to ensure that the porcelain layer is not broken.

Key words:the fixed bridge supported by implant;attachment body;cross section area

種植固定橋目前在臨床普遍應(yīng)用，橋體的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，所受應(yīng)力越大，作為橋體薄弱環(huán)節(jié)的連接體斷裂的機(jī)會(huì)也就越大。傳統(tǒng)制作工藝只要求連接體的面積不小于4mm2[1]，但是對(duì)橋體的長(zhǎng)度和面積之間并沒有給出關(guān)系。此外，由于牙科陶瓷折斷前能承受的變形率約為0.1%[2]，由于金屬連接體部外包裹瓷層，可以根據(jù)連接體的變形量而反求瓷層的變形量，因此連接體變形量≤0.1%時(shí)，可保證瓷層不斷裂。本文旨在研究不同橋體長(zhǎng)度下連接體橫截面積為多少時(shí)其變形率≤0.1%，進(jìn)而保證瓷層不斷裂。

1材料和方法

1.1三維有限元模型的建立：利用ATOS掃描儀，數(shù)字影像傳輸、轉(zhuǎn)錄和Imageware及CATIA軟件相結(jié)合的方法，建立下頜單側(cè)后牙游離端缺失種植固定橋三維有限元模型I和II[3]，通過局部修改，改變連接體橫截面積，在模型I和II的基礎(chǔ)上分別建立連接體橫截面積為3mm2、4mm2、5mm2時(shí)及7mm2、8mm2、9mm2時(shí)的6組模型I-I、I-II、I-III和II-I、II-II、II-III，其中模型I和II分別為第二前磨牙至第二磨牙缺失及第一前磨牙至第二磨牙時(shí)的情況。該模型由四結(jié)點(diǎn)四面體單元構(gòu)成。由于本實(shí)驗(yàn)是進(jìn)行單側(cè)后牙缺失分析，因此利用CATIA軟件提取第一前磨牙近中至第二磨牙遠(yuǎn)中處離斷的下頜骨，并去除牙齒影像，選取離斷下頜骨外層單元（2mm）作為皮質(zhì)骨，內(nèi)層單元為松質(zhì)骨；在第一及第二前磨牙處設(shè)計(jì)種植體A，在第二磨牙處設(shè)計(jì)種植體B，再將第一前磨牙至第二磨牙牙體預(yù)備成金屬烤瓷全冠均勻去除瓷層1mm后的形狀，最后將種植體、離斷下頜骨和預(yù)備后的牙冠組裝在一起，形成模型I和II，并在牙冠之間形成橫截面為圓形的連接體。模型各種組織材料假設(shè)為連續(xù)均質(zhì)的各項(xiàng)同性線彈性材料，其材料參數(shù)見表1。

1.2載荷及邊界條件：通過種植體和牙冠長(zhǎng)軸方向加載100N。將離斷下頜骨底部作為固定約束面，在X、Y、Z 3個(gè)方向的移動(dòng)均受約束，各截面間不發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)。受力時(shí)牙冠內(nèi)冠與基臺(tái)接觸處，種植體周圍為剛性約束。

1.3.計(jì)算分析：利用ABAQUS軟件找出不同情況下不同連接體變形量≤0.001mm時(shí)連接體橫截面積。

2結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)通過最大變形量表示連接體變形。模型I-I最大變形量為0.00106mm、I-II最大變形量為0.000938mm、I-III最大變形量為0.000563mm；模型II-I最大變形量為0.00118mm、II-II最大變形量為0.000958mm、II-III最大變形量為0.000785mm。

3討論

自有限元分析法應(yīng)用于口腔醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域以來，該方法被廣泛應(yīng)用于口腔醫(yī)學(xué)各個(gè)領(lǐng)域，顯示出了巨大優(yōu)越性[4]。三維有限元分析法(finite element method,FEM)是把整個(gè)結(jié)構(gòu)看作是由有限個(gè)單元連接成的幾何實(shí)體，每個(gè)小單元力學(xué)特征的總裝效果反映出結(jié)構(gòu)的整體力學(xué)特性[5]。本實(shí)驗(yàn)通過修改模型I和模型II分別得到I-I、I-II、I-III、II-I、II-II、II-III。由于傳統(tǒng)制作工藝只要求連接體的面積不小于4mm2，但是對(duì)橋體的長(zhǎng)度和面積之間并沒有給出關(guān)系，因此本模型將模型I連接體的面積設(shè)計(jì)為3mm2、4mm2、5mm2，模型II連接體的面積設(shè)計(jì)為7mm2、8mm2、9mm2，以期找出合適的面積。本模型包括皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、種植體和牙冠及連接體4部分，由于瓷層結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且對(duì)其網(wǎng)格劃分后會(huì)使計(jì)算量大增，因此為了使計(jì)算更為簡(jiǎn)便，且瓷層結(jié)構(gòu)與基底冠形狀基本一致，本模型中沒有包括瓷層部分。應(yīng)變（strain）[6]是描述材料在外力作用下形狀變化的量。通常研究的是線應(yīng)變（linear strain），可表示為：

ε=ΔL/L0

注：ε應(yīng)變，ΔL：長(zhǎng)度增量（mm），L0：指定參考狀態(tài)下的長(zhǎng)度（mm）；應(yīng)變可以用絕對(duì)值或百分比表示，如0.01或1%；在材料力學(xué)中，ε稱為桿件的線應(yīng)變，可以軸向，也可以是橫向的相對(duì)變形，所以又可以稱為變形率[7]。

本實(shí)驗(yàn)中，由于橋體連接體為橫截面相等的均勻體，因此可將其看成為桿件，其受力后必然出現(xiàn)某點(diǎn)的形變，而有限元法的原理是化整為零，通過分析每個(gè)單元的力學(xué)效應(yīng)而得出整個(gè)物件的力學(xué)特征。因此本實(shí)驗(yàn)中連接體某區(qū)域的應(yīng)變可以近似代表整個(gè)連接體應(yīng)變。如前所述，牙科陶瓷折斷前能承受的變形率約為0.1%，且金屬連接體部外包裹瓷層，可以根據(jù)連接體金屬的變形率而反求瓷層的變形率，因此連接體變形率≤0.1%時(shí)，可保證瓷層不斷裂。在種植體的應(yīng)用中，種植體上部結(jié)構(gòu)是人造冠，其材料和制作與常規(guī)冠類似，而以烤瓷熔附金屬全冠（porcelain-fused- to-metal crown,PFM）最為常用，在牙體預(yù)備時(shí)，牙體各軸面瓷層的平均厚度為0.85～1.2mm，為了計(jì)算方便，取其近似平均值1mm，因此當(dāng)瓷層的變形小于0.1%（即變形量為0.001mm時(shí)），可保證瓷層不斷裂。圖1～6為應(yīng)變圖，從藍(lán)色向紅色的顏色過渡代表了變形量逐漸增大的趨勢(shì)。文中使用了變形量概念，即當(dāng)變形率為0.1%時(shí)，瓷層的平均厚度為1mm時(shí)其變形量為0.001mm。

在模型I中，橋體的最大變形量發(fā)生在牙冠與連接體的連接處，圖中可以清楚看到連接處顯紅色。模型I-I的變形量約為模型II的1.13倍，模型I-II的變形量約為模型I-III的1.66倍，模型I-I的變形量約為模型I-III的1.88倍，從中可以看出在模型-I中，隨著連接體面積的增加，變形量逐漸減小，提示連接體橫截面積越大，則連接體的變形量越小。連接體橫截面積與變形量成反比。在3個(gè)模型中，模型I-II中連接體最大變形量沒有超過0.001mm，兩者只相差0.000062mm，而模型I-I中連接體的最大變形量超過了0.00006mm，由此可以推出連接體最大變形量為0.001mm時(shí)，連接體橫截面積在3～4mm2；由于計(jì)算機(jī)不能由變形量直接反求出連接體橫截面積（即連接體最大變形量為0.001mm時(shí)的橫截面積），而只能先通過建模再求出變形量，因此理論上需要建立無數(shù)個(gè)模型后才能試得連接體變形量為0.001mm時(shí)的橫截面積，但這樣做要浪費(fèi)大量的財(cái)力、人力及時(shí)間，且由于3～4mm2最大變形量相差0.000122mm（理論上存在無數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)），所以很難得出連接體變形量為0.001mm時(shí)的橫截面積且沒有必要。因此可以將連接體橫截面積4mm2作為一個(gè)臨界值，只要橫截面積≥4mm2時(shí)，連接體的變形率＜0.1%，這樣可以保證瓷層不發(fā)生斷裂，此與傳統(tǒng)觀點(diǎn)相似。

在模型II中，通過分析同樣可以得出連接體橫截面積與變形量成反比。在3個(gè)模型中，模型II-II 中連接體最大變形量沒有超過0.001mm，兩者只相差0.00018mm，而模型II-II與模型II-I相差了0.000222mm，由此可以推出連接體最大變形量為0.001mm時(shí)，連接體橫截面積在7～8mm2，且靠近8mm2。此與模型-I中的情況相似，所以很難得出連接體最大變形量為0.001mm時(shí)的橫截面積并且沒有必要。因此可以將連接體橫截面積8mm2作為一個(gè)臨界值，只要橫截面積≥8mm2時(shí)，連接體的變形率＜0.1%，可以保證瓷層不發(fā)生斷裂。

結(jié)合模型I和模型II，可以看到隨著橋體長(zhǎng)度的增加，連接體橫截面積需逐漸增大才可使其變形率≤0.1%，因此橋體長(zhǎng)度與連接體橫截面積成正比例關(guān)系。經(jīng)過應(yīng)變分析得出結(jié)論：在本實(shí)驗(yàn)條件下，第二前磨牙至第二磨牙缺失和第一前磨牙至第二磨牙缺失時(shí)，連接體橫截面積分別≥4mm2和≥8mm2，連接體的變形率＜0.1%，這樣可以保證瓷層不發(fā)生斷裂。

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[收稿日期]2012-01-04 [修回日期]2012-01-28

編輯/何志斌