微種植體支抗遠(yuǎn)移下頜磨牙的生物力學(xué)研究

范星星，柯 杰，趙桂芝，鄭 棟，王 蕊，劉 璐，劉 楊

(1.安徽醫(yī)科大學(xué)，安徽 合肥 230032;2.空軍總醫(yī)院口腔科，北京 100036)

推磨牙遠(yuǎn)移是非拔牙矯治中比較常用的方法。由于下頜骨骨質(zhì)致密，遠(yuǎn)移下頜磨牙比較困難，常需要較強(qiáng)的支抗控制。以往臨床上多采用組牙支抗、舌弓等方法，但都有不同程度的支抗喪失。近年來，微種植體支抗作為骨支抗為正畸治療提供了所謂的“絕對支抗”［1］，但微種植體植入部位、支抗方式等需根據(jù)具體情況靈活掌握，究竟何種方式最有利于遠(yuǎn)移下頜磨牙，目前還不太清楚。本實(shí)驗(yàn)將從生物力學(xué)的角度，對微種植體支抗遠(yuǎn)移下頜磨牙時(shí)微種植體和牙齒的位移及應(yīng)力分布情況進(jìn)行研究，以期為臨床治療提供參考。

1 材料和方法

1.1 建模素材

1.2 直絲弓－托槽－牙列－微種植體－下頜骨模型建立

參照文獻(xiàn)［2］報(bào)道的方法，使用螺旋CT掃描技術(shù)對受試者頭顱頜骨區(qū)進(jìn)行連續(xù)橫斷層掃描。掃描結(jié)束后選取包括下頜骨及牙齒的圖像430幅，并將數(shù)據(jù)以DICOM 3.0格式導(dǎo)人Mimics 10.01前處理軟件中。然后根據(jù)牙體組織和骨組織灰度值的差異，通過閾值化操作提取下頜骨及牙體結(jié)構(gòu)的相關(guān)信息，并在牙根表面向外均勻擴(kuò)展0.2 mm生成牙周膜;同時(shí)生成下頜骨及牙列的CAD曲面模型。參照德國非凡公司提供的直徑1.5 mm、長度9 mm純鈦微型種植體和MBT卵圓形弓形圖，在CAD軟件 Solidwork 2007中建立微種植體和0.019″×0.025″不銹鋼方絲的實(shí)體模型。將牙列模型和標(biāo)準(zhǔn)MBT托槽、頰面管的模型(新亞公司提供，槽溝寬度為 0.022″)導(dǎo)入 Solidwork 2007 軟件中，調(diào)整弓絲位置使其平行于下頜平面后，先確定弓絲，再定位托槽，最后定位牙齒，以模擬排齊整平的牙列;然后將微種植體分別植入于第二前磨牙與第一磨牙牙根間、第一二磨牙牙根間、下頜外斜線;最后將整體幾何模型以IGES格式導(dǎo)出。

1.3 整體三維有限元模型的建立

將所建立的3D幾何模型導(dǎo)入Ansys Workbench 12.0有限元分析軟件，利用Ansys中10節(jié)點(diǎn)的solid189四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分(表1)。然后通過布爾運(yùn)算將下頜骨、牙齒、牙周膜、托槽、弓絲及微種植體各自有限元模型按照兩實(shí)體界面各節(jié)點(diǎn)組合到一起，獲得整體三維有限元模型(圖1～2)。最后根據(jù)鎳鈦絲彈簧彈性性能［3］，利用彈簧單元模擬推(拉)簧，設(shè)置加載力。

表1 各組模型單元、節(jié)點(diǎn)數(shù)

圖1 托槽－弓絲－牙列－牙周膜－下頜骨三維有限元模型

1.4 材料參數(shù)和假設(shè)條件

［4－6］對本實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ退婕暗牟牧蠌椥阅Ａ亢筒此杀鹊攘W(xué)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置(表2)。

假設(shè)條件:模型中各種材料均假設(shè)為連續(xù)、均質(zhì)、各向同性的線彈性體［7］，牙周膜厚度假定為均勻的0.2 mm;將牙槽骨的底部作為固定約束面;將模型矢狀向設(shè)為X，垂直向設(shè)為Y，冠狀向設(shè)為Z，在這三個(gè)方向上的位移和旋轉(zhuǎn)均受約束;托槽與牙齒、牙根與牙周膜、牙周膜與牙槽骨、微種植體與牙槽骨之間均為粘結(jié)關(guān)系;弓絲與各個(gè)托槽之間、牙齒與牙齒之間均為接觸關(guān)系。

圖2 4組三維有限元模型

表2 模型的材料力學(xué)參數(shù)

1.5 實(shí)驗(yàn)力的加載

模型一和模型二中設(shè)定鎳鈦推簧施力為150 g，推下頜第二磨牙遠(yuǎn)移;模型三中設(shè)鎳鈦推簧施力為250 g，推下頜第一、第二磨牙遠(yuǎn)移;模型四中設(shè)鎳鈦拉簧施力為300 g，遠(yuǎn)移整個(gè)下頜牙列。

2 結(jié)果

2.1 牙周膜的最大應(yīng)力值

4組模型中牙周膜的最大Von－Mises應(yīng)力分別為 24.038、23.753、23.342、26.442 Kpa，基本符合Lee［8］提出的低于牙周膜可承受的最大應(yīng)力水平(26 Kpa)。

2.2 微種植體初始位移植及其骨界面應(yīng)力值

模型二～四的微種植體骨界面最大Von－Mises應(yīng)力值分別為3.4121、6.072、14.694 GPa，均低于皮質(zhì)骨強(qiáng)度極限31 GPa［9］。模型二～四的微種植體最大初始位移值分別為 0.27653、0.3558、0.4634 μm，均遠(yuǎn)低于微動(dòng)度臨界值 50 μm［10］。

2.3 模型一、二中各牙齒初始位移值及其位移矢量

選取左下頜中切牙至第二磨牙相應(yīng)標(biāo)志點(diǎn)，分別記錄其位移值。結(jié)果顯示:與模型一相比，模型二中第一磨牙的牙冠位移增大，牙根位移減小;中切牙至第二前磨牙無論牙冠還是牙根，各取值點(diǎn)的位移均減小，而第二磨牙各取值點(diǎn)的位移均增大(表3)。各牙的位移趨勢及其矢量如圖3所示，由于微種植體錨住了第一磨牙，前牙向前移動(dòng)的趨勢減小。

2.4 各模型中下頜磨牙的位移趨勢

4組模型中由于加載力不同，不能簡單的以位移值大小判斷磨牙的移動(dòng)效果，故選擇磨牙的移動(dòng)方式進(jìn)行比較。各模型中各磨牙的位移趨勢及其矢量如圖4所示:模型二中第一磨牙圍繞微種植體近中向傾斜，其傾斜趨勢較模型一增大，而第二磨牙遠(yuǎn)中傾斜并伴舌側(cè)扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng);模型三中所有下頜磨牙均遠(yuǎn)中傾斜;模型四中第一磨牙整體遠(yuǎn)移，第二磨牙遠(yuǎn)中傾斜，但傾斜趨勢較模型三減小。

圖3 牙齒初始位移矢量圖

表3 牙齒初始位移值(μm)

圖4 各模型中下頜磨牙位移矢量圖

3 討論

微種植體作為支抗于1997年首次應(yīng)用于正畸治療，且因其具有體積小、植入部位靈活、不依賴患者合作等優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于正畸臨床。特別是利用微種植體支抗遠(yuǎn)移下頜磨牙，一直是正畸醫(yī)生關(guān)注的焦點(diǎn)。三維有限元作為一種力學(xué)分析方法，可以很好的模擬結(jié)構(gòu)、形狀、材料力學(xué)性能、載荷等復(fù)雜的口頜系統(tǒng)，并能從生物力學(xué)角度探討牙齒受力后牙體和牙周組織的應(yīng)力分布和規(guī)律。本研究采用該方法，對微種植體支抗遠(yuǎn)移磨牙時(shí)微種植體和牙齒的受力及位移情況進(jìn)行分析，以期為臨床治療提供參考。

牙周組織內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力是推動(dòng)骨重建和正畸牙移動(dòng)的決定性因素，其應(yīng)力過大則會(huì)導(dǎo)致牙槽骨發(fā)生潛掘性吸收，并使牙齒移動(dòng)受阻。本實(shí)驗(yàn)中4組模型的牙周膜最大Von－Mises應(yīng)力，均基本符合Lee提出的低于牙周膜可承受最大應(yīng)力26 Kpa的要求［8］。微種植體骨界面的應(yīng)力主要集中在頸部骨皮質(zhì)區(qū)，若過大亦會(huì)導(dǎo)致皮質(zhì)骨的吸收，本實(shí)驗(yàn)中其最大應(yīng)力均低于皮質(zhì)骨的強(qiáng)度極限31GPa［9］。微種植體不能保持絕對的穩(wěn)定，在其負(fù)載時(shí)會(huì)有移動(dòng)的趨勢;雖然這種移動(dòng)并不會(huì)造成臨床方面的影響［11］，但若種植體與骨組織界面之間的微小動(dòng)度超過50～150 μm時(shí)，則會(huì)在種植體表面形成纖維包裹［9］，有可能導(dǎo)致種植失敗。本實(shí)驗(yàn)中微種植體初始位移值遠(yuǎn)小于50 μm微動(dòng)度臨界值，表明其具有良好的穩(wěn)定性。

微種植體支抗分為間接支抗和直接支抗。間接支抗是將微種植體與牙齒緊密結(jié)扎，錨住支抗牙，再利用鎳鈦推簧推牙齒遠(yuǎn)移。本實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ投兄星醒乐恋诙澳パ赖某跏嘉灰浦稻∮谀Ｐ鸵唬f明微種植體間接支抗起到增強(qiáng)支抗的效果。但盡管牙－種植體成為一個(gè)整體來抵抗反作用力，前牙仍會(huì)出現(xiàn)支抗喪失。模型二中第一磨牙圍繞微種植體近中向傾斜，其傾斜趨勢較模型一增大，說明前牙依然受力。直接支抗能有效避免前牙的唇傾，且因微種植體植入風(fēng)險(xiǎn)小，臨床上常將其植于第一磨牙與第二前磨牙兩牙根之間［12］，但會(huì)影響牙根的遠(yuǎn)中移動(dòng);牙列的遠(yuǎn)中移動(dòng)量也有限，一般在3 mm以內(nèi)［13］。本實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ退闹械奈⒎N植體選擇牙槽外區(qū)域的下頜外斜線為植入點(diǎn)，并平行于牙根的角度植入，可以避免對牙根移動(dòng)的影響。但是由于磨牙后區(qū)軟組織厚而且活動(dòng)度大，會(huì)加重局部軟組織的刺激和不適感，可以考慮將微種植體埋入黏膜下，并預(yù)留加力圈以方便加力。

推磨牙遠(yuǎn)移可逐個(gè)推也可成組移動(dòng)。成組牙遠(yuǎn)移需要較強(qiáng)的支抗控制，而微種植體直接支抗則能滿足該要求，微種植體可以利用鎳鈦拉簧直接連接側(cè)切牙與尖牙間的牽引鉤或前磨牙托槽牽引鉤牽拉成組牙移動(dòng)。本實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ投械牡诙パ莱霈F(xiàn)遠(yuǎn)中傾斜并伴舌側(cè)扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，模型三中的所有磨牙均遠(yuǎn)中傾斜;而模型四中的第一磨牙整體遠(yuǎn)移，第二磨牙遠(yuǎn)中傾斜趨勢也較模型三減小。以上結(jié)果提示，成組移動(dòng)時(shí)，牙齒有整體移動(dòng)的趨勢，并能阻止磨牙的遠(yuǎn)中傾斜，與Nakamura等［14］的研究結(jié)論一致。另外，當(dāng)牙齒整體移動(dòng)時(shí)牙周組織的玻璃樣變性也比牙齒傾斜移動(dòng)時(shí)少［15］，可減輕牙周組織的損傷。有研究認(rèn)為，一次性整體移動(dòng)到位所需的矯治時(shí)間比牙齒先傾斜再直立的時(shí)間短［16］;而且在水平向載荷相等的情況下，牙齒整體移動(dòng)所產(chǎn)生的最大應(yīng)力只相當(dāng)于傾斜移動(dòng)產(chǎn)生最大應(yīng)力的40%［17］，說明成組牙移動(dòng)還可提高加載力值，同時(shí)又避免了分步移動(dòng)牙齒，縮短正畸治療的周期。

本實(shí)驗(yàn)從生物力學(xué)角度分析了微種植體支抗遠(yuǎn)移下頜磨牙的適宜力值，并對微種植體直接支抗和間接支抗進(jìn)行了比較。結(jié)果提示，間接支抗能起到增強(qiáng)支抗的效果，而直接支抗則能更好的避免前牙的唇傾;成組牙遠(yuǎn)移較逐牙遠(yuǎn)移更有利于磨牙的整體運(yùn)動(dòng)。

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