二段式鈦合金種植牙不同彈性模量組件及其組合對骨界面應(yīng)力分布的影響

石茂林，李洪友，陳夢月

（1.華僑大學(xué) 機電與自動化學(xué)院，福建 廈門361021；2.重慶醫(yī)科大學(xué) 第一臨床學(xué)院，重慶400016）

義齒種植具有美觀舒適、咀嚼功能好、長期穩(wěn)定性好等優(yōu)點，在牙齒修復(fù)應(yīng)用中前景廣闊，已取得眾多成功的案例［1-2］.種植義齒取得長期成功的關(guān)鍵在于種植體-骨組織界面具有良好的生物相容性.生物相容性最主要的指標(biāo)是骨界面應(yīng)力.骨界面應(yīng)力過高，引起骨水平下降，出現(xiàn)“應(yīng)力屏蔽”現(xiàn)象，導(dǎo)致植入失?。还墙缑鎽?yīng)力過低，易引起骨質(zhì)疏松，對機體產(chǎn)生諸多不利影響［3-4］.因此，種植牙系統(tǒng)骨界面應(yīng)力分布研究一直是種植體生物力學(xué)的研究重點.眾多學(xué)者建立了相關(guān)模型，采用有限元法進行力學(xué)分析和優(yōu)化設(shè)計［5-8］.然而，大多數(shù)研究對種植牙結(jié)構(gòu)進行了簡化，未結(jié)合市場常見的種植牙系統(tǒng)進行分析，且主要針對組件結(jié)構(gòu)及材料的改善，未考慮醫(yī)療實踐時效性及現(xiàn)實困難.根據(jù)前期調(diào)查可知：對于一線的醫(yī)療工作者而言，種植牙系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及材料的改善雖然能明顯改善骨界面應(yīng)力情況，但不能滿足醫(yī)療手術(shù)的時效性要求.利用手術(shù)的現(xiàn)有條件，正確選用現(xiàn)有組件進行合理組合，減少骨界面應(yīng)力才是提高植入成功率最直接的方法.本文結(jié)合市場常見的兩段式鈦合金種植牙系統(tǒng)，通過Pro／E三維軟件建立鈦合金種植牙系統(tǒng)骨組織模型，采用Ansys Workbench 14.5對骨界面接觸應(yīng)力進行分析，提出種植牙系統(tǒng)的改進方法.

1 材料和方法

參考瑞士某公司產(chǎn)品，建立種植牙系統(tǒng)模型.該模型分為種植體、基臺、中央螺絲、亞冠4個部分.種植體簡化為圓柱體全埋式結(jié)構(gòu)，直徑為4mm，長度為8mm.基臺最大直徑為4.5mm，穿齦長度為2 mm.中央螺絲直徑為1.6mm，螺紋為M1.6×0.25標(biāo)準(zhǔn)螺紋.亞冠固定長度為6.5mm.牙冠覆蓋基臺承受主要荷載.

仿照人體第一前磨牙骨組織形式及性質(zhì)建立骨組織模型，該模型包含厚度為2mm的外層致密皮質(zhì)骨和內(nèi)部疏松松質(zhì)骨.整體骨塊的長為20mm，上寬為8mm，下寬為14mm，高為17.5mm.種植牙-骨組織有限元模型剖面圖，如圖1（a）所示.

通過Pro／E三維構(gòu)圖軟件建立種植牙-骨組織模型，采用Ansys Workbench 14.5進行有限元分析.通過Pro／E與Ansys Workbench接口，將Pro／E模型導(dǎo)入到Ansys Workbench中.采用Ansys Workbench智能網(wǎng)格劃分功能，對種植牙系統(tǒng)及骨組織進行網(wǎng)格劃分，控制網(wǎng)格劃分單元的大小，如表1所示.經(jīng)過網(wǎng)格劃分的種植牙-骨組織三維模型，如圖1（b）所示.

圖1 種植牙-骨組織有限元模型Fig.1 Finite element model of dental implant and bone

表1 種植體模型網(wǎng)格劃分Tab.1 Finite element mesh of dental implant models 個

模型材料為連續(xù)、均勻、各向同性的小變形彈性材料.種植體與骨組織界面假設(shè)為理想骨性結(jié)合.種植體與基臺采用4種常見鈦合金材料力學(xué)參數(shù)，牙冠采用Co-Cr合金材料參數(shù)，中央螺絲采用TC4鈦合金材料參數(shù).種植體彈性模量分別為30，55，75，104GPa，依次設(shè)為1～4號種植體，其參數(shù)如表2所示.表2中：E為彈性模量；ν為泊松比.

種植體、基臺、中央螺絲接觸方式定義為Frictional，摩擦系數(shù)為0.45.亞冠與基臺之間接觸、種植體與骨組織接觸、松質(zhì)骨與皮質(zhì)骨接觸，均定義為Bonded.

骨組織模型側(cè)面、底面施加完全約束，并擴展到相應(yīng)節(jié)點.從種植體根部向上對模型施加相同的固定約束.結(jié)合相關(guān)文獻和臨床經(jīng)驗，在牙冠上加載豎直向下荷載200N，頰舌斜向下45°加載復(fù)合荷載45N［1-2］.中央螺絲預(yù)緊力加載荷載200N.

表2 種植牙系統(tǒng)與骨組織材料力學(xué)參數(shù)Tab.2 Dental implant system and bone material mechanics parameters

2 有限元分析結(jié)果

2.1 同一模量值基臺與不同模量值種植體骨界面的應(yīng)力分布比較

采用Von-Mises應(yīng)力作為衡量應(yīng)力水平的主要指標(biāo).基臺模量值為常見的醫(yī)用鈦合金的彈性模量值，恒為104GPa.4種不同模量鈦合金種植體骨界面應(yīng)力分布情況，如圖2，3所示.圖3中：E1為種植體模量；σ為Von-Mises應(yīng)力.由圖2，3可以看出：基臺彈性模量為定值，且荷載相同的情況下，4種種植體骨界面中，4號種植體的Von-Mises應(yīng)力最大，為0.975 35MPa.在皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨區(qū)域，最大應(yīng)力值和分布有所不同，松質(zhì)骨區(qū)域中段為最大應(yīng)力集中區(qū)域.

從4種不同模量值種植體骨界面應(yīng)力分布云圖可以看出：皮質(zhì)骨區(qū)域與松質(zhì)骨區(qū)域中段（主要受力面，對應(yīng)面為種植體內(nèi)部錐面）為高應(yīng)力區(qū)，隨著種植體模量值的降低，骨界面應(yīng)力整體成遞減趨勢.與松質(zhì)骨區(qū)域相比，種植體模量值改變對皮質(zhì)骨區(qū)域應(yīng)力影響較大.

圖2 4種不同模量值鈦種植體骨界面應(yīng)力分布云圖Fig.2 Stress distribution in bone-plant interface of four different modulus values titanium implants

圖3 同一荷載下不同模量值種植體最大應(yīng)力圖Fig.3 Max stress distribution in implants with different modulus values under the same load

2.2 同一模量值種植體與不同模量值基臺骨界面的應(yīng)力分布比較

種植體模量值為常值55GPa，比較4種不同模量值基臺骨界面的應(yīng)力分布，如圖4，5所示.圖5中：E2為基臺模量.由圖4，5可以看出：種植體彈性模量為定值，荷載相同的情況下，骨界面應(yīng)力水平偏低，種植體骨界面應(yīng)力隨基臺模量值改變并無明顯變化.在皮質(zhì)骨區(qū)域和松質(zhì)骨中段區(qū)域，4號種植體的應(yīng)力值最大，為0.557 3MPa.在種植體與基臺模量值相近時，最大應(yīng)力值有所下降.

2.3 不同模量值種植體與基臺交叉組合比較

設(shè)置4種不同模量值基臺（30，55，75，104GPa）與4種不同模量值種植體（30，55，75，104GPa），在同一荷載下，研究不同模量值組件及其組合對種植體骨界面應(yīng)力分布的影響，不同種植體與基臺組合的最大應(yīng)力值，如表3所示.由表3可以看出：在基臺模量值為較低值（30，55GPa）條件下，種植體模量值降低，皮質(zhì)骨與松質(zhì)骨骨界面應(yīng)力呈降低趨勢；在基臺模量值為較高值（75，104GPa）條件下，骨界面應(yīng)力隨種植體模量值降低而成波浪變化；在種植體為常見的鈦合金TC4模量值104GPa條件下，隨著基臺模量值的改變，骨界面應(yīng)力改變明顯.當(dāng)種植體模量值為30GPa，接近骨組織模量值（15～20GPa）時，基臺模量值的改變，骨界面應(yīng)力改變不明顯.當(dāng)種植體模量值相對基臺模量值有一定差值（基臺大于種植體20～30GPa）時，骨界面應(yīng)力相對較高.種植體對應(yīng)皮質(zhì)骨區(qū)域與松質(zhì)骨區(qū)域中段依舊為應(yīng)力集中部分.

圖4 4種不同模量值基臺骨界面應(yīng)力分布云圖Fig.4 Stress distribution in bone-plant interface of four different modulus values abutments

圖5 同一荷載下不同模量值基臺最大應(yīng)力圖Fig.5 Max stress distribution in abutments with different modulus values under the same load

表3 不同種植體與基臺組合最大應(yīng)力值Tab.3 Max stress value of different implants combined with abutments MPa

3 分析與討論

種植體植入人體后，其表面與人體骨組織結(jié)合形成骨界面，從而實現(xiàn)力的傳導(dǎo)，完成目標(biāo)修復(fù)功能.因此，骨界面結(jié)合的可靠性和穩(wěn)定性成為種植體植入取得長期成功的關(guān)鍵因素，而骨界面應(yīng)力分布及大小起到了決定性的作用.骨界面接觸應(yīng)力過大或過于集中，超過機體組織耐受極限，會導(dǎo)致機體骨組織應(yīng)力疲勞損壞，甚至造成進一步的創(chuàng)傷.骨界面接觸應(yīng)力過小，則會引起骨質(zhì)疏松及廢用性骨萎縮.對骨界面應(yīng)力分布而言，皮質(zhì)骨可以承受較大荷載，因此，在滿足應(yīng)力荷載要求的前提下，更應(yīng)該考慮應(yīng)力荷載對松質(zhì)骨的影響.

改善骨界面結(jié)合的可靠性、穩(wěn)定性主要從以下兩個方面考慮：1）降低載荷，以免超過載荷極限，包括針對不同病例設(shè)計不同針對性方案，避開患者組織低荷載應(yīng)力區(qū)；2）改善種植體結(jié)構(gòu)及性能，包括低模量材料的選用，內(nèi)部、外部結(jié)構(gòu)的改變，表面性能改進、表面硬化等，以此增加骨界面結(jié)合強度，改善骨界面應(yīng)力分布狀況，從而提高種植體生物力學(xué)相容性，提高植入成功率.從生物力學(xué)及歷史病例分析可知：植入體材料彈性模量應(yīng)盡量降低，皮質(zhì)骨彈性模量為15～20GPa，松質(zhì)骨彈性模量為1.3～3.5 GPa，種植體與骨組織模量差值越小，受力時組織接觸界面應(yīng)力越小，產(chǎn)生相對位移越小，可以有效地避免應(yīng)力屏蔽，提高植入成功率.植入體材料硬脆度應(yīng)適宜，若過高，則加大植入部位的承受載荷，同時會導(dǎo)致骨應(yīng)力吸收；若過低，則不能滿足荷載要求，導(dǎo)致形變，不僅破壞美觀感，甚至?xí)C體產(chǎn)生損害，改變種植體整體結(jié)構(gòu).

目前而言，大部分生物應(yīng)用材料模值均在100GPa以上，密度較高，各項性能指數(shù)難以達到適宜的平衡.鈦合金的出現(xiàn)，提供了一種具有廣闊前景的高生物力學(xué)相容性材料.近幾年，相關(guān)學(xué)者開發(fā)了多種低模量鈦合金滿足生物醫(yī)用要求，從而擴大了鈦合金應(yīng)用范圍［9］.鈦合金表面活化處理可以增加鈦合金生物相容性［10］.目前，通過微弧氧化法可以獲得獨特多孔結(jié)構(gòu)氧化陶瓷層，有效地促進新骨組織附著于種植體生長，改善細胞沉積環(huán)境、有益于營養(yǎng)和氧氣進入種植體-骨界面，提高骨界面結(jié)合能力［9-10］.鈦合金表面涂層的改變?yōu)楦纳浦踩塍w骨界面結(jié)合應(yīng)力分布提供了一個新的方向.

通過有限元分析可知：在同一荷載下，不同模量值基臺與種植體組合骨結(jié)合界面應(yīng)力分布情況均在皮質(zhì)骨區(qū)域達到最大，向下逐步遞減，但最大應(yīng)力值有所不同，這與大多數(shù)學(xué)者得到的結(jié)論一致［4-8，11-13］.由于連接牙冠與種植體的基臺為主要承受荷載（特別是扭矩荷載）組件，對于模量值要求較高.在保持基臺高模量值前提（75，104GPa）下，種植體材料模量值的降低，骨界面應(yīng)力呈明顯降低趨勢.在保持種植體與骨組織模量值相近時（30GPa），基臺的模量值改變對于骨界面應(yīng)力的改善不明顯.因此，對于種植體系統(tǒng)材料的改善，應(yīng)主要集中于種植體材料性能的提升.種植體與基臺的模量值有一定差值（基臺大于種植體20～30GPa），應(yīng)力上升.應(yīng)力集中區(qū)域為硬質(zhì)骨區(qū)域與種植體中段（對應(yīng)種植體內(nèi)部受力錐面與螺紋面過度處），種植體內(nèi)部結(jié)構(gòu)改善能夠有效地改善應(yīng)力，但種植體體積微小，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的改善往往帶來加工困難，成本大幅提升.

本次有限元分析結(jié)果表明：種植體模量值及內(nèi)部結(jié)構(gòu)對骨界面應(yīng)力分布有著重要影響.在目前內(nèi)部結(jié)構(gòu)改善較困難條件下，采用不同模量值基臺與種植體組合，可以有效地改善種植體植入后的力學(xué)環(huán)境，提高種植體生物力學(xué)相容性.在醫(yī)療實踐當(dāng)中，生產(chǎn)廠商與醫(yī)療工作者應(yīng)注意種植牙系統(tǒng)組件的正確組合，以避免錯誤組合導(dǎo)致植入失敗.

4 結(jié)論

1）皮質(zhì)骨區(qū)域與松質(zhì)骨中段區(qū)域為種植體骨界面的高應(yīng)力區(qū)，由皮質(zhì)骨至松質(zhì)骨呈總體下降趨勢.應(yīng)力較大的松質(zhì)骨中段區(qū)域應(yīng)為種植體材料選擇的首要考慮因素.

2）相同荷載下，優(yōu)先滿足種植體材料模量值要求時，基臺模量值的改變對種植體骨界面應(yīng)力分布影響不明顯，低模量值種植體能夠有效地改善骨界面應(yīng)力分布；優(yōu)先滿足基臺材料模量值要求時，骨界面應(yīng)力隨種植體模量值降低而降低.

3）不同模量值基臺與種植體的良性組合可有效地改善骨界面受力分布情況.結(jié)合本文分析，考慮到工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)、成本控制、種植體內(nèi)部結(jié)構(gòu)難以短期改善，醫(yī)療手術(shù)的時效性等實際困難，在基臺為常見的鈦合金TC4模量值104GPa時，種植體選擇55GPa鈦合金為宜.

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