面向即刻種植的種植體的初期穩(wěn)定性研究

游 嘉 周樂峰 彭 偉 高亦林 姚春燕

(浙江工業(yè)大學(xué)特種裝備制造與先進(jìn)加工技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310014)

面向即刻種植的種植體的初期穩(wěn)定性研究

游 嘉 周樂峰 彭 偉*高亦林 姚春燕

(浙江工業(yè)大學(xué)特種裝備制造與先進(jìn)加工技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310014)

在即刻種植中，良好的種植體初期穩(wěn)定性是種植成功的關(guān)鍵。牙周炎、外傷以及拔牙時(shí)可能導(dǎo)致患者牙槽骨受到破壞出現(xiàn)的骨壁缺損，以及種植體與牙槽窩之間的過盈量，對種植體的初期穩(wěn)定性均會(huì)造成影響。針對臨床上種植體周圍不同的骨壁缺損程度建立一種新的分類模型，并基于該分類模型，借助有限元分析軟件ABAQUS，模擬在不同的過盈量、骨壁缺損程度下面向即刻種植的擬自然牙種植體的初期穩(wěn)定性。將種植體種植到模擬骨塊上，通過種植體穩(wěn)定性測量儀測量出種植體穩(wěn)定系數(shù)(ISQ)，評價(jià)種植體的初期穩(wěn)定性，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)比較分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：隨著過盈量的增加，初期穩(wěn)定性升高；隨著骨缺損程度的增加，初期穩(wěn)定性下降。在三壁骨缺損下，當(dāng)種植體與種植窩之間無過盈量時(shí)，其ISQ值均小于40；而當(dāng)過盈量為0.2 mm時(shí)，其ISQ值均大于50。這說明，種植體與種植窩之間是否有過盈量，對種植體初期穩(wěn)定性的影響非常大。當(dāng)種植體周圍是一壁骨缺損時(shí)，其ISQ值基本都小于40，此時(shí)應(yīng)增大過盈量來增加種植體的初期穩(wěn)定性。針對不同程度的骨壁缺損，種植體在設(shè)計(jì)時(shí)所需的過盈量是不同的，這為之后面向即刻種植的個(gè)性化擬自然牙種植體的設(shè)計(jì)提供一定的理論參考。

有限元分析；過盈量；骨缺損；初期穩(wěn)定性

引言

近年來，牙種植技術(shù)已經(jīng)成為牙列缺損治療的主要手段，同時(shí)種植的成功率受到越來越多的關(guān)注[1-2]。目前許多學(xué)者認(rèn)為，良好的初期穩(wěn)定性是種植體成功的關(guān)鍵因素[3-4]。但在即刻種植時(shí)，由于現(xiàn)有的種植體與天然牙的牙根形狀是不同的，所以種植體與骨組織間常存在間隙。這將影響種植體的初期穩(wěn)定性，影響種植手術(shù)的成功率。同時(shí)，不同的骨質(zhì)類型、種植體與種植窩之間的過盈量以及牙周病、外傷引起的骨壁缺損等因素，也會(huì)對種植體的初期穩(wěn)定性造成影響。針對這一問題，有學(xué)者根據(jù)患者的牙窩形狀并通過直接激光金屬成型技術(shù)，制造出面向即刻種植的擬自然牙種植體[5-6]。雖然目前國內(nèi)外已有不少學(xué)者成功設(shè)計(jì)制造出擬自然牙種植體，但是關(guān)于該類種植體的初期穩(wěn)定性的研究相對較少。

由于個(gè)性化擬自然牙種植體其幾何形狀的特殊性，只能通過種植體表面與骨組織表面的接觸力來獲得植入后的固位力，以此獲得良好的初期穩(wěn)定性。通常認(rèn)為，種植體與種植窩之間的過盈配合可以使壓入式種植體獲得必要的穩(wěn)定性[7-9]。所以，種植體過盈量的設(shè)計(jì)是影響種植體初期穩(wěn)定性的重要因素之一。但是，牙周炎、外傷、拔牙損傷等因素可能會(huì)使牙槽骨受到破壞，從而導(dǎo)致種植窩的骨壁不完整。不同程度的骨壁缺損，也會(huì)對種植體的初期穩(wěn)定性造成一定的影響。牙槽骨的破壞形式可以分為水平型吸收和垂直型吸收[10]，但是目前暫未發(fā)現(xiàn)相關(guān)學(xué)者對骨壁缺損的程度建立合適的缺損模型，以及根據(jù)骨壁缺損程度對種植體初期穩(wěn)定性的影響進(jìn)行研究。在本研究中，根據(jù)臨床上牙周炎產(chǎn)生的骨壁缺損的類型，建立了一種骨壁缺損的分類模型，通過有限元模擬，分析在同一骨質(zhì)下不同的過盈量、骨壁缺損程度對種植體初期穩(wěn)定性的影響，并在選擇性激光燒結(jié)成型方法加工的模擬骨塊上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)比較分析，為面向即刻種植的個(gè)性化擬自然牙種植體的設(shè)計(jì)提供理論參考。

1 材料和方法

1.1 骨壁缺損程度的分類

在種植領(lǐng)域中，對于骨壁缺損程度的分類未建立合適的模型，筆者主要參照牙周病導(dǎo)致的骨壁缺損類型來構(gòu)建分類模型。牙周病學(xué)根據(jù)牙齒周圍骨吸收的表現(xiàn)形式，將牙齒周圍的骨缺損進(jìn)行了分類，將骨的吸收主要分為水平型吸收和垂直型吸收。水平型吸收是指沿牙齒軸向方向的吸收，這是最常見的吸收方式，即牙槽骨嵴頂邊緣呈水平吸收，使牙槽嵴高度降低；垂直型吸收是指沿牙齒徑向方向的吸收，即牙槽骨發(fā)生垂直方向或斜行的吸收，與牙根面之間形成一定角度的骨缺損，牙槽骨高度降低不多，而牙根周圍骨吸收較多[10]。

人體的頜骨主要是由皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨組成的，在構(gòu)建骨塊模型時(shí)將骨塊進(jìn)行簡化，形成如圖1所示的骨塊模型，其中皮質(zhì)骨厚度為2mm，骨塊中間的圓柱孔為種植窩。

圖1 骨塊模型Fig.1 Model of bone

本實(shí)驗(yàn)以牙周病學(xué)為理論基礎(chǔ)，按照骨缺損的類型和骨缺損的層數(shù)進(jìn)行了分類。種植窩骨缺損的類型按照垂直型骨吸收，即沿著種植體徑向缺損的角度大小分為三壁(90°)、二壁(180°)及一壁(270°)骨缺損3種，如圖2所示。種植窩的骨壁缺損層數(shù)按照水平型骨吸收，即沿著種植體軸向缺損的深度分為9層，每一層的距離為1 mm，如圖3所示。

圖2 骨缺損類型Fig.2 Types of bone defect

圖3 骨缺損層數(shù)。(a)2層；(b)4層；(c)6層；(d)8層Fig.3 Layers of bone defect. (a) 2 layers；(b) 4 layers；(c) 6 layers；(d) 8 layers

1.2 有限元模型的建立

初期穩(wěn)定性是指種植體與種植窩之間形成機(jī)械上的固定，沒有微動(dòng)[4]。臨床上一般用種植體穩(wěn)定性測量儀(瑞典，Osstell公司)來測量種植體的初期穩(wěn)定性，其工作原理如圖4所示。探頭產(chǎn)生不同頻率的磁性脈沖振動(dòng)波，當(dāng)探頭靠近測量桿時(shí)使其產(chǎn)生共振，同時(shí)探頭內(nèi)感應(yīng)線圈感應(yīng)其振動(dòng)頻率，并傳輸至共振頻率分析系統(tǒng)，并且將一階共振頻率轉(zhuǎn)換成ISQ值，其中ISQ值與共振頻率成線性關(guān)系[11]。所以,在有限元模擬中，采用一階共振頻率來評估種植體的初期穩(wěn)定性。

圖4 種植體穩(wěn)定性測量原理Fig.4 Principle diagram of implant stability measurement

有限元模型主要由骨塊、種植體和測量桿三部分組成。由于個(gè)性化擬自然牙種植體的形狀是根據(jù)不同患者的牙窩情況來設(shè)計(jì)的，每顆種植體形狀一般都是不同的，所以筆者主要探究的是骨壁缺損、過盈量與種植體初期穩(wěn)定性之間的關(guān)系。為了便于對骨壁缺損分類討論，在構(gòu)建種植體、牙槽骨的模型時(shí)進(jìn)行了一定的簡化。其中，牙槽骨模型與之前圖1中的骨塊模型一致，而種植體模型簡化為一個(gè)直徑5 mm、深度10 mm的圓柱體，種植體的中央孔用來連接測量桿，牙槽骨上的種植窩與種植體的外形相匹配。為了便于計(jì)算，測量桿與種植體的螺紋處簡化為光滑圓柱表面，幾何形狀如圖5所示。

圖5 有限元模型。(a)種植體；(b)測量桿Fig.5 Finite element model. (a) Implant；(b)Smartpeg

其中，各個(gè)模型的約束關(guān)系為：種植體與骨塊之間為摩擦接觸配合；測量桿與種植體的螺紋連接處采用完全綁定，無螺紋處與種植體中央孔孔壁之間為摩擦接觸配合；種植體-測量桿平臺(tái)處為摩擦接觸配合。

種植體為鈦合金材料，測量桿為不銹鋼材料，假設(shè)種植體、骨組織和測量桿的材料均為連續(xù)、均勻、各向同性的線彈性材料，材料的變形為小變形。在有限元分析中，所有用到的材料參數(shù)、力學(xué)性能如表1所示[12]。

表1 有限元模型中的材料參數(shù)Tab.1 Material parameters in the finite element model

1.3 實(shí)驗(yàn)材料的制備

模擬骨塊通過選擇性激光燒結(jié)成型的方法進(jìn)行加工，加工設(shè)備使用選擇性激光燒結(jié)成型機(jī)(美國，3D Systems公司)，材料使用DuraForm@PA Plastic型尼龍材料。

通過控制燒結(jié)過程中激光的燒結(jié)功率，就可以得到機(jī)械性能不同的燒結(jié)模型[13]。在本實(shí)驗(yàn)中，使用的模擬骨塊燒結(jié)功率為18 W，得到皮質(zhì)骨的彈性模量為0.995 GPa，密度為0.75 g/cm3。

彈性模量與孔隙率之間的關(guān)系為

式中，E表示多孔結(jié)構(gòu)材料的等效彈性模量，Es表示實(shí)體材料的彈性模量，θ表示孔隙率。

設(shè)計(jì)孔隙率為40.7%的多孔結(jié)構(gòu)來模擬松質(zhì)骨結(jié)構(gòu)，獲得等效彈性模量為0.358 GPa，密度為0.45 g/cm3的松質(zhì)骨。

考慮到實(shí)驗(yàn)的便捷性和經(jīng)濟(jì)性，將所有工況的骨塊燒結(jié)成一體，形成骨塊單元，如圖6(a)所示。

根據(jù)種植窩，設(shè)計(jì)過盈量分別為0、0.2、0.4、0.6 mm的種植體。本實(shí)驗(yàn)選用選擇性激光熔化快速成型設(shè)備(RENISHAW公司, 英國)進(jìn)行種植體的加工，激光功率為200 W，波長為1 054 nm，激光光斑直徑為35 μm，掃描速度為2 m/s，掃描層厚為50 μm，成型艙氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在(50～100)×10-6。圖6(b)為SLM快速成型加工完成的實(shí)驗(yàn)用種植體。

圖6 人造模擬骨塊和實(shí)驗(yàn)所用種植體。(a)實(shí)驗(yàn)骨塊單元；(b)實(shí)驗(yàn)所用的種植體Fig.6 Analog bone and experimental implant. (a) Analog bone；(b)Implant

1.4 初期穩(wěn)定性的測量

本實(shí)驗(yàn)采用種植體穩(wěn)定性測量儀來測量種植體的初期穩(wěn)定性，如圖7(a)所示。測試過程如下：首先利用扳手將測量桿安放到種植體上，用手握住測量探頭并靠近測量桿頂端但不接觸，每組都完成兩個(gè)正交方向的測試，且都以缺損角度最大的方向作為第一測試方向，取較小ISQ值的方向作為單次測試的結(jié)果，每組模型一共進(jìn)行4次測試，取4次測試的平均值作為最終的測試結(jié)果(見圖7(b))。

圖7 種植體初期穩(wěn)定性的測量。(a)種植體穩(wěn)定性測量儀；(b)測量模擬骨塊上種植體的初期穩(wěn)定性Fig.7 Measuring primary stability of implant. (a)The instrument to measure implant stability；(b) Measuring primary stability of implant in analog bone

2 結(jié)果

有限元結(jié)果由表2和圖8所示。由表2可知，在三壁缺損和無骨壁缺損下，隨著過盈量的增大，共振頻率也逐步增大；即隨著種植體過盈量的增大，種植體的初期穩(wěn)定性越好。當(dāng)過盈量從0增大到0.2 mm時(shí)，其共振頻率的增幅要比之后共振頻率的增幅要大。由圖8可知，在3種過盈量條件下，共振頻率都隨著骨缺損層數(shù)的加深而下降；3種骨缺損類型中，三壁類型的共振頻率最高，一壁類型的共振頻率最低，且三壁情況下共振頻率受骨缺損程度的影響相較于一壁、二壁情況下要小。

表2 無骨壁缺損和三壁骨缺損下種植體的共振頻率

Tab.2 Resonance frequencies of implant in no bone defect or three-wall bone defect

過盈量/mm共振頻率/Hz無骨壁缺損2層缺損4層缺損6層缺損8層缺損0.011324103751035510346103320.211393107911076910758107460.411417108121078910777107640.61144010833108101079710784

圖8 骨缺損類型、缺損層數(shù)與共振頻率之間的關(guān)系。(a)過盈量0.2 mm；(b)過盈量0.4 mm；(c)過盈量0.6 mmFig.8 Relationship between defect type, defect layer and frequency resonance. (a) Magnitude of interference 0.2 mm；(b) Magnitude of interference 0.4 mm；(c) Magnitude of interference 0.6 mm

表3和圖9是實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。由于每組的數(shù)據(jù)為平均數(shù)，通過SPSS對其進(jìn)行了單樣本均數(shù)t檢驗(yàn)的雙側(cè)檢驗(yàn)，選擇置信區(qū)間為95%，結(jié)果每組平均值中測量值的最小p值均大于0.05，證明了每組均值與檢驗(yàn)值之間無顯著差異，即實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。由表3可知，當(dāng)過盈量增大時(shí)，種植體的ISQ值也慢慢增大。其中，當(dāng)過盈量從0增加到0.2 mm時(shí)，種植體的ISQ值顯著增加；但是當(dāng)過盈量從0.4 mm增大到0.6 mm時(shí)，ISQ值基本不再增加。由圖9可知，在3種過盈量條件下，ISQ值都隨著骨缺損層數(shù)的增加而下降；3種骨缺損類型相比，三壁類型的ISQ值最高，一壁類型的ISQ值最低。其中，三壁類型因骨缺損層數(shù)加深而受到的影響相對于其他兩種骨缺損情況下的要小，而二壁和一壁類型受到缺損層數(shù)的影響就比較大。在骨缺損層數(shù)不斷增加的過程中可以發(fā)現(xiàn)，1～2 mm的過程中ISQ值的下降程度最大，這就說明了皮質(zhì)骨對種植體初期穩(wěn)定性的作用是顯著的。

表3 無骨壁缺損和三壁骨缺損下種植體穩(wěn)定系數(shù)

Tab.3 Implant stability quotient of implant in no bone defect or three-wall bone defect

過盈量/mm無骨壁缺損2層缺損4層缺損6層缺損8層缺損ISQPISQPISQPISQPISQP0.0550.182380.058370.182350.391340.1820.2630.391530.069510.058510.074500.1820.4661.000530.391530.062520.080510.3910.6660.391540.076520.058500.391500.060

圖9 骨缺損類型、骨缺損層數(shù)與ISQ值之間的關(guān)系。(a)過盈量0.2 mm；(b)過盈量0.4 mm；(c)過盈量0.6 mmFig.9 Relationship between defect types, defect layer and implant stability quotient. (a) Magnitude of interference 0.2mm；(b) Magnitude of interference 0.4mm；(c) Magnitude of interference 0.6mm

3 討論

將實(shí)驗(yàn)結(jié)果和有限元結(jié)果進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)有限元的分析結(jié)果更接近線性，這可能是由于在測量種植體的ISQ值時(shí)會(huì)存在一定的誤差，而且種植體穩(wěn)定性測量儀在進(jìn)行頻率與ISQ值之間的換算時(shí)也并不是完全線性的[11]。因此，在變化趨勢上，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與有限元仿真結(jié)果之間會(huì)存在差異，但是過盈量、骨壁缺損程度對種植體初期穩(wěn)定性的總體影響趨勢大致是相同的。

從有限元仿真和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果來看，對于擬自然牙種植體來說，過盈量、骨壁缺損程度對種植體的初期穩(wěn)定性有一定的影響。在研究過盈量對種植體初期穩(wěn)定性的影響時(shí)，分別從無骨壁缺損以及三壁骨缺損的不同層數(shù)缺損下進(jìn)行研究。當(dāng)過盈量從0 mm增大到0.2 mm時(shí)，種植體的初期穩(wěn)定性有顯著的增加，這表明對擬自然牙種植體來說，有無過盈量對種植體的初期穩(wěn)定性影響是非常大的。所以，在設(shè)計(jì)擬自然牙種植體時(shí)，需要保證種植體與種植窩之間存在一定的過盈量。從實(shí)驗(yàn)的結(jié)果看到，當(dāng)過盈量從0.4 mm增大到0.6 mm時(shí)，種植體的初期穩(wěn)定性并沒有增大，這表明當(dāng)過盈量大到一定程度后，過盈量對初期穩(wěn)定性的影響會(huì)減弱，而且隨著過盈量的增大，種植體在植入過程中可能會(huì)使種植體周圍的骨組織受到過大的應(yīng)力，從而對牙槽骨造成損傷[14-15]，所以在設(shè)計(jì)時(shí)過盈量不宜過大。在研究骨壁缺損對種植體初期穩(wěn)定性的影響時(shí)，同一類型的骨壁缺損下，隨著骨壁缺損層數(shù)的增加，其種植體的初期穩(wěn)定性會(huì)有一定的降低；當(dāng)骨壁缺損層數(shù)相同時(shí)，在3種過盈量下，一壁骨缺損下種植體的初期穩(wěn)定性均小于二壁和三壁骨缺損下種植體的初期穩(wěn)定性。所以，當(dāng)骨壁缺損比較嚴(yán)重時(shí)，特別是當(dāng)骨壁缺損層數(shù)較多或者一壁骨缺損的情況下，其種植體的初期穩(wěn)定性普遍偏小，因此在種植體設(shè)計(jì)時(shí)需增大種植體與種植窩之間的過盈量，以保證種植體植入后有良好的初期穩(wěn)定性。

然而，本研究也存在一定的局限性，比如在探討過盈量、骨壁缺損程度對種植體初期穩(wěn)定性的影響時(shí)，都是在同一種骨質(zhì)下進(jìn)行研究，未將骨質(zhì)作為變量進(jìn)行討論。同時(shí)，本實(shí)驗(yàn)是在模擬骨塊上進(jìn)行的，模擬骨塊與真實(shí)頜骨之間存在一定的差異，所以有必要在臨床上進(jìn)行研究。由此可見，這些缺點(diǎn)都是以后研究需要進(jìn)行改進(jìn)的。

4 結(jié)論

本研究針對臨床上種植體周圍不同的骨壁缺損程度，建立了一種新的分類方法，并通過有限元和實(shí)驗(yàn)的方法，反映出不同過盈量、骨壁缺損程度對種植體初期穩(wěn)定性的影響。從所得到的結(jié)果來看，在設(shè)計(jì)個(gè)性化擬自然牙種植體時(shí)，讓種植體與種植窩之間存在過盈量是非常必要的；當(dāng)種植窩存在骨壁缺損時(shí)，應(yīng)考慮骨缺損的程度，適當(dāng)增加過盈量來滿足種植體所需的初期穩(wěn)定性。

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Study on the Primary Stability of Implants post Immediate Implantation

You Jia Zhou Lefeng Peng Wei*Gao Yilin Yao Chunyan

(KeyLaboratoryofE&M(ZhejiangUniversityofTechnology),MinistryofEducation&ZhejiangProvince，Hangzhou310014,China)

A good primary stability post immediate implantation was the key factor to achieve success of implantation. The bone defect due to periodontitis, trauma or tooth extraction, the magnitude of interference between the implant and tooth socket could affect the primary stability of implants. This article established a new classification model for the degree of bone wall defect, and with the help of finite element software ABAQUS. The classification could acquire the root-analogue implant’s primary stability with different interference and defective degree of bone wall. Next, inserting implant in analog bone to comparative analysis. Results showed that primary stability became higher with the increase of magnitude of interference, and with the increase of bone defect degree, primary stability declined. In the three walls of bone defect, when there was no interference between the implant and tooth socket, the implant stability quotient(ISQ) was less than 40; and when the magnitude of interference was 0.2mm, the ISQ values were all over 50. It was shown that the interference made a great effect on the primary stability. The ISQ values were almost below 40 when the bone around implant was one wall of bone defect, and we should increase the magnitude of interference to increase primary stability. According to the different degree of bone defect, the required magnitude of interference was different. The established classification could provide theoretical basis for custom-made root-analogue implant in the future.

finite element analysis; magnitude of interference; bone defect; primary stability

10.3969/j.issn.0258-8021. 2016. 03.010

2015-09-17， 錄用日期:2016-02-26

國家自然科學(xué)基金(600673177)；浙江省科技廳項(xiàng)目(2013C31113)

R318

A

0258-8021(2016) 03-0324-06

*通信作者(Corresponding author)， E-mail:pengwei@zjut.edu.cn