種植體支抗關(guān)閉拔牙間隙磨牙位移趨勢(shì)的有限元研究*

何　淞，王亞楠，瞿　楊，楊四維，黃　躍

(西南醫(yī)科大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院,四川瀘州 646000)

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論著·基礎(chǔ)研究

種植體支抗關(guān)閉拔牙間隙磨牙位移趨勢(shì)的有限元研究*

何淞，王亞楠，瞿楊，楊四維，黃躍△

(西南醫(yī)科大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院,四川瀘州 646000)

牙種植體；有限元分析；支架；滑動(dòng)法；上頜第一磨牙；初始位移

滑動(dòng)法關(guān)閉拔牙間隙作為直絲弓矯治技術(shù)的特征之一，已被廣泛地應(yīng)用于正畸臨床治療中。種植體支抗作為絕對(duì)支抗被臨床公認(rèn)為是一種可以有效增強(qiáng)支抗的方法[1]。對(duì)于需要最大限度內(nèi)收前牙的患者，使用種植體支抗關(guān)閉拔牙間隙時(shí)也應(yīng)注意上頜支抗磨牙的應(yīng)力變化。以往對(duì)滑動(dòng)法關(guān)閉拔牙間隙的三維有限元研究主要集中在前牙[2-3]，很少關(guān)注支抗磨牙的位移，在使用種植體支抗時(shí)，支抗磨牙是否發(fā)生三維方向的位移變化，以及它的受力情況值得研究。因此，本研究應(yīng)用三維有限元方法模擬臨床不同種植體高度及不同牽引鉤高度，滑動(dòng)法關(guān)閉拔牙間隙時(shí)上頜第一磨牙的Von Mises等效應(yīng)力及位移變化趨勢(shì)，以期為臨床應(yīng)用提供參考。

1　材料與方法

1.2方法

1.2.1建立有限元模型使用螺旋CT掃描機(jī)對(duì)成年男性志愿者全頭顱進(jìn)行連續(xù)掃描。將獲得的掃描圖像導(dǎo)入Mimics10.01軟件，應(yīng)用Geomagic Studio 10.0軟件、PRO/E.Wildfire 4.0軟件建立種植體-牽引鉤-托槽-弓絲-上頜牙列的實(shí)體模型，弓絲尺寸為0.46 mm×0.64 mm(0.019 in×0.025 in)不銹鋼方絲。將種植體支抗距離弓絲6、8、10、12 mm的高度植入上頜第二前磨牙及第一磨牙間，分別與不同牽引鉤高度(1、4、7、10 mm)等元件組裝，生成4組模型。將各元件網(wǎng)格劃分后導(dǎo)入MSC.Marc.Mentat 2005R3軟件中進(jìn)行參數(shù)定義、邊界設(shè)定，最終得到種植體-牽引鉤-托槽-弓絲-上頜牙列的有限元模型。

1.2.2材料屬性和力學(xué)加載設(shè)定所建模型為連續(xù)、均質(zhì)、各向同性的線彈性材料，假設(shè)弓絲牽引鉤、頰面管的材料屬性一致。各模型彈性模量及泊松比見表1[4]。

表1　　相關(guān)材料的彈性模量和泊松比

1.2.3載荷將不同高度的種植體及牽引鉤進(jìn)行兩兩組合，共計(jì)16種工況。在各工況的牽引鉤高度上沿著種植體方向施加1.5 N的力。

1.3計(jì)算在上頜第一磨牙上選取以下點(diǎn)：近中頰尖點(diǎn)、遠(yuǎn)中頰尖點(diǎn)、近中舌尖點(diǎn)、遠(yuǎn)中舌尖點(diǎn)、近中頰根根尖點(diǎn)、遠(yuǎn)中頰根根尖點(diǎn)、腭根根尖點(diǎn)。在MSC.Marc.Mentat 2005R3軟件中分別收集這7點(diǎn)在X軸、Y軸、Z軸三維方向上的位移變化趨勢(shì)(X軸代表矢狀向，Y軸代表冠狀向，Z軸代表垂直向)[5-6]。

2　結(jié)　　果

2.1上頜第一磨牙的Von Mises等效最大應(yīng)力分布(1)模型1是不同牽引鉤高度在種植體高度為6 mm時(shí)上頜第一磨牙的應(yīng)力變化。其Von Mises等效最大應(yīng)力分別為：工況A為1.16×10-4KP；工況B為1.24×10-4KP；工況C為1.31×10-4KP；工況D為1.37×10-4KP。(2)模型2是不同牽引鉤高度在種植體高度為8 mm時(shí)上頜第一磨牙的應(yīng)力變化。其Von Mises等效最大應(yīng)力分別為：工況A為1.16×10-4KP；工況B為1.19×10-4KP；工況C為1.27×10-4KP；工況D為1.33×10-4KP。(3)模型3是不同牽引鉤高度在種植體高度為10 mm時(shí)上頜第一磨牙的應(yīng)力變化。其Von Mises等效最大應(yīng)力分別為：工況A為1.05×10-4KP；工況B為1.16×10-4KP；工況C為1.22×10-4KP；工況D為1.29×10-4KP。(4)模型4是不同牽引鉤高度在種植體高度為12 mm時(shí)上頜第一磨牙的應(yīng)力變化。其Von Mises等效最大應(yīng)力分別為：工況A為0.98×10-4KP；工況B為1.08×10-4KP；工況C為1.33×10-4KP；工況D為1.43×10-4KP。當(dāng)種植體高度大于或等于牽引鉤高度時(shí)，上頜第一磨牙Von Mises等效最大應(yīng)力分布主要集中在近中面頸部、腭根腭側(cè)及根分叉處，其中根分叉處最大；當(dāng)種植體高度小于牽引鉤高度時(shí)(即模型1的工況C、D，模型2的工況D)，Von Mises等效最大應(yīng)力分布主要集中在近中面頸部、頰側(cè)頸部及根分叉處，其中根分叉處最大，見圖1～4。

A：牽引鉤高度為 1 mm；B：牽引鉤高度為4 mm；C：牽引鉤高度為7 mm；D：牽引鉤高度為10 mm。

圖1模型1 種植體高度為6 mm時(shí)上頜第一磨牙Von Mises等效應(yīng)力分布云圖

A：牽引鉤高度為 1 mm；B：牽引鉤高度為4 mm；C：牽引鉤高度為7 mm；D：牽引鉤高度為10 mm。

圖2模型2 種植體高度為8 mm時(shí)上頜第一磨牙Von Mises等效應(yīng)力分布云圖

A：牽引鉤高度為 1 mm；B：牽引鉤高度為4 mm；C：牽引鉤高度為7 mm；D：牽引鉤高度為10 mm。

圖3模型3 種植體高度為10 mm時(shí)上頜第一磨牙Von Mises等效應(yīng)力分布云圖

A：牽引鉤高度為 1 mm；B：牽引鉤高度為4 mm；C：牽引鉤高度為7 mm；D：牽引鉤高度為10 mm。

圖4模型4 植體高度為12 mm時(shí)上頜第一磨牙Von Mises等效應(yīng)力分布云圖

2.2上頜第一磨牙位移變化趨勢(shì)

2.2.1牙齒頰舌向位移變化趨勢(shì)X軸的位移：近頰尖與近舌尖均為負(fù)值，遠(yuǎn)頰尖與遠(yuǎn)舌尖均為正值，遠(yuǎn)頰根位移大于近頰根，且隨著牽引鉤高度的增加位移值隨之變大。當(dāng)種植體高度大于或等于牽引鉤高度時(shí)，近頰尖的位移小于近舌尖，遠(yuǎn)頰尖的位移小于遠(yuǎn)舌尖；小于牽引鉤高度時(shí)，近頰尖的位移大于近舌尖，遠(yuǎn)頰尖的位移大于遠(yuǎn)舌尖，見圖5。

2.2.2牙齒近遠(yuǎn)中向位移變化趨勢(shì)Y軸的位移：只有腭根點(diǎn)為負(fù)值，且遠(yuǎn)中頰舌尖點(diǎn)均小于近中頰舌尖點(diǎn)，其位移值隨牽引鉤高度的增加而增大；但當(dāng)種植體高度小于牽引鉤高度時(shí)，其位移值隨之減小。腭根的位移小于近頰根，見圖6。

A：種植體高度為6 mm，上頜第一磨牙在牽引鉤高度分別為1、4、7、10 mm；B:種植體高度為8 mm，上頜第一磨牙在牽引鉤高度分別為1、4、7、10 mm；C：種植體高度為10 mm，上頜第一磨牙在牽引鉤高度分別為1、4、7、10 mm；D：種植體高度為12 mm，上頜第一磨牙在牽引鉤高度分別為1、4、7、10 mm。

圖5X軸位移趨勢(shì)圖(×E-06rad)

A：種植體高度為6 mm，上頜第一磨牙在牽引鉤高度分別為1、4、7、10 mm；B:種植體高度為8 mm，上頜第一磨牙在牽引鉤高度分別為1、4、7、10 mm；C：種植體高度為10 mm，上頜第一磨牙在牽引鉤高度分別為1、4、7、10 mm；D：種植體高度為12 mm，上頜第一磨牙在牽引鉤高度分別為1、4、7、10 mm。

圖6Y軸位移趨勢(shì)圖(×E-06rad)

A：種植體高度為6 mm，上頜第一磨牙在牽引鉤高度分別為1、4、7、10 mm；B:種植體高度為8 mm，上頜第一磨牙在牽引鉤高度分別為1、4、7、10 mm；C：種植體高度為10 mm，上頜第一磨牙在牽引鉤高度分別為1、4、7、10 mm；D：種植體高度為12 mm，上頜第一磨牙在牽引鉤高度分別為1、4、7、10 mm。

圖7Z軸位移趨勢(shì)圖(×E-06rad)

3　討　　論

3.1支抗磨牙位移的研究頭影測(cè)量是以往學(xué)者對(duì)于種植體支抗滑動(dòng)法關(guān)閉拔牙間隙時(shí)牙齒的位移變化研究的常用方法。其中，Park 等[7]和Poberts[8]發(fā)現(xiàn)磨牙頰面管與弓絲之間的摩擦力會(huì)導(dǎo)致磨牙向遠(yuǎn)中移動(dòng)。尋春雷等[9]學(xué)者提出在滑動(dòng)法關(guān)閉間隙中磨牙會(huì)向近中移動(dòng)。頭影測(cè)量存在影像重疊、無法精確定位等缺點(diǎn)，影響結(jié)果的準(zhǔn)確性。三維有限元可從三維方向分析牙齒移動(dòng)的生物力學(xué)機(jī)制，比以往測(cè)量方法更精準(zhǔn)。本研究采用三維有限元方法，分析種植體支抗滑動(dòng)法關(guān)閉拔牙間隙時(shí)上頜第一磨牙的生物力學(xué)變化，推斷上頜第一磨牙的受力情況，為臨床矯治提供理論依據(jù)。

3.2上頜第一磨牙最大應(yīng)力分布情況的討論本研究選用的Von Mises等效應(yīng)力對(duì)牙周膜應(yīng)力分布進(jìn)行力學(xué)性能分析[10]，發(fā)現(xiàn)第一磨牙的最大應(yīng)力均出現(xiàn)在根分叉處，當(dāng)種植體高度大于或等于牽引鉤高度時(shí)，應(yīng)力集中于近中面頸部、腭根腭側(cè)及根分叉處；小于牽引鉤高度時(shí)，應(yīng)力分布在牙周膜頰側(cè)頸部，這與張菊菊等[11]的研究結(jié)果“上頜第一磨牙在根分叉處可見高的應(yīng)力集中”相似。結(jié)果中應(yīng)力分布從大到小依次是磨牙表面、牙槽骨、牙周膜，這主要與材料的彈性模量有關(guān)，彈性模量越大，應(yīng)力越大，這與Viecilli等[12]的研究結(jié)果一致。Xue等[13]指出Von Mises等效應(yīng)力最大值為 26×103Pa，超出此應(yīng)力值牙周膜將發(fā)生壞死。本研究結(jié)果中應(yīng)力值均小于26×103Pa。

綜上所述，上頜第一磨牙在X軸、Y軸、Z軸上的整體位移變化趨勢(shì)為：當(dāng)種植體高度大于或等于牽引鉤高度時(shí)，牙冠出現(xiàn)遠(yuǎn)中旋轉(zhuǎn)并向遠(yuǎn)中、頰側(cè)傾斜；小于牽引鉤高度時(shí)，牙冠出現(xiàn)遠(yuǎn)中旋轉(zhuǎn)并向遠(yuǎn)中、舌側(cè)傾斜。亦提示在臨床矯治時(shí)為防止磨牙過度的傾斜，應(yīng)注意對(duì)磨牙轉(zhuǎn)矩的控制。

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Tree-dimensional finite element analysis of displacement tendency of maxillary molar during closing maxillary extraction space with implant anchorage*

HeSong,WangYanan,QuYang,YangSiwei,HuangYue△

(StomatologySchool，SouthwestMedicalUniversity，Luzhou，Sichuan646000，China)

ObjectiveTo analyse the tendency of maxillary first molar′s initial stress distribution and displacement during closing maxillary extraction space in sliding mechanics with implants.MethodsWe created a three dimensional finite element model and simulated the clinic closing maxillary extraction space in sliding mechanics with implants.A protraction force of 1.5 N was applied.Implants were located at different height (6,8,10,12 mm) and crampable hooks at different height (1,4,7,10 mm).Then we analysed the initial displacement and the tendency of distribution.ResultsWhen the heights of implants were greater than or equal to crampable hooks,the maximum stress located in root furcation areas;when the heights of implants were smaller than the crampable hooks,the stress distributing in buccal cervical part,the minimum stress located in palatal side of palatal root.The displacement tendency of the first molars was as follow.X axis:the movement tendency of molar was distal rotation,the rotation angle of the first molars increased with heights of crampable hooks.Y axis:the movement tendency of molar was distal tipping and distal rotation,the rotation angle of molar increased with heights of crampable hooks.Z axis:the movement of molar was extrusion movement at mesial part and intrusion movement at distal part,the displacements of the molar were increased with heights of crampable hooks.ConclusionThe stress changes of maxillary first molar are associated with the heights of implants and the crampable hooks.The displacement tendency of maxillary first molar is distal tip and rotation,the direction of tip is associated with the heights of implants and the crampable hooks.

dental implants；finite element analysis;stents;sliding mechanics;maxillary first molar;initial displacement

10.3969/j.issn.1671-8348.2016.14.005

國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(81300903)；川大-瀘州戰(zhàn)略合作項(xiàng)目(2013CDLZ-S22)。作者簡(jiǎn)介：何淞(1989-)，在讀碩士，主要從事口腔正畸生物力學(xué)研究?！?/p>

，E-mail:yue-huang@hotmail.com。

R783.5

A

1671-8348(2016)14-1886-03

2015-11-28

2016-01-24)