上頜中切牙四種不同材料樁核冠的有限元分析

馮廣智，蔡 婧

（北京市海淀醫(yī)院口腔科，北京 100080）

上頜中切牙四種不同材料樁核冠的有限元分析

馮廣智，蔡 婧

（北京市海淀醫(yī)院口腔科，北京 100080）

目的 應(yīng)用三維有限元法研究不同材料的樁核冠修復(fù)上頜中切牙后剩余牙體組織應(yīng)力分布的影響。方法 建立上頜中切牙樁核冠修復(fù)三維有限元模型，應(yīng)用ABAQUS 6.13有限元分析軟件分析靜態(tài)載荷146N，與牙長(zhǎng)軸成45°條件下，四種不同材料的樁核對(duì)剩余牙本質(zhì)應(yīng)力分布的影響。結(jié)果 四種不同材料樁修復(fù)后剩余牙本質(zhì)應(yīng)力大小：鈷鉻合金＞氧化鋯＞純鈦＞E.max全瓷材料。結(jié)論 高彈性模量的材料修復(fù)后改變牙本質(zhì)應(yīng)力分布的情況，易產(chǎn)生樁-牙本質(zhì)界面的應(yīng)力集中，從而使牙根易于折裂。彈性模量較低的E.max全瓷材料有利于應(yīng)力更均勻的分布，減輕產(chǎn)生樁-牙本質(zhì)界面的應(yīng)力集中，有利于保護(hù)剩余牙體組織。

有限元分析，應(yīng)力分布，樁核，牙體缺損

1 目 的

通過建立上頜中切牙的三維有限元分析模型，比較鈷鉻合金、純鈦、氧化鋯、E.max全瓷等四種樁核材料，在樁核冠修復(fù)方式下，觀察剩余牙體組織應(yīng)力分布情況，為臨床修復(fù)提供依據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)材料及方法

2.1 實(shí)驗(yàn)標(biāo)本的選擇

在北京市海淀醫(yī)院口腔科因牙周病拔除的上頜中切牙中，選擇形態(tài)正?；就暾碾x體牙一顆，消毒干燥后測(cè)量牙全長(zhǎng)21.9 mm，冠長(zhǎng)10.9 mm，根長(zhǎng)11 mm，冠近遠(yuǎn)中向8.8 mm，頰舌向7.0 mm。符合王惠蕓[1]研究數(shù)據(jù)，將其作為實(shí)驗(yàn)標(biāo)本。

2.2 設(shè)備與軟件

PC計(jì)算機(jī)（interl?Core? i7-6700K CPU@4.00GHz，內(nèi)存 32G，硬盤3T Windows 7 旗艦版）

Micro CT（Inveon，德國西門子）

ABAQUS 6.13 - 4（DS SIMULIA，F(xiàn)RA）

Mimics17.0 (Materialise，Belgium)

Geomegic Studio 2013（Geomegic，USA）

2.3 樣本掃描

將離體牙固定在掃描模具中，用Micro CT進(jìn)行橫斷掃描，截面與牙長(zhǎng)軸垂直，層間距為0.019 mm，獲得1153張斷層影像，將圖像以DICOM格式導(dǎo)出。

2.4 圖像處理及建立三維數(shù)字模型

利用Mimics17.0讀取DICOM格式的掃描文件，通過閾值的不同分別提取牙釉質(zhì)、牙本質(zhì)及牙髓，得到STL格式的面網(wǎng)格，然后導(dǎo)入Geomagic Studio2013中在網(wǎng)格醫(yī)生功能的指導(dǎo)下進(jìn)行網(wǎng)格修復(fù)，并用其砂紙工具進(jìn)行光滑處理，使用精確曲面，經(jīng)過探測(cè)曲率，形成輪廓線，構(gòu)造曲面片及擬合曲面，從而重建三維模型。以IGS格式導(dǎo)入ABAQUS 6.13中，利用其模型編輯功能模擬樁核冠修復(fù)，建立包含牙釉質(zhì)、牙本質(zhì)、根管、樁核、牙冠、牙槽骨（將牙槽骨簡(jiǎn)化為立方體，牙槽嵴頂位于釉牙骨質(zhì)界下2 mm）的三維實(shí)體模型（圖1圖2），進(jìn)行分析。

圖1

圖2 上頜中切牙樁核冠三維模型

2.5 網(wǎng)格劃分和材料選擇

將以上模型部件文件在ABAQUS 6.13軟件中，對(duì)各部分進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)定為四面體單元，尺寸控制在0.4，共劃分節(jié)點(diǎn)305691個(gè)，單元216882個(gè)。各部分材料屬性見表1。

表1 各部分材料屬性（n，%）

2.6 力學(xué)性能假設(shè)和邊界條件約束

實(shí)驗(yàn)假設(shè)：本實(shí)驗(yàn)將模型中各種材料和組織假設(shè)為連續(xù)、均質(zhì)、各向同性的線彈性材料。

邊界條件：假定牙齒固定于牙槽骨內(nèi)，牙槽骨頰舌側(cè)為自由邊界，其近遠(yuǎn)中以及底部完全固定。牙體組織各部分之間接觸，設(shè)置為綁定（TIE）。

2.7 加載條件

上頜中切牙選擇146N的咬合力，在牙冠舌側(cè)面，距離切端3 mm處，與牙長(zhǎng)軸呈135°的力。

2.8 觀察指標(biāo)

最大主應(yīng)力（Max Von Mises，MVMS）：是材料內(nèi)部某一點(diǎn)不同方向中最大拉應(yīng)力的反應(yīng)。

3 結(jié) 果

采用鈷鉻合金樁核組剩余牙本質(zhì)最大主應(yīng)力（MVMS）為157.141 Mpa；其次是氧化鋯樁核組MVMS為150.844 Mpa；純鈦樁核組MVMS為102.563 Mpa；E.max樁核組MVMS在各組中最小，為100.936 Mpa。

4 應(yīng)力分布圖

加載條件下，樁冠修復(fù)后應(yīng)力集中的主要區(qū)域位于牙冠應(yīng)力加載區(qū)、剩余牙本質(zhì)頸部及樁核中部，如圖3-圖4所示。

圖3 上頜第一中切牙樁冠模型載荷后應(yīng)力云圖

圖4 上頜第一中切牙樁冠模型載荷后應(yīng)力云圖

5 討 論

所有應(yīng)力集中區(qū)域，基本都是位于肩臺(tái)、齦階的點(diǎn)線角處以及髓室軸角處，這些均提示我們?cè)谂R床牙體預(yù)備時(shí)注意點(diǎn)線角圓鈍，這能在一定程度上緩解應(yīng)力集中，降低修復(fù)體折裂、變形的風(fēng)險(xiǎn)，從而增加修復(fù)體的使用壽命。

6 結(jié) 論

高彈性模量的材料修復(fù)后改變牙本質(zhì)應(yīng)力分布的情況，易產(chǎn)生樁-牙本質(zhì)界面的應(yīng)力集中，從而使牙根易于折裂。彈性模量較低的E.max全瓷材料有利于應(yīng)力更均勻的分布，減少應(yīng)力集中，有利于保護(hù)剩余牙體組織。

[1] 王惠蕓.我國人牙的測(cè)量和統(tǒng)計(jì)[J].中華口腔科雜志,1959,3:149.

本文編輯：王雨辰

R318.01

B

ISSN.2095-8242.2017.02.1046.02