應(yīng)力中斷式附著體義齒修復(fù)下頜雙側(cè)游離端缺失的生物力學分析

崔嘉璽　譚力芯　熊宇等

[摘要]目的：分析并闡明一種自主設(shè)計的應(yīng)力中斷式附著體修復(fù)下頜雙側(cè)游離端缺失后支持組織的應(yīng)力分布規(guī)律。方法：設(shè)計和建立修復(fù)下頜雙側(cè)磨牙缺失的Kenndey Ⅰ類應(yīng)力中斷式附著體和常規(guī)冠外彈性附著體義齒的三維有限元模型，應(yīng)用三維有限元法，比較軸向載荷下兩種修復(fù)方式支持組織的應(yīng)力分布情況。結(jié)果：成功建立了應(yīng)力中斷式附著體和常規(guī)冠外彈性附著體義齒修復(fù)雙側(cè)下頜雙側(cè)游離端缺失的三維有限元模型。在軸向載荷下，應(yīng)力中斷式附著體義齒的基牙、牙周膜、牙槽嵴各部分承受的最大Von-Mises應(yīng)力值分別約是常規(guī)冠外彈性附著體義齒的71.0%，26.6%和25.0%，且其牙周膜和牙槽嵴黏膜受力分布較常規(guī)冠外彈性附著體義齒更加均勻和廣泛。結(jié)論：應(yīng)力中斷式附著體較常規(guī)冠外彈性附著體能明顯減輕局部可摘義齒在軸向載荷下基牙和牙周膜的受力，均勻分散（牙+合）力，起到應(yīng)力中斷和保護基牙的作用。

[關(guān)鍵詞]三維有限元；冠外彈性附著體；應(yīng)力中斷附著體；雙側(cè)游離端缺失；應(yīng)力值

[中圖分類號]R783.6 [文獻標志碼]A [文章編號]1008-6455（2017）03-0025-03

傳統(tǒng)的可摘局部義齒在修復(fù)雙側(cè)游離端缺失時，常對基牙產(chǎn)生過大的扭力，導(dǎo)致基牙的早期松動而使修復(fù)失敗。為減少局部可摘義齒在咀嚼運動中非軸向力對基牙的損害，本研究自主設(shè)計了一種帶有應(yīng)力中斷結(jié)構(gòu)的彈性附著體義齒。本文擬用三維有限元法，從生物力學的角度比較該應(yīng)力中斷式附著體和常規(guī)冠外彈性附著體義齒修復(fù)雙側(cè)游離端缺失后支持組織的應(yīng)力分布規(guī)律，為應(yīng)力中斷式附著體義齒的臨床應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1材料和方法

1.1牙頜模型數(shù)據(jù)的采集：個別正常（牙+合）的男性志愿者1名，臨床檢查無牙周疾患，上下牙列完整，咬合關(guān)系好。用CBCT（德國KAVO 3D）對志愿者進行頜面部掃描，獲得的數(shù)據(jù)以DICOM的格式（digital imaging and communications in medicine，醫(yī)學數(shù)字圖像通訊）保存至計算機中。用加聚型硅橡膠材料取志愿者上下牙列印模，灌制超硬石膏模型，在石膏上磨除雙側(cè)第一、二前磨牙并修整牙槽嵴，以模擬雙側(cè)后牙游離端缺失的患者牙頜形態(tài)，雙側(cè)第二前磨牙按常規(guī)彈性附著體義齒基牙的預(yù)備要求進行牙體預(yù)備，分別設(shè)計和制作雙側(cè)單基牙應(yīng)力中斷式附著體和常規(guī)冠外彈性附著體義齒，基牙為鈷鉻合金烤瓷冠，其中，應(yīng)力中斷附著體義齒的冠外彈性附著體與基托采用Vitallium2000鈷鉻鉬合金設(shè)計的分裂基托小連接體設(shè)計，兩側(cè)附著體以金屬舌桿相連（見圖1）。激光掃描石膏模型及兩組附著體，獲得的數(shù)據(jù)保持為STL格式。

1.2三維有限元模型的建立：通過Geomagic Studio 12（Raindrop公司，美國）和Mimics 15.0（Materialise公司，比利時）逆向工程軟件對獲得的牙頜模型數(shù)據(jù)進行處理，獲得下頜骨及牙列的三維重建模型，在ANSYS 16.0（Ansys公司，美國）軟件中對其進行網(wǎng)格劃分，對模型中各材料進行力學參數(shù)賦值，彈性模量：牙本質(zhì)18600.0MPa、牙周膜68.9MPa、皮質(zhì)骨13700.0MPa，松質(zhì)骨1370.0MPa、黏膜3.4MPa，鈷鉻鉬合金210000.0MPa、基托4500.0MPa：泊松比：牙本質(zhì)0.31、牙周膜0.45、皮質(zhì)骨0.30，松質(zhì)骨0.30、黏膜0.45，鈷鉻鉬合金0.30、基托0.35。根據(jù)以往的文獻，建模時假設(shè)實驗中各材料為各向同性的連續(xù)線性材料，對下頜牙槽骨下緣、近中和遠中截面進行約束，定義其位移為零。同時通過布爾運算獲得包括雙側(cè)下頜牙列，牙槽骨，牙周膜，黏膜，附著體義齒在內(nèi)的兩組修復(fù)方式的三維有限元模型（見圖1）。

1.3載荷的施加和支持組織應(yīng)力規(guī)律的分析：為真實模擬口內(nèi)正中咀嚼咬合時雙側(cè)下頜磨牙的受力大小、方向、作用點，本實驗在ANSYS 16.0軟件中經(jīng)過三維重建后獲得的兩組附著體三維有限元型上，分別對其雙側(cè)游離端第一、第二磨牙附著體義齒同時施加100N大小的軸向載荷力，方向與磨牙牙體長軸平行，施加力的部位在磨牙頰尖舌斜面（見圖2）。在軸向應(yīng)力加載后，獲得支持組織各部位（基牙、牙周膜、基托下黏膜）的應(yīng)力分布規(guī)律。

2結(jié)果

2.1基牙和牙周膜應(yīng)力分布情況：軸向載荷下，附著體義齒雙側(cè)的基牙、牙周膜應(yīng)力分布和最大Von-Mises（等效應(yīng)力值）幾乎完全相同，基牙最大Von-Mises應(yīng)力值和集中最明顯的區(qū)域都分布在基牙的遠中近牙頸部，應(yīng)力中斷組基牙和牙周膜受力面積大于冠外彈性組，兩組附著體基牙最大應(yīng)力值分別為12.774MPa和17.943MPa，牙周膜最大應(yīng)力值分別為1.168MPa和4.577MPa，應(yīng)力中斷組最大Von-Mises應(yīng)力值約是冠外彈性組的71.0%，牙周膜最大Yon-Miser值是冠外彈性組的26.6%（見表1），應(yīng)力中斷組基牙和牙周膜各部位受力較冠外彈性組更加均勻，受力范圍更廣（見圖3）。

2.2牙槽嵴黏膜應(yīng)力分布情況：軸向載荷下兩組附著體游離端牙槽嵴黏膜應(yīng)力分布規(guī)律相似，呈現(xiàn)從基牙遠中至磨牙后墊區(qū)域受力漸大的趨勢，常規(guī)冠外彈性組在近磨牙后墊的區(qū)域有一個應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力中斷組在游離端牙槽嵴黏膜遠中有頰舌兩個應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力中斷組較常規(guī)冠外彈性組牙槽嵴受力面積大，應(yīng)力集中不明顯，分布更均勻（見圖4），應(yīng)力中斷組牙槽嵴黏膜和常規(guī)冠外彈性組最大應(yīng)力值分別為0.526MPa和0.399MPa，應(yīng)力中斷組牙槽嵴黏膜最大應(yīng)力值約是常規(guī)冠外彈組的25.0%（見表1）。

3討論

常規(guī)冠外彈性附著體包含氣囊緩沖結(jié)構(gòu)，它在修復(fù)游離端缺失時對基牙可以起到一定的應(yīng)力緩沖作用，但基牙遠中基托下黏膜組織受力顯著增加。本研究中，應(yīng)用分裂基托與基牙近中的小連接體結(jié)構(gòu)結(jié)合常規(guī)冠外彈性附著體，實現(xiàn)具有應(yīng)力中斷效應(yīng)的附著體義齒設(shè)計，以期在減少基牙不良扭力的同時，減少并改善義齒遠中基托下方的游離端黏膜組織的應(yīng)力分布。早期Knapp等在設(shè)計可摘局部義齒時就提出了在基托處做“split”（裂隙）的設(shè)計理念，以達到應(yīng)力中斷的作用。但受限于傳統(tǒng)鈷鉻合金強度和回彈性較差，該設(shè)計并未成功應(yīng)用于臨床。近年來，鈷鉻鉬鑄造合金Vitallium 2000的開發(fā)和應(yīng)用逐漸廣泛，它通過提高傳統(tǒng)的鈷鉻鑄造合金中鉻和鉬（鉬占5%～7%）含量，使其具有了較高的延展系數(shù)和維氏硬度，可以保證分裂基托在實現(xiàn)應(yīng)力中斷效應(yīng)的同時，避免自身因應(yīng)力過于集中而折斷。為此，本實驗采用Vitallium2000鈷鉻鉬鑄造合金鑄造分裂基托。

三維有限元建模須考慮附著體各界面與黏膜的接觸問題，這涉及到三維有限元非線性分析，為真實模擬實際咀嚼運動時附著體義齒組織面、側(cè)面與牙槽黏膜間力學傳動特點及支持組織各部位的受力狀態(tài)，本實驗采用CBCT、激光、逆向工程軟件精準建模。對基托組織面、側(cè)面及牙槽黏膜采用六面體劃分，其余部分四面體劃分，對根尖區(qū)牙周膜和牙槽骨進行細化，建模的速度快、精度高，同時確保了良好的幾何相似性和力學相似性。本研究中，軸向載荷下應(yīng)力中斷組基牙和牙周膜在各區(qū)域受力值均小于常規(guī)冠外彈性組，受力范圍大于常規(guī)冠外彈性組，兩組附著體基牙都有明顯的應(yīng)力集中點，應(yīng)力中斷組基牙和牙周膜的最大應(yīng)力值都明顯小于常規(guī)冠外彈性組。應(yīng)力中斷組牙周膜受力分散均勻，無明顯應(yīng)力集中點，牙周膜對基牙有良好的拉應(yīng)力，對牙周膜刺激較小，可以避免因傳遞至基牙和牙周膜較大的側(cè)向駘力造成牙周的吸收，起到保護基牙和牙周的作用。

軸向載荷下，常規(guī)冠外彈性組遠中牙槽嵴黏膜有一個應(yīng)力集中區(qū)，推測可能是由于受力時義齒基托遠中旋轉(zhuǎn)和下沉，起到了對軸向力的緩沖作用，同時也造成了應(yīng)力向遠中牙槽嵴黏膜區(qū)域集中，容易造成牙槽嵴局部的吸收。應(yīng)力中斷組附著體牙槽嵴應(yīng)力分布區(qū)域面積大于常規(guī)冠外彈性組，各位點Von-Mises值小于冠外彈性組，推測是應(yīng)力中斷組分裂基托受到通過義齒傳遞的軸向力時，由于其裂隙狀設(shè)計和良好的回彈性，中斷和分散了（牙+合）力，并使應(yīng)力沿近中連接體傳遞至基牙，由基牙牙冠向根方呈軸向傳遞。有利于減少作用在基牙上的扭力并延緩牙槽嵴的吸收。

本研究證實該自主設(shè)計的應(yīng)力中斷式附著體義齒可以較好地改善義齒支持組織的應(yīng)力分布，為維護和改善雙側(cè)游離端缺失后基牙及其支持組織的健康提供了一種較好的選擇；基于臨床上牙周條件和缺牙區(qū)牙槽嵴吸收程度的復(fù)雜狀況，后續(xù)仍需進一步對其在不同載荷方式下的應(yīng)力分布進行深入研究。