下前牙松牙固定的生物力學(xué)分析

陳倩柔，盧頓朗，苗夢(mèng)雨，毛天嬌，陸　珂

1)鄭州大學(xué)第一附屬醫(yī)院惠濟(jì)院區(qū)牙周科 鄭州 450053　2)鄭州大學(xué)第一附屬醫(yī)院惠濟(jì)院區(qū)牙周科 鄭州 450053

慢性牙周炎是最常見的四大口腔疾病之一，也是導(dǎo)致成人牙齒喪失的首位原因，對(duì)于中重度慢性牙周炎牙槽骨吸收導(dǎo)致牙齒松動(dòng)，經(jīng)過牙周治療仍未能恢復(fù)正常的患牙，臨床上通過牙周夾板固定來分散咬合力[1]。目前有研究[2]對(duì)不銹鋼絲和百強(qiáng)固位纖維固定松牙的臨床效果進(jìn)行比較，結(jié)果顯示2種松牙固定方法的臨床療效有差異，但缺少直接的生物力學(xué)數(shù)據(jù)。本文選取臨床上最常見的接受松牙固定治療的2類病例作為研究模型，通過繪制不銹鋼絲和百強(qiáng)固位纖維牙周夾板，在同一模型上進(jìn)行2種固定方式的受力分析和比較，可以有效控制其他無關(guān)變量，從生物力學(xué)的角度來比較2種松牙固定方法分散咬合力的效果，從而為臨床上選擇松牙固定方式提供理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1標(biāo)本來源從2016年3月至12月于河南省口腔醫(yī)院牙周科就診的患者中篩選出下頜前牙重度水平型和垂直型吸收的慢性牙周炎患者2例，征得患者同意后，進(jìn)行CBCT掃描，獲得下頜前牙CBCT圖像作為原始資料。

1.2實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷念愋湍Ｐ?：下前牙牙槽骨重度水平型吸收，其中一顆中切牙吸收達(dá)根長(zhǎng)的2/3(水平型吸收)；模型2：下前牙牙槽骨中度水平型吸收，其中一顆中切牙垂直型吸收達(dá)根長(zhǎng)的2/3(垂直型吸收)。

1.3軟件Mimics 17.0(Materialise公司，比利時(shí))、Geomagic Studio 10.0(Raindrop Geomagic公司，美國)、Solidworks(Dassault Systemes公司，法國)、ANSYS 15.0(ANSYS公司，美國)。

1.4建模方法

1.4.1下頜骨及牙列模型的建立將CBCT掃描圖像數(shù)據(jù)保存為DICOM文件格式，導(dǎo)入Mimics中，調(diào)整至合適的閾值，分別生成牙列和下頜骨的幾何模型，以stl格式輸出。再將其導(dǎo)入Geomagic Studio中，先運(yùn)用松弛命令處理牙列和下頜骨的幾何模型，進(jìn)行表面優(yōu)化和曲面化，再利用網(wǎng)格醫(yī)生修復(fù)模型表面，得到光滑的牙列和下頜模型，并將牙列模型偏移處理0.25 mm，生成厚度為0.25 mm的牙周膜模型。將所有模型以stl格式保存。

1.4.2牙周夾板模型的建立將所有模型導(dǎo)入Solidworks中，模擬臨床實(shí)際操作，依照牙列舌側(cè)的外形在舌隆突以上、切端以下2～3 mm的范圍內(nèi)畫出不銹鋼絲聯(lián)合流動(dòng)樹脂和百強(qiáng)固位纖維加強(qiáng)樹脂的牙周夾板模型，并將各部分模型進(jìn)行組裝。至此，2種病例的CBCT圖像可各自形成未進(jìn)行松牙固定、模擬不銹鋼絲聯(lián)合復(fù)合樹脂夾板固定以及模擬百強(qiáng)固位纖維加強(qiáng)樹脂夾板固定3種模型，即共6個(gè)模型。

1.4.3有限元模型的建立將已建立的模型導(dǎo)入ANSYS，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，定義材料屬性(牙齒、牙周組織及牙周夾板的彈性模量和泊松比[3-5]見表1)，假設(shè)所有材料和組織為連續(xù)、均質(zhì)，各向同性的彈性材料[6]，切牙切端受力均勻，建立有限元模型。

表1　各種材料彈性模量和泊松比

1.5力的加載與分析模擬正常人在咀嚼食物時(shí)的咬合方式，加載的部位為各牙的切端，方向?yàn)檩S向和唇舌向45°，加載力的大小為120 N，這與正常人下前牙在咀嚼過程中實(shí)際所承受的咀嚼力的大小、方向相近[7]。利用ANSYS進(jìn)行應(yīng)力分析。

1.6觀察指標(biāo)觀察不同牙槽骨吸收類型下，運(yùn)用2種牙周夾板后，在受到咬合力加載時(shí)下前牙牙槽骨及牙周膜應(yīng)力分布變化及應(yīng)力值改變量的大小(應(yīng)力值改變量=術(shù)后應(yīng)力值-術(shù)前應(yīng)力值，負(fù)值越大，應(yīng)力減小值越大)。

2　結(jié)果

2.1下前牙三維有限元模型的應(yīng)力分布變化

2.1.1下前牙三維有限元模型的牙槽骨應(yīng)力分布變化所有三維有限元模型的應(yīng)力集中部位均位于各個(gè)牙的牙頸部，且進(jìn)行2種松牙固定后分別加載45°側(cè)向力(圖1)和軸向力(圖2)時(shí)，牙槽骨上的應(yīng)力分布均比術(shù)前牙槽骨上的應(yīng)力分布均勻。

2.1.2下前牙三維有限元模型的牙周膜應(yīng)力分布變化所有三維有限元模型的應(yīng)力集中部位也位于各個(gè)牙的牙頸部，且進(jìn)行2種松牙固定后加載45°側(cè)向力(圖3)和軸向力(圖4)時(shí)，牙周膜上的應(yīng)力分布均比術(shù)前牙周膜上的應(yīng)力分布均勻。

A～C：病例1術(shù)前、不銹鋼絲固定后、百強(qiáng)固位纖維固定后牙槽骨應(yīng)力分布云圖；D～F：病例2術(shù)前、不銹鋼絲固定后、百強(qiáng)固位纖維固定后牙槽骨應(yīng)力分布云圖圖1　加載45°側(cè)向力后牙槽骨應(yīng)力分布云圖

A～C：病例1術(shù)前、不銹鋼絲固定后、百強(qiáng)固位纖維固定后牙槽骨應(yīng)力分布云圖；D～F：病例2術(shù)前、不銹鋼絲固定后、百強(qiáng)固位纖維固定后牙槽骨應(yīng)力分布云圖圖2　加載軸向力后牙槽骨應(yīng)力分布云圖

A～C：病例1術(shù)前、不銹鋼絲固定后、百強(qiáng)固位纖維固定后牙周膜應(yīng)力分布云圖；D～F：病例2術(shù)前、不銹鋼絲固定后、百強(qiáng)固位纖維固定后牙周膜應(yīng)力分布云圖圖3　加載45°側(cè)向力后牙周膜應(yīng)力分布云圖

A～C：病例1術(shù)前、不銹鋼絲固定后、百強(qiáng)固位纖維固定后牙周膜應(yīng)力分布云圖；D～F：病例2術(shù)前、不銹鋼絲固定后、百強(qiáng)固位纖維固定后牙周膜應(yīng)力分布云圖圖4　加載軸向力后牙周膜應(yīng)力分布云圖

2.2下前牙三維有限元模型的應(yīng)力值變化結(jié)果見表2～5。病例1和病例2經(jīng)過松牙固定后，在軸向力和45°側(cè)向力下，松牙牙槽骨和牙周膜所受的力均減少。從牙槽骨和牙周膜應(yīng)力值改變量來看，病例1在45°側(cè)向力下2種固定方法的效果基本相似；而軸向力下病例1中百強(qiáng)固位纖維固定后，松牙的應(yīng)力值減小比不銹鋼絲固定更明顯。病例2中在45°側(cè)向力下，百強(qiáng)固位纖維固定后切牙的應(yīng)力值減少比不銹鋼絲固定更明顯；而在軸向力下，不銹鋼絲固定后切牙的應(yīng)力值減少比百強(qiáng)固位纖維稍明顯。

表2　病例1不同施力方向下的下前牙各牙位牙周膜應(yīng)力值　×10-3 MPa

表3　病例1不同施力方向下的下前牙各牙位牙槽骨應(yīng)力值　×10-3 MPa

表4　病例2不同施力方向下的下前牙各牙位牙周膜應(yīng)力值　×10-3 MPa

表5　病例2不同施力方向下的下前牙各牙位牙槽骨應(yīng)力值　×10-3 MPa

3　討論

3.1主要發(fā)現(xiàn)從應(yīng)力云圖中可以看出，松牙固定術(shù)前，下前牙受力時(shí)，牙周膜應(yīng)力明顯集中于松牙上。而在2種松牙固定術(shù)后，松牙的牙周膜應(yīng)力得到分散，鄰牙牙周膜上的藍(lán)色和黃色區(qū)域明顯增大，即應(yīng)力增大，并且2種固定方法都具有越靠近松牙，應(yīng)力增大越明顯的趨勢(shì)。 從應(yīng)力值的變化上可以看出，對(duì)于牙槽骨水平型吸收和垂直型吸收的病例來說，在不銹鋼絲和百強(qiáng)固位纖維固定后，吸收最嚴(yán)重的切牙的牙槽骨和牙周膜的應(yīng)力值均有減小，其鄰牙的牙槽骨和牙周膜的應(yīng)力值也有相應(yīng)的減小或出現(xiàn)承擔(dān)分散咬合力的現(xiàn)象(應(yīng)力值增大)。這就說明2種牙周夾板均具有分散咬合力的作用，其在臨床上的應(yīng)用是合理的。

3.2可能的機(jī)制比較2種牙周夾板固定后的應(yīng)力值減小量可知：對(duì)于水平型牙槽骨吸收的病例，在45°側(cè)向力下，不銹鋼絲固定后，牙槽骨吸收最嚴(yán)重的切牙牙周膜應(yīng)力由7.749 3×10-3MPa減小至4.192 2×10-3MPa，其同側(cè)鄰牙的應(yīng)力由2.606 1×10-3MPa減小至2.438 6×10-3MPa，其同側(cè)尖牙的應(yīng)力由2.318 0×10-3MPa增大至3.523 4×10-3MPa。百強(qiáng)固位纖維固定后，牙槽骨吸收最嚴(yán)重的切牙牙周膜應(yīng)力由7.749 3×10-3MPa減小至3.952 6×10-3MPa，其鄰牙的應(yīng)力由2.606 1×10-3MPa減小至2.515 5×10-3MPa，其同側(cè)尖牙的應(yīng)力由2.318 0×10-3MPa增大至3.922 4×10-3MPa。即百強(qiáng)固位纖維固定時(shí)應(yīng)力減小幅度大于不銹鋼絲。在軸向咬合力下的應(yīng)力變化幅度有相似的規(guī)律。百強(qiáng)固位纖維帶非常柔軟，能完全隨牙弓的形態(tài)貼附于牙面并通過流動(dòng)樹脂黏固于牙面上。百強(qiáng)固位纖維加強(qiáng)樹脂牙周夾板與牙面貼合度好，接觸面積大，而且流動(dòng)樹脂固化后具有良好的剛性，而不銹鋼絲不能與牙面完全貼合，并且具有一定的彈性，故百強(qiáng)固位纖維加強(qiáng)樹脂更有利于應(yīng)力的分散，在牙槽骨水平型吸收的病例中，百強(qiáng)固位纖維固定后松牙的應(yīng)力減小更明顯。對(duì)于垂直型牙槽骨吸收的病例來說，45°側(cè)向力下的應(yīng)力變化情況類似于水平型牙槽骨吸收；在軸向力下，不銹鋼絲固定時(shí)，牙槽骨吸收最嚴(yán)重的切牙應(yīng)力由2.263 0×10-3MPa減小至0.595 7×10-3MPa，百強(qiáng)固位纖維固定時(shí)，牙槽骨吸收最嚴(yán)重的切牙的應(yīng)力由2.263 0×10-3MPa減小至1.684 0×10-3MPa，故不銹鋼絲的效果更好。臨床上用于松牙固定的不銹鋼絲剛性小，容易產(chǎn)生彈性形變，在加載軸向力時(shí)相鄰2牙之間未用樹脂固定的不銹鋼絲會(huì)產(chǎn)生輕微的彈性形變，吸收部分應(yīng)力，導(dǎo)致牙周膜所受到的應(yīng)力減小。加載45°側(cè)向力時(shí)，松牙唇舌向動(dòng)度較大，不銹鋼絲的彈性形變不足以抵抗松牙的舌向位移，而百強(qiáng)固位纖維這種剛性更大的牙周夾板更有利于固定松牙，分散咬合力。牙槽骨的應(yīng)力變化與牙周膜的情況基本一致。進(jìn)行松牙固定后，部分牙位出現(xiàn)了牙周膜應(yīng)力增大的情況。研究[8]表明，在正常咀嚼運(yùn)動(dòng)中，咀嚼食物的力大約只為牙周組織所能支持的力量的一半，尚儲(chǔ)存了另一半支持能力。運(yùn)用牙周夾板之后，牙周膜應(yīng)力增大幅度是在正常的生理承受范圍之內(nèi)的。所以運(yùn)用牙周夾板可以充分利用鄰牙的牙周潛力，減輕松牙的負(fù)擔(dān)，有利于松牙牙周組織的恢復(fù)。由上述討論可知，不銹鋼絲和百強(qiáng)固位纖維牙周夾板可以明顯改善咀嚼過程中松牙牙槽骨和牙周膜所受的應(yīng)力。隨著粘接材料的發(fā)展，牙周夾板與牙齒之間的粘接更加牢固，那么是否可以將不銹鋼絲和百強(qiáng)固位纖維牙周夾板作為永久性的牙周夾板來使用，這需要進(jìn)一步研究來證實(shí)。

3.3研究的不足本文是從生物力學(xué)的角度來考慮2種牙槽骨吸收情況下2種松牙固定方法的效果。由于百強(qiáng)固位纖維加強(qiáng)樹脂的表面光滑容易清潔，而不銹鋼絲聯(lián)合樹脂牙周夾板容易堆積菌斑，這也會(huì)影響牙周組織的恢復(fù)[9]。而且百強(qiáng)固位纖維的療效還與患者的年齡、牙齒的松動(dòng)度、松動(dòng)時(shí)間等因素有關(guān)。另外，本研究模擬加載的咬合力方向比較單一，無法體現(xiàn)松牙在咀嚼運(yùn)動(dòng)過程中所有受力方向的變化以及臨床上關(guān)系的多樣性，因此臨床上在選擇松牙固定方式的時(shí)候應(yīng)該充分考慮患者的個(gè)人因素，個(gè)性化制定松牙固定方案，才能取得更好的效果。

3.4結(jié)論從生物力學(xué)角度分析可以得出：牙槽骨水平型吸收的病例，百強(qiáng)固位纖維分散力的效果更明顯；而牙槽骨垂直型吸收的病例，不銹鋼絲和百強(qiáng)固位纖維各有優(yōu)勢(shì)，臨床上可以根據(jù)牙周夾板壽命的長(zhǎng)短、患者的經(jīng)濟(jì)情況等方面綜合考慮。

[1] 桂湧,馮琛琛,沈曉云.纖維夾板松牙固定術(shù)對(duì)重度牙周炎治療效果的影響[J].口腔醫(yī)學(xué),2014,34(8):639

[2] 陳暉,周峰美,顧曉霞,等.Biosplint固位纖維材料在松牙固定中的作用及影響因素[J].中國組織工程研究,2012,16(8):1513

[3] 鄭立娟,馬衛(wèi)東,陳秉智.纖維加強(qiáng)樹脂夾板固定下頜前牙應(yīng)力分布的有限元分析[J].實(shí)用口腔醫(yī)學(xué)雜志,2012,28(6):691

[4] DEGER Y,ADIGüZEL ?,YIGIT?ZER S,et al.Evaluation of temperature and stress distribution on 2 different post systems using 3-dimensional finite element analysis[J].Med Sci Monit,2015,21:3716

[5] 董少杰,蘭亭,孔婷婷,等.純鈦樁核及纖維樁核冠修復(fù)上頜中切牙薄壁殘根后的有限元應(yīng)力分析[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)(醫(yī)學(xué)版),2017,38(2):299

[6] 吳麗萍,許頊杰,盧軍.腭部種植體在加強(qiáng)后牙支抗的三維有限元分析[J].現(xiàn)代口腔醫(yī)學(xué)雜志,2005,19(4):401

[7] 王美青.口腔解剖生理學(xué)[M].7版.北京:人民衛(wèi)生出版社,2012:320

[8] 趙銥民.口腔修復(fù)學(xué)[M].7版.北京:人民衛(wèi)生出版社,2012:151

[9] 梁曉敏.百強(qiáng)固位纖維在松牙固定術(shù)中的療效觀察[J].臨床醫(yī)學(xué)工程,2011,18(1):71