牙合面開孔直徑對(duì)種植修復(fù)系統(tǒng)及周圍皮質(zhì)骨影響的有限元分析

李哲 秦博文 常曉峰 孟兆理 潘峰 王淼 杜良智

目前，種植修復(fù)上部結(jié)構(gòu)最常使用的固位方式有2種：螺絲固位與粘接固位。與螺絲固位相比，粘接固位具有很多優(yōu)點(diǎn)，包括：制作簡(jiǎn)單、美觀、咬合理想、可彌補(bǔ)植入位點(diǎn)的偏差、易獲得被動(dòng)就位等［1－2］，但粘接劑殘留和拆卸復(fù)雜仍是困擾醫(yī)生的問題［3－4］。Rajan等［5］于2004年首次提出面開孔的粘接固位方式，將粘接固位和螺絲固位的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來［6］。這種方法的優(yōu)勢(shì)在于：①為粘接劑提供一個(gè)排溢道，減少頸部粘結(jié)劑殘留；②可采用體外粘接，形成類似螺絲固位一體冠，清除粘接劑后將牙冠與基臺(tái)整體戴入患者口內(nèi)；③為將來拆冠提供了鉆孔通道，便于準(zhǔn)確找到中央螺絲。然而，對(duì)于這種改良的粘接固位方式，對(duì)其開孔直徑并無統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。目前，技工通常將面開孔直徑設(shè)置為2 mm左右 （即略大于中央螺絲的最大外徑），有時(shí)由于手工誤差，或者植體植入角度欠佳，實(shí)際直徑可能會(huì)更大，這種做法的主要目的是確保中央螺絲可以自由進(jìn)出，便于體外粘接的順利進(jìn)行。然而從生物力學(xué)角度來看，不同開孔直徑會(huì)造成牙冠自身結(jié)構(gòu)、牙冠與基臺(tái)接觸狀態(tài)、開孔邊緣與加力區(qū)的位置關(guān)系發(fā)生改變，這種改變是否會(huì)導(dǎo)致局部應(yīng)力狀況發(fā)生變化尚不清楚。此外，在實(shí)際運(yùn)用體外粘接時(shí)不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前開孔大小略顯 “浪費(fèi)”，因?yàn)閮H需保證螺絲刀的尖端恰好可以通過牙冠開孔并卡入螺絲頂端，便可實(shí)現(xiàn)體外粘接，而并不需要將中央螺絲徹底取出。甚至，在不使用體外粘接的情況下，開孔直徑可以進(jìn)一步的縮小，使面孔道僅作為鉆孔導(dǎo)向孔和粘接劑排溢孔而存在，這不僅減少了頸部余留的粘接劑，為將來拆冠提供了明確的鉆孔通道，同時(shí)也最大限度的恢復(fù)了牙冠的完整性，保證了理想的美觀、強(qiáng)度與咬合。

本實(shí)驗(yàn)采用三維有限元分析方法，目的：初步探索不同牙冠開孔直徑對(duì)種植修復(fù)系統(tǒng) （牙冠、基臺(tái)、螺絲、植體）及其周圍骨組織所受最大等效應(yīng)力及分布的影響，為采用面開孔的粘接固位種植支持式牙冠提供合理開孔直徑。牙冠的咬合面和冠邊緣是臨床中常出現(xiàn)問題的部位，本實(shí)驗(yàn)將分別對(duì)其進(jìn)行研究。

1 材料與方法

1.1 種植體、基臺(tái)、螺絲三維有限元模型的建立

本研究以Bego-SLine種植系統(tǒng)為例，根據(jù)廠商提供的種植外科手冊(cè)中關(guān)于下頜第一磨牙位點(diǎn)的植體建議，選用直徑4.5 mm，長(zhǎng)度10 mm種植體（Bego，Bremen，Germany）。基臺(tái)選用：直徑 4.5 mm，高度 6 mm，穿齦2.5～4 mm成品Sub-Tec純鈦粘接基臺(tái)，基臺(tái)聚合度6°［7］?；_(tái)上方平臺(tái)內(nèi)徑（即螺絲孔道直徑）2 mm，外徑為4 mm。采用布爾運(yùn)算建立與植體內(nèi)螺紋完全匹配的中央螺絲，從而避免因模型設(shè)計(jì)不合理而造成應(yīng)力集中，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。所有幾何模型數(shù)據(jù)均來自BEGO種植產(chǎn)品手冊(cè)，并在3D建模軟件Solid Works 2014上制作完成（SolidWorks Corp，Concord，MA）。

1.2 局部下頜骨模型的建立

將1名無口腔疾病的健康青年（男性，25歲）的CBCT重建影像以STL格式導(dǎo)入逆向工程軟件Geomagic Studio 2013（Raindrop，USA）中，截取左側(cè)下頜第二前磨牙至第二磨牙區(qū)域，去除牙齒，利用軟件自帶優(yōu)化功能，將模型邊緣處理光滑、平整。擬種植位點(diǎn)皮質(zhì)骨厚度為0.88～1.20 mm，松質(zhì)骨骨質(zhì)設(shè)定為Ⅱ類骨。

1.3 牙合面開孔牙冠模型的建立

將所用基臺(tái)STL文件送至技工室（西安，康泰利華牙科技術(shù)有限公司），導(dǎo)入3shape 2014 Pro軟件（3Shape，Copenhagen，Denmark）中，由專業(yè)技師設(shè)計(jì)生成符合臨床要求的牙冠，頰舌徑：8.5 mm，近遠(yuǎn)中徑：9.0 mm，并降低牙尖高度和斜度。將生成的牙冠STL文件導(dǎo)入SolidWorks 2014軟件中，利用軟件自帶“拉伸切除”工具，沿種植體軸向切割，形成開孔直徑為1、2、3、4mm的牙冠。在臨床工作中，面螺絲孔通常會(huì)被樹脂封閉，以暫時(shí)維持牙冠的完整，避免異物嵌入，但這仍無法彌補(bǔ)牙冠結(jié)構(gòu)連續(xù)性的中斷，并且因?yàn)檩^差的耐磨性，使用一段時(shí)間后樹脂往往會(huì)脫離咬合面，無法承擔(dān)應(yīng)有的咬合力。因此考慮以上因素，本次實(shí)驗(yàn)同Karl等學(xué)者［8］的研究一致，未對(duì)開孔封閉。牙冠材質(zhì)選用目前臨床上廣泛應(yīng)用的氧化釔部分穩(wěn)定四方相多晶氧化鋯（Y-TZP）［7］。

在Solid Works2014軟件中將各部件進(jìn)行裝配，利用三維有限元分析軟件（Ansys Workbench 13.0，ANSYS Inc.Canonsburg.PA）進(jìn)行網(wǎng)格劃分（圖 1），共形成單元數(shù)956 627，節(jié)點(diǎn)數(shù)1 362 433（以完整牙冠為例），材料力學(xué)參數(shù)（表1）。

圖1 5種開孔直徑的三維有限元模型網(wǎng)格劃分頰舌向剖面圖Fig 1 Buccal-lingual section of themeshes of five FEmodelswith different diameters of screw-access hole

本實(shí)驗(yàn)各部件均為各向同性的均質(zhì)線彈性材料［12－14］，假設(shè)植體與骨界面之間為完全的骨結(jié)合，其界面采用Bonded接觸，即受力時(shí)各方向不產(chǎn)生移動(dòng)［7，12］，骨段近遠(yuǎn)中面設(shè)置為 Fix support［15］。由于在人的實(shí)際咬合過程中，牙冠的功能尖承載主要的咬合力，故本次實(shí)驗(yàn)選取下頜第一磨牙的三個(gè)頰尖舌斜面為加力面［16－17］（總面積 ＝2.85 mm2），垂直向加載 200 N咬合力，斜向45°加載100 N咬合力［18］（圖 2）。利用Ansys Workbench 13.0中靜態(tài)結(jié)構(gòu)（statics structure）分析模塊進(jìn)行計(jì)算機(jī)有限元分析。對(duì)牙冠咬合面、牙冠邊緣、基臺(tái)、中央螺絲、種植體、植體頸部皮質(zhì)骨的最大等效應(yīng)力及其分布區(qū)域進(jìn)行記錄。

表1 材料及組織的力學(xué)參數(shù)Tab 1 Material and tissue properties used in finite element analysis

圖2 牙冠加力面（A）及加力方式（B）示意圖Fig 2 Loading points and directions simulatingmasticatory force

2 結(jié) 果

本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：①牙冠咬合面：當(dāng)開孔直徑≤3 mm時(shí)，牙冠咬合面在兩種載荷方式下最大等效應(yīng)力值均基本保持穩(wěn)定；當(dāng)開孔直徑＞3 mm時(shí)，最大等效應(yīng)力值急劇增加，在4 mm時(shí)達(dá)到峰值。牙冠咬合面等效應(yīng)力分布：當(dāng)開孔直徑≤3 mm時(shí)，應(yīng)力主要集中在咬合力加載區(qū)域；當(dāng)直徑為4 mm時(shí)，垂直載荷組的應(yīng)力集中部位出現(xiàn)改變，由咬合力加載區(qū)變?yōu)殚_孔邊緣處，但斜向載荷組未見明顯改變；②中央螺絲：在垂直載荷下，當(dāng)牙冠開孔直徑≤1 mm時(shí)，螺絲可維持在較低的應(yīng)力水平；當(dāng)直徑在1～2 mm之間時(shí)，螺絲所受最大等效應(yīng)力急劇增加；當(dāng)直徑≥2 mm時(shí)，螺絲所受最大等效應(yīng)力始終維持在較高水平；在斜向載荷下，中央螺絲所受最大等效應(yīng)力始終未見明顯改變。等效應(yīng)力分布：隨著開孔直徑增大，中央螺絲的應(yīng)力集中部位未見明顯改變，主要集中于第一螺紋處；③其余部件，包括牙冠邊緣、基臺(tái)、種植體、植體周圍皮質(zhì)骨所受的最大等效應(yīng)力均未見明顯改變，故在本實(shí)驗(yàn)中均不再予以討論（表2，圖3～5）。

3 討 論

三維有限元分析方法目前已被廣泛的應(yīng)用于口腔種植系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)，通過對(duì)生物力學(xué)表現(xiàn)初步的觀察與預(yù)測(cè)，避免將問題帶入臨床工作［19］。

表2 各部件所受最大等效應(yīng)力值Tab 2 Maximum equivalent stress value（MPa）for each component

圖3 不同載荷條件下各部件所受最大等效應(yīng)力變化圖Fig 3 Maximum equivalent stress change of each componentunder vertical and oblique loading

圖4 不同開孔直徑下牙冠咬合面的等效應(yīng)力云圖Fig 4 Von-mises stress distribution on the occlusal surface of the crown

本研究結(jié)果同樣顯示：當(dāng)牙冠開孔直徑為0～1 mm時(shí)，中央螺絲在垂直載荷下可維持較低的應(yīng)力水平。因此在臨床工作中行后牙區(qū)修復(fù)時(shí)，若要采用面開孔的粘接固位方式，建議將開孔直徑控制在1 mm及以下，這可能會(huì)對(duì)中央螺絲起到一定的保護(hù)作用，同樣，這對(duì)于咬合力大、齦距低或夜磨牙的患者可能具有更大的意義。

圖5 不同牙冠開孔直徑下中央螺絲的等效應(yīng)力云圖Fig 5 Von-mises stress distribution on the screws

眾所周知，骨骼是一個(gè)復(fù)雜的非線性、各向異性的活體組織、且存在動(dòng)態(tài)改變［23］，種植體與骨組織之間也無法到達(dá)真正的100%骨結(jié)合［24］，因此本次研究同其他有限元研究一樣具有：線性、均勻、同質(zhì)的材料設(shè)定以及種植體－骨界面間的剛性連接設(shè)定這些局限性。本實(shí)驗(yàn)僅對(duì)后牙區(qū)單牙種植修復(fù)系統(tǒng)進(jìn)行了初步分析，其種植體的三維位置、牙冠的開孔位點(diǎn)、負(fù)載的咬合力均處于較為理想的狀況，而對(duì)于主要承受側(cè)向力的前牙區(qū)，以及不同的種植體軸向，偏心的開孔位點(diǎn)等，可能都會(huì)對(duì)種植修復(fù)系統(tǒng)的生物力學(xué)性能產(chǎn)生影響。因此，未來仍需對(duì)這些因素展開進(jìn)一步的研究。

4 結(jié) 論

從生物力學(xué)角度來看，在垂直力較大的后牙區(qū)行單牙種植修復(fù)時(shí)，若不考慮體外粘接，建議將面開孔直徑控制在1 mm，這不僅有利于避讓咬合功能區(qū)，也可以使中央螺絲處在較低的應(yīng)力水平，同時(shí)也最大限度的保留了牙冠的完整性以及面開孔的粘接固位的主要優(yōu)勢(shì)。

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