三維有限元分析全瓷嵌體修復(fù)的研究現(xiàn)狀

于佳欣，胡偉平

(哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院口腔修復(fù)科，哈爾濱150000)

近年來，隨著人們對美觀要求的不斷提高，口腔修復(fù)材料和臨床修復(fù)技術(shù)也得到了飛速發(fā)展，秉著微創(chuàng)、循序漸進(jìn)原則，口腔修復(fù)方式已逐漸嵌體化[1-2]。在盡量保留牙體組織的情況下，減少嵌體修復(fù)后牙體及嵌體發(fā)生折斷和脫落的概率逐漸成為臨床及相關(guān)研究的探討課題[3]。有限元分析法是將物體受力情況與軟件模擬結(jié)合起來的方法，且不受所分析結(jié)構(gòu)狀態(tài)和性質(zhì)的限制，建立模擬形態(tài)后，可通過調(diào)節(jié)加載用力來模擬物體受力情況，其準(zhǔn)確性和觀測性優(yōu)于其他傳統(tǒng)應(yīng)力測量方法。現(xiàn)就嵌體材料、洞型設(shè)計(jì)、黏合劑等方面對全瓷嵌體修復(fù)三維有限元分析的研究現(xiàn)狀予以綜述，以期為臨床更恰當(dāng)?shù)乇Ａ羰Ｓ嘌荔w組織、增加患牙使用壽命提供循證醫(yī)學(xué)依據(jù)。

1 三維有限元法

三維有限元法是一種用于解決邊界值問題的數(shù)字技術(shù)，可將連續(xù)彈性體重以各部分間節(jié)點(diǎn)為界分割為多個有限部分，通過調(diào)整每部分的參數(shù)、受力和邊界條件，整合得到整體近似值，適用于對邊界、形狀不規(guī)則對象的分析，如口腔修復(fù)學(xué)的應(yīng)力分析，是一種高效的現(xiàn)代分析方法[4]。通過建立嵌體修復(fù)牙體的三維有限元模型分析其范式等效應(yīng)力(Von Mises Stress)值，模型內(nèi)部的應(yīng)力分布情況可用應(yīng)力等值線表示，等值線可準(zhǔn)確反映設(shè)定條件下整個模型的變化，從而發(fā)現(xiàn)模型中最易發(fā)生危險(xiǎn)的區(qū)域，即嵌體或牙體組織的應(yīng)力集中區(qū)，由此判斷其有無永久變形或破損。

2 全瓷嵌體應(yīng)力分布的三維有限元分析

全瓷嵌體應(yīng)力分布的三維有限元分析是將 Micro-CT 掃描的完整離體牙圖像以Dicom格式導(dǎo)出后輸入Mimics軟件中精修，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建不同尺寸的嵌體模型，隨后應(yīng)用ANSYS軟件劃分網(wǎng)格建立三維有限元模型，設(shè)置邊界條件進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，分析模型在不同角度受力時的應(yīng)力分布情況?，F(xiàn)對影響全瓷嵌體應(yīng)力分布的關(guān)鍵因素進(jìn)行分析。

2.1洞型設(shè)計(jì)對應(yīng)力分布影響的三維有限元分析 嵌體修復(fù)的成功在很大程度上取決于嵌體的洞型設(shè)計(jì)，恰當(dāng)?shù)亩葱涂梢栽诒ＷC嵌體及牙體抗折力、固位力的前提下合理利用剩余牙體組織，進(jìn)而延長患牙的使用壽命。在力作用下，嵌體產(chǎn)生其特有的楔效應(yīng)，并在嵌體試戴和黏接時達(dá)到最大，可降低35%的牙體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[3]。窩洞越深，軸壁聚合度越大，楔效應(yīng)越明顯，應(yīng)力值越高，牙體折裂的可能性越大。

在軸向受力中，壓應(yīng)力占比最大，張應(yīng)力通常出現(xiàn)在寬而深的窩洞髓壁上是全瓷嵌體修復(fù)后牙體的特有應(yīng)力分布特點(diǎn)。對于一些有少量未破壞邊緣嵴的嵌體洞型，全瓷嵌體產(chǎn)生的張應(yīng)力有所減小，但對MOD嵌體來說，其軸髓線角、鳩尾峽及牙頸部均易產(chǎn)生集中的高應(yīng)力，造成剩余牙體組織折裂的可能性較大。此外，陶瓷材料脆性較大、無屈服階段、對壓應(yīng)力的抵抗較拉應(yīng)力強(qiáng)，故承受相同力時，較樹脂材料更易產(chǎn)生應(yīng)力集中，但達(dá)到強(qiáng)度極限時便會引起牙體斷裂，因此，全瓷嵌體在承受較大咀嚼壓力時有崩裂的風(fēng)險(xiǎn)。梅蕾等[5]對比樹脂和陶瓷后牙嵌體模型的研究發(fā)現(xiàn)，對模型分別施加垂直及45°方向300 N的載荷后，嵌體修復(fù)后牙體組織的應(yīng)力主要集中在釉牙本質(zhì)界和頰、舌尖處；當(dāng)窩洞寬而淺時，使用彈性模量較高的材料(如陶瓷)對薄弱牙尖有保護(hù)作用；而窩洞深且洞底較為薄弱時，應(yīng)使用與牙體彈性模量相近的材料(如樹脂)進(jìn)行修復(fù)，可適當(dāng)改善洞底部的應(yīng)力集中。Guven等[6]對直角軸髓線角及圓鈍軸髓線角有限元模型的分析認(rèn)為，行全瓷嵌體修復(fù)時，軸髓線角圓鈍洞型的圓角可增強(qiáng)應(yīng)力分布，降低牙體的應(yīng)力值。張瓏等[7]運(yùn)用三維有限元法分析全瓷嵌體修復(fù)后的Ⅱ類洞型發(fā)現(xiàn)，嵌體與齦壁的接觸部分是嵌體應(yīng)力集中區(qū)，而髓壁是牙體的薄弱部位。胡楊等[8]建立不同深度MOD全瓷嵌體三維有限元模型的研究發(fā)現(xiàn)，嵌體與牙體交界處存在應(yīng)力集中，隨著窩洞深度的增加，應(yīng)力分布面積增大，并逐漸由髓室頂向根頸1/3處延伸，由此可見，洞型越深牙體組織折裂的風(fēng)險(xiǎn)越大。

制備全瓷嵌體洞型時，采用擴(kuò)展或保守的制備方式目前仍存在較大爭議。一般認(rèn)為，為保證牙體對嵌體的足夠剛性約束力，嵌體需有至少2 mm的厚度才能滿足其臨床要求[9]。但隨著嵌體厚度的增加，牙體組織的應(yīng)力水平也增加，牙體發(fā)生折裂的可能性也隨著升高，故應(yīng)在保證固位力以及強(qiáng)度的情況下，結(jié)合剩余牙體情況確定嵌體厚度，即采用最精練的方式行牙體預(yù)備，以增強(qiáng)牙體的抗力性。Ona等[10]運(yùn)用三維有限元法對采用不同厚度(1、2、3 mm)和寬度(1.5～5.0 mm)MOD全瓷嵌體進(jìn)行修復(fù)的上頜第一前磨牙模型進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，厚度為1 mm 嵌體的應(yīng)力值較厚度為2 mm和3 mm嵌體的應(yīng)力值大，表明適當(dāng)增加嵌體厚度可改善應(yīng)力集中；而嵌體寬度則與接觸面產(chǎn)生的拉應(yīng)力、剪切力以及嵌體折裂和脫落的概率成反比。另有研究認(rèn)為，嵌體寬度對牙本質(zhì)應(yīng)力分布的影響不大，主張因勢就形的牙體預(yù)備[11]。

在臨床實(shí)踐中，不能一味追求嵌體的厚度而忽略牙體組織的具體情況，田力麗等[12]通過三維有限元法建立下頜第一磨牙DO全瓷嵌體模型的研究發(fā)現(xiàn)，在髓室壁未破壞情況下，牙體預(yù)備應(yīng)至少保留1 mm 的頰、舌側(cè)壁。侯波[13]對其建立的下頜第一磨牙MOD全瓷嵌體模型的應(yīng)力分布的分析發(fā)現(xiàn)，力量垂直加載時，應(yīng)力主要集中在洞型底部；而力量舌向45°加載時，頰側(cè)受力變大。日常咀嚼運(yùn)動中，力并非呈持續(xù)軸向，側(cè)向力可持續(xù)影響整個牙體結(jié)構(gòu)(包括嵌體強(qiáng)度逐漸降低)，增加了發(fā)生牙體損傷和斷裂的可能。

目前，尚無無限接近牙本質(zhì)的應(yīng)力緩沖能力的材料。殘留牙本質(zhì)對牙齒壽命的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于修復(fù)體的作用，因此，在修復(fù)設(shè)計(jì)中應(yīng)盡可能保留牙體組織[14]。目前仍無明確的可兼顧固位形與抗力形的全瓷嵌體洞型預(yù)備標(biāo)準(zhǔn)，軸壁剩余牙體組織較薄高嵌體軸壁的臨界厚度以及牙體組織或嵌體折斷時嵌體高度的臨界值仍有待進(jìn)一步探索。

2.2全瓷高嵌體應(yīng)力分布的三維有限元分析 隨著嵌體材料的發(fā)展，高嵌體的種類逐漸增多，如只覆蓋面不包括軸壁的經(jīng)典onlay、包括部分軸壁的overlay 以及髓腔固位高嵌體等[15]。與普通嵌體inlay相比，onlay可將整個面包含在內(nèi)，故可修復(fù)需要恢復(fù)咬合關(guān)系或者面缺損較大的患牙。如余留牙體組織較少的MOD洞型，采用inlay修復(fù)后承受咬合力時易對牙體產(chǎn)生較大應(yīng)力導(dǎo)致折裂，而高嵌體可較好地分解垂直力，削弱楔效應(yīng)。魏寧等[16]對不同厚度全瓷高嵌體修復(fù)的有限元模型施加載荷后發(fā)現(xiàn)，高嵌體可顯著減少余留牙壁的應(yīng)力集中，甚至對缺損范圍較大(軸壁厚2.5 mm)的模型的Von-Mises應(yīng)力峰值、最大主應(yīng)力峰值均呈相對較小的狀態(tài)。因此，當(dāng)牙體剩余軸壁厚度較薄時，可適當(dāng)降低軸壁高度，利用高嵌體修復(fù)的方法使其獲得更好的抗力；當(dāng)牙冠缺損面積較大時，可考慮利用髓腔深度增強(qiáng)其固位。

2.3髓腔固位對全瓷嵌體抗力影響的三維有限元分析 在制備嵌體洞型時，當(dāng)軸壁厚度不足時，常利用髓腔深度增強(qiáng)牙體抗折力，以增強(qiáng)嵌體固位力，但增加髓腔固位需要進(jìn)一步去除少量牙體組織，以修正倒凹及保持穩(wěn)定，同時也削弱了部分牙體組織的抗折性，若未精確掌握牙體組織的去除量，則難以兼顧嵌體的固位形與抗力形。Hayes等[17]對髓腔深度分別為2 mm、3 mm和4 mm的全瓷嵌體進(jìn)行應(yīng)力分析發(fā)現(xiàn)，2 mm組和4 mm組的抗斷裂應(yīng)力最高，其中3 mm組與2 mm組的抗斷裂應(yīng)力相似，2 mm組50%的嵌體發(fā)生不可恢復(fù)的根折，而4 mm組幾乎為冠折。郭靖[18]對不同厚度髓室壁、髓室底全瓷髓腔固位冠的有限元模型施加垂直及斜向載荷的研究發(fā)現(xiàn)，隨著髓室壁厚度的增加，剩余牙體的軸向及斜向最大應(yīng)力值均呈減小趨勢，而髓室底厚度的變化對牙體抗力的影響不大，因此，適當(dāng)保留髓室壁牙體組織不僅可以增加修復(fù)后牙體的抗力，還可增加全瓷嵌體的黏接面積，有利于修復(fù)體的固位及抗力。

2.4墊底材料對全瓷嵌體應(yīng)力分布影響的三維有限元分析 一定厚度的墊底材料對全瓷嵌體具有應(yīng)力緩沖作用。馮娟等[19]對不同墊底厚度的全瓷嵌體修復(fù)的有限元模型分別采用軸向和斜向45°加載的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)無墊底材料時，從瓷嵌體直接傳遞到髓室底邊緣的應(yīng)力值為最大；隨著墊底厚度的增加，最大應(yīng)力區(qū)會逐漸向墊底材料與嵌體的臨界區(qū)靠近，力的傳導(dǎo)也隨之終止，髓室底的軸向、斜向應(yīng)力均逐漸減小，黏接層的剪切應(yīng)力逐漸增加。因此，應(yīng)用全瓷嵌體修復(fù)經(jīng)根管治療的后牙時，較薄的墊底厚度有利于提高嵌體及余留牙體組織的抗力。

對于不同種類的墊底材料，張丹等[20]對不同厚度玻璃離子、復(fù)合體、樹脂墊底的全瓷嵌體修復(fù)模型進(jìn)行三維有限元分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)墊底材料彈性模量較低時，其厚度變化對嵌體應(yīng)力的影響較大；反之，若墊底材料彈性模量高，則其厚度變化對嵌體應(yīng)力的影響較小。臨床應(yīng)用全瓷嵌體修復(fù)洞底余留牙本質(zhì)較少的大窩洞時，建議采用彈性模量盡可能低的墊底材料；而對于窩洞較淺的小缺損，與牙本質(zhì)彈性模量接近的墊底材料更有優(yōu)勢[21]。

2.5黏接層應(yīng)力分布的三維有限元分析 現(xiàn)代黏接技術(shù)的發(fā)展被認(rèn)為是“沉默的革命”[22]。黏接材料黏接力對嵌體機(jī)械固位起重要作用，嵌體與牙體組織間黏接層的固位力是修復(fù)成功與否的重要原因之一[23]。全瓷嵌體黏接層的作用不可忽視，良好的黏合劑不僅能增強(qiáng)嵌體的固位力，緊密連接嵌體和基牙(牙本質(zhì)黏接強(qiáng)度為15 000～20 000 kPa，牙釉質(zhì)黏接強(qiáng)度為20 000～30 000 kPa[24])，還可有效緩沖力，提高修復(fù)后牙體、嵌體的承受能力，減小牙尖的撓曲效應(yīng)，達(dá)到改變應(yīng)力分布、提高修復(fù)剛性的目的[25-26]。

樹脂黏合劑具有黏接性能和邊緣封閉性佳、顏色及透明度的選擇范圍廣、與牙本質(zhì)匹配性較高、且特有的雙固化模式可使醫(yī)生的操作時間有所延長等優(yōu)點(diǎn)，已成為黏接透明性較佳的全瓷嵌體的首選[27-28]。程輝等[29]對比10例應(yīng)用variolinkⅡ黏接的Ⅱ類洞型超瓷嵌體樣本的研究發(fā)現(xiàn)，超瓷嵌體的收縮量較小，其樹脂黏合劑厚度較薄，故光照聚合收縮度也相應(yīng)減小，因此，超瓷嵌體發(fā)生微滲漏的概率和程度較復(fù)合樹脂嵌體小。

除材料種類外，嵌體的微滲漏還與材料密合度、表面粗糙度、預(yù)處理、黏結(jié)方法和黏合劑種類等有關(guān)。李冰等[30]認(rèn)為，彈性模量較低的樹脂黏合劑具有應(yīng)力緩沖作用，可對黏接層起到保護(hù)作用。胡楊等[8]比較vario-link和3M RelyX Unicem樹脂黏合劑的三維有限元模型的研究認(rèn)為，vario-link和3M RelyX Unicem樹脂黏合劑均適用于全瓷嵌體的黏接，其中，vario-link黏合劑的黏接強(qiáng)度更有優(yōu)勢，在黏接界面和牙根處應(yīng)力分布較大。樹脂黏合劑的黏接性能很強(qiáng)，但其彈性模量通常較小，影響應(yīng)力的傳遞，其抗破壞強(qiáng)度也低于其他材料，樹脂黏合劑的聚合情況可能導(dǎo)致黏接界面應(yīng)力分布不均，故易在循環(huán)咀嚼應(yīng)力條件下破壞[31-32]。黏合劑的成分、修復(fù)體材料和牙體黏接面的情況以及黏接技術(shù)均可對黏接強(qiáng)度產(chǎn)生影響，因此，臨床黏合劑的選擇需結(jié)合洞型以及剩余牙體組織條件(如冠根比、牙周狀況等)多種條件綜合考慮。

目前對全瓷嵌體的應(yīng)力分析大多忽略了黏接層。王疆[33]應(yīng)用Micro-CT掃描全瓷嵌體黏接修復(fù)的牙體影像發(fā)現(xiàn)，黏接層的厚度和密度不均，圖像灰度值接近釉質(zhì)，不易區(qū)別，因此認(rèn)為建立黏接層整體的三維模型尚有難度，對于樹脂黏合劑對全瓷嵌體應(yīng)力分布的影響還有待進(jìn)一步研究。鄭心怡等[34]突破傳統(tǒng)建模方式，對包括0.1 mm厚度黏接層在內(nèi)的MOD全瓷嵌體三維有限元模型進(jìn)行應(yīng)力分析發(fā)現(xiàn)，拉應(yīng)力、壓應(yīng)力的峰值為27 730～13 130 kPa，且均位于遠(yuǎn)中邊緣嵴處的黏合劑層。目前，關(guān)于黏接層的建模尚有一定難度，但黏合劑及黏接面的研究對全瓷嵌體修復(fù)牙體后應(yīng)力分布的影響不可忽略，若建立包含黏接層在內(nèi)的精準(zhǔn)細(xì)致的模型，將為應(yīng)力分析提供較為滿意的研究模型。

3 小 結(jié)

目前，三維有限元分析已廣泛應(yīng)用于口腔醫(yī)學(xué)的臨床和基礎(chǔ)研究，可在很大程度上優(yōu)化牙體組織應(yīng)力分析，由于不同個體牙頜組織的生物力學(xué)性能存在差異，故其建模呈現(xiàn)多樣性。三維有限元分析方法需要建立在理論數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，由于模擬過程中設(shè)定的參數(shù)與實(shí)際情況存在誤差，且牙體并非是各向同性的均質(zhì)性力學(xué)體，故不能根據(jù)模型完全分析牙體的各部分，若忽略此個體差異將影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的客觀性。為了提高三維有限元分析所得數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，除細(xì)化建模過程外，還應(yīng)盡量擬合各種材料特性，以保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)性和準(zhǔn)確性。