髓腔固位型高嵌體修復大面積牙體缺損的生物陶瓷及粘接劑適應性研究

魏子清，唐林俊，沈 杰，劉宇昆，趙楚翹，劉志輝

(吉林大學口腔醫(yī)院，吉林 長春130021)

高嵌體過去一直被應用于活髓牙，但近年來大量臨床實踐證明利用髓腔固位的高嵌體修復根管治療后大面積牙體缺損的死髓牙也能夠取得較為理想的修復效果。而且相對于常用于修復大面積牙體缺損死髓牙的樁核冠，髓腔固位高嵌體的預備量明顯減低，從而保留更多的根部健康牙體組織，進而改善剩余牙體組織的抗力；另一方面，髓腔固位高嵌體不需要樁道預備，避免了可能出現(xiàn)的樁斷裂以及根折裂的風險。并且髓腔固位高嵌體設計為牙尖覆蓋式，這種預備方式能夠保護薄弱牙尖，使牙體的應力分布更為合理，能更有效地避免牙體剩余組織折裂。但是，對于依靠粘接固位的陶瓷髓腔固位高嵌體來說，粘接劑以及陶瓷材料的選用不當都可能增加牙體折裂的風險。因此，本研究通過有限元法分析髓腔固位高嵌體修復下頜第一磨牙大面積牙體缺損時，不同陶瓷材料及粘接劑對剩余牙本質(zhì)應力大小及分布的影響。

1 材料與方法

1.1 材料和設備

實驗對象為1例具備完整下頜第一磨牙形態(tài)、對本次實驗知情且同意參與的健康成人，來自吉林大學口腔醫(yī)院；錐形束CT(Carestream，USA),醫(yī)學影像控制軟件Mimics 10.01 (Materialise，Belgium)，圖像處理軟件Geomagic studio 12.0(Raindrop Geomagic，USA)，三維建模軟件 CATIA V5R21 (Dassault，F(xiàn)RA)，有限元計算軟件Abaqus 6.14(Dassault，F(xiàn)RA)，有限元網(wǎng)格劃分軟件HyperMesh 13.0(Altair，USA)。

1.2 髓腔固位高嵌體模型設計

首先設計包含牙釉質(zhì)、厚度達0.2 mm的牙周膜、牙髓與牙本質(zhì)在內(nèi)的完整牙與牙周組織,以及分布于釉牙骨質(zhì)界下方1.5 mm處牙槽骨簡化模型(包裹著牙根)。再參照臨床主要缺損形式，完成根管治療后近中和遠中二壁缺損模型的構(gòu)建。因預針對大面積缺損，故而設計為極限性缺損，即缺損壁皆缺損至釉牙骨質(zhì)界以上2.0 mm處，基本抵齦緣部位。在設計修復體時，需滿足以下要求：髓腔固位冠厚度應在1.5 mm(含)以上,覆蓋住牙尖，預備體軸壁打開角度為5°，余留壁都應具備1.0 mm(含)以上的厚度，墊底材料應具備0.5 mm左右的厚度。上述模型應點線角圓鈍，粘接劑需達到0.1 mm的層厚要求。

1.3 構(gòu)建三維有限元模型

由CBCT對實驗對象牙列實施掃描，設定180 μm掃描層厚，得到CT影像共計553張。通過計算機檢測此實驗對象左下頜第一磨牙，可見根長、冠長分別為12.4 mm、6.9 mm,此結(jié)果與王惠蕓[1]的統(tǒng)計數(shù)據(jù)相符。把計算機檢測結(jié)果定義為.DICOM后綴的掃描文件，得到實驗牙的三維圖像。運用Mimics的閾值化處理功能提取出完整牙體、牙本質(zhì)與牙髓、牙髓這三個單元，并進行光滑、修整處理，得到STL格式的表面網(wǎng)格數(shù)據(jù)。將STL格式文件導入Geomagic 中，對所獲得的點云數(shù)據(jù)細化精修，進行曲面分析，完成NURBS曲面的制作，由此可得到以上所打造的三個單元的表面特征，定義為.IGES文件，并利用CATIA的偏移曲面以及布爾運算等功能，形成牙與牙周組織模型，并基于研究所需完成相應修復模型的構(gòu)建。把上述模型均導至有限元網(wǎng)格劃分專屬軟件Hyper Mesh內(nèi)，由于牙齒具備復雜的解剖形態(tài)，選擇4節(jié)點4面體單元組建自由網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分后模型的結(jié)點數(shù)為141568，單元數(shù)為 561570。

1.4 實驗假設、參數(shù)設定以及邊界條件

將模型所涉及材料以及組織假設為線性彈性物質(zhì)，且這些物件具備各向同性、均質(zhì)性以及連續(xù)性，在受力狀態(tài)時變形不明顯；針對各模型間的接觸關(guān)系，均定義為“綁定”，若對其施加作用力，模型各截面間無相對滑動現(xiàn)象，各單元間穩(wěn)定性充分；將牙槽骨底面設定為“完全約束”。對于建立的髓腔固位高嵌體模型，通過改變模型的生物力學參數(shù)(彈性模量和泊松比)，得到髓腔固位高嵌體搭配6種不同的陶瓷材料的模型，通過同樣的方式使6種模型與3種不同粘接劑材料配合粘接，從而形成18種不同的搭配。6種陶瓷材料分別為：Lava Ultimate，IPS e.max CAD，Empress II，Vita blosa Mark II，Cercon base Zirconia，In-Ceram Alumina。三種粘接劑分別為：Relyx Unicem，Panavia F，Relyx luting cement。表1[2-12]所示為所涉及實驗材料的力學參數(shù)。

表1 材料力學參數(shù)

1.5 載荷條件

借鑒Dejak[2]等研究者所應用的加載手段，對臨床常規(guī)咬合狀況加以模擬，將靜態(tài)荷載作用于下頜第一磨牙。載荷1對正中咬合加以模擬，選擇均布載荷，設定200N總載荷值，對中央窩、近遠中頰尖頂和近遠中邊緣嵴施以加載,設定為垂直加載。載荷2對側(cè)方運動加以模擬，總載荷同載荷1，對近遠中頰尖的頰斜面施以加載，設定為斜向加載，與牙體長軸間夾角呈45°。

1.6 應力分析與結(jié)果輸出

通過軟件Abaqus對牙本質(zhì)von Mises應力峰值進行求解，同時對應力分布狀況展開探究。

2 結(jié)果

2.1 不同材料髓腔固位高嵌體修復下頜第一磨牙后牙本質(zhì)應力峰值比較

本實驗選取的觀察指標為von Mises 應力，此應力反映材料內(nèi)部一點不同方向的綜合受力情況。不同加載條件下，不同材料髓腔固位高嵌體修復下頜第一磨牙大面積牙體缺損后剩余牙本質(zhì)von Mises應力峰值見表2。垂直載荷下，隨著陶瓷材料及粘接劑彈性模量遞增，牙本質(zhì)von Mises應力峰值變化見圖1。斜向載荷下，隨著陶瓷材料及粘接劑彈性模量遞增，牙本質(zhì)von Mises應力峰值變化見圖2。

2.2 不同材料髓腔固位高嵌體修復下頜第一磨牙后牙本質(zhì)應力分布趨勢

本實驗的18種搭配模型皆符合垂直載荷下，牙本質(zhì)von Mises應力峰值均位于髓室底頰側(cè)。斜向載荷下，牙本質(zhì)von Mises應力峰值均位于髓室底舌側(cè)。且應用不同的陶瓷材料和粘接劑，在相同載荷下牙本質(zhì)的應力分布趨勢近似。當粘接劑相同時，換用六種不同陶瓷材料剩余牙本質(zhì)von Mises應力分布的情況見圖3(圖3中A,B,C,D,E,F分別指Relyx Unicem搭配Lava Ultimate，IPS e.max CAD，Empress II，Vita blosa Mark II，Cercon base Zirconia，In-Ceram Alumina的模型。1代表垂直載荷，2代表斜向載荷)。當陶瓷材料相同時，換用三種不同粘接劑剩余牙本質(zhì)von Mises應力分布的情況見圖4(圖4中a,b,c分別為Lava Ultimate搭配Relyx Unicem，Panavia F，Relyx luting cement的模型。1代表垂直載荷，2代表斜向載荷)。

表2 下頜第一磨牙不同材料髓腔固位冠修復后von Mises 應力峰值(MPa)

圖1 垂直載荷下，下頜第一磨牙不同材料髓腔固位高嵌體修復后牙本質(zhì)von Mises 應力峰值(MPa)

圖2 斜向載荷下，下頜第一磨牙不同材料髓腔固位高嵌體修復后牙本質(zhì)von Mises 應力峰值(MPa)

A1&A2：Restored with Relyx Unicem and Relyx Unicem with load1 and load2 B1&B2：Restored with IPS e.max CAD and Relyx Unicem with load1 and load2 C1&C2：Restored with Empress II and Relyx Unicem with load1 and load2 D1&D2：Restored with Vita blosa Mark II and Relyx Unicem with load1 and load2 E1&E2：Restored with Cercon base Zirconia and Relyx Unicem with load1 and load2 F1&F2：Restored with In-Ceram Alumina and Relyx Unicem with load1 and load2

a1&a2：Restored with Relyx Unicem and Relyx Unicem with load1 and load2 b1&b2：Restored with Relyx Unicem and Panavia F with load1 and load2 c1&c2：Restored with Relyx Unicem and Relyx luting cement with load1 and load2

圖4 垂直和斜向載荷下，下頜第一磨牙應用不同粘接劑的髓腔固位高嵌體修復后牙本質(zhì)von Mises應力分布

3 討論

本實驗選取的六種陶瓷材料的材質(zhì)各不相同，性質(zhì)差異較大，并且所選的代表產(chǎn)品也是國內(nèi)外在臨床及科研上被廣泛關(guān)注以及認可的材料。而其中更是包括像Lava Ultimate這種在科研研究領(lǐng)域有較大實驗空缺的前沿材料。并且粘接劑的選擇也同樣保證了材質(zhì)上的不同以及產(chǎn)品的常用性和新穎性。產(chǎn)品名稱及對應的材料種類信息如下：Lava Ultimate(納米樹脂陶瓷)，IPS e.max CAD(二硅酸鋰玻璃陶瓷)，Empress II(白榴石陶瓷)，Vita blosa Mark II(單層色長石類陶瓷塊陶瓷)，Cercon base Zirconia(氧化鋯陶瓷)，In-Ceram Alumina(氧化鋁陶瓷)。 Relyx Unicem(通用自粘接樹脂粘接劑)，Panavia F (含氟復合樹脂粘接劑)，Relyx luting cement(玻璃離子水門汀)。

本實驗中，18組不同材料修復模型中von Mises應力峰值的最大值為29.07 MPa，而正常載荷條件下，牙本質(zhì)的抗拉強度為 33-40 MPa，抗壓強度250-480 MPa[13,14]。故對于下頜第一磨牙大面積缺損，本實驗所選用的6種陶瓷材料及3種粘接劑皆可作為髓腔固位冠修復的修復材料。并且垂直載荷產(chǎn)生的牙本質(zhì)應力小于斜向載荷的牙本質(zhì)應力，這與臨床經(jīng)驗以及其他研究結(jié)果相符。

目前一部分有限元研究認為修復材料的彈性模量影響剩余牙體組織折裂風險，并有如下兩個主要觀點：①修復材料彈性模量越接近牙本質(zhì)，牙本質(zhì)所受應力越小，牙體組織折裂風險越低[15]。②修復材料彈性模量越大，牙本質(zhì)所受應力越小，牙體組織折裂風險越低[16]。但Habekost[17]和Shor[18]等的實驗顯示高彈性模量的陶瓷嵌體和低彈性模量的樹脂嵌體在抵抗折裂的性能上兩者并無差異。由此可見，材料的彈性模量與牙本質(zhì)彈性模量在何種關(guān)系時最有利于剩余牙體組織的保護是尚有爭議的，這也是本實驗期望解決的問題。而本實驗研究結(jié)果表明，在不同加載條件下，陶瓷材料彈性模量的高低雖然對牙體組織所受應力大小有影響，但彈性模量和牙體的應力值并不呈線性關(guān)聯(lián)。并且結(jié)果提示，當應用彈性模量接近牙本質(zhì)的Lava Ultimate時，牙本質(zhì)所受應力最小。其原因可能為Lava Ultimate具有類似于天然牙本質(zhì)的彈性模量，產(chǎn)生的變形差異較小，應力分布更為合理，利于應力緩解，大大減少了牙齒折裂的可能。

粘接劑雖然厚度較小，約20-200 μm，卻是傳導與分散殆力的重要媒介，其彈性模量對于全瓷冠的應力分布有著極為重要的影響[19]。而本實驗研究結(jié)果表明，搭配六種不同陶瓷時，粘接劑皆符合彈性模量越小，牙本質(zhì)所受應力越小。并且應用彈性模量最小的Relyx Unicem粘接劑時牙本質(zhì)所受的力明顯小于應用另外兩組粘接劑的情況。

綜上所述，本實驗所選用的六種陶瓷材料及3種粘接劑皆可作為下頜第一磨牙大面積缺損髓腔固位冠修復的修復材料，并且建議臨床醫(yī)生應用Lava Ultimate和Relyx Unicem這一組陶瓷材料和粘接劑搭配，使得理論上牙本質(zhì)所受應力最小，牙體組織折裂風險最低。