不同材料嵌體修復(fù)對楔狀缺損患牙應(yīng)力分布影響的三維有限元分析

于敬偉，謝偉麗，施夢汝，陳 錢,王 玥，焦海斌，徐 琳

楔狀缺損是牙齒唇、頰側(cè)頸部硬組織發(fā)生緩慢消耗所致的缺損，導(dǎo)致楔狀缺損的病因主要有應(yīng)力集中、橫刷牙、酸蝕等[1]。近年來臨床上應(yīng)用嵌體修復(fù)牙體缺損的病例逐漸增多，但用嵌體修復(fù)楔狀缺損的狀況較少。臨床上常用的嵌體有樹脂嵌體、瓷嵌體、金合金嵌體等，其中瓷嵌體具有較好的生物相容性和美觀性、耐腐蝕性和耐磨損性[2]，嵌體整個制作過程是在口外完成，較傳統(tǒng)的充填方法能更好地恢復(fù)牙齒原來的解剖外形，密合程度也會更好，咀嚼效率自然會有所提高[3]，但對于楔狀缺損的病例臨床通常采用樹脂或玻璃離子進行充填，臨床效果往往不是很理想，經(jīng)常有微滲漏、繼發(fā)齲、充填物脫落等。從生物力學(xué)角度分析充填修復(fù)楔狀缺損的文章也有許多，但嵌體修復(fù)后的應(yīng)力情況尚未見報道。因此有必要研究不同材料嵌體修復(fù)楔狀缺損前后應(yīng)力分布情況，為臨床嵌體修復(fù)楔狀缺損提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 實驗設(shè)備和軟件

電子計算機(聯(lián)想酷睿i5，2.8 G CPU，8 G內(nèi)存，Windows 7操作系統(tǒng))；CBCT機(德國卡瓦Kavo 3D Exam錐形束CT機)。

Mimics 17.0(Materialise公司，比利時)醫(yī)學(xué)三維重建軟件、Geomagic Studio 13.0(Geomagic公司，美國)逆向工程軟件、SolidWorks 2016三維機械制圖專用軟件(SolidWorks公司，美國)、Abaqus 6.14有限元分析軟件(達索Simulia公司，法國)。

1.2 樣本的選擇

本實驗選擇牙列完整、咬合關(guān)系正常、牙周狀況良好以及無牙槽骨吸收、牙齒無明顯磨耗成年志愿者，進行CBCT掃描，建立下頜第一前磨牙的三維形態(tài)數(shù)據(jù)。

1.3 牙齒模型的建立

1.3.1 計算機三維實體模型的建立 采用Kavo 3D Exam 錐形束CT機對受試者進行掃描，掃描層厚0.25 mm，以標準DICOM 3.0格式存儲，然后將文件導(dǎo)入Mimics 17.0 軟件中，根據(jù)不同的灰度值區(qū)分牙釉質(zhì)、牙本質(zhì)、牙髓腔等不同組織[4]。再對蒙罩進行處理計算形成初步的三維實體模型。如圖1所示。

圖1 下頜第一前磨牙的三維實體模型

然后以.stl格式輸出，由于Mimics軟件輸出的三維模型有許多不足，因此導(dǎo)入到Geomagic中，進行模型的細化和精修，最終以SolidWorks軟件能識別的IGES(The Initial Graphics Exchange Specification)格式輸出，形成更光滑的三維實體模型。如圖2所示。

1.3.2 三維有限元模型生成 臨床上根據(jù)楔狀缺損破壞形式,可將楔狀缺損的損害形態(tài)分為С型、)型、>型和不規(guī)則型。依據(jù)缺損深度可分為淺、中、深型[5]。計算機中我們可以模擬>型楔狀缺損，但在實際臨床操作中我們需要預(yù)備出瓷嵌體修復(fù)的空間，可以預(yù)備瓷嵌體的最小厚度為0.3 mm[6-7]，但為了得到的應(yīng)力值數(shù)據(jù)更加典型和準確，計算機上運用SolidWorks軟件生成的三維有限元模型及楔狀缺損模型仍為>型，因采用瓷嵌體進行修復(fù)，為了避免其他材料的蓋髓和根充，因此將深度設(shè)為1 mm[8]，夾角30°的下頜第一前磨牙的楔狀缺損三維模型，并在模型中建立出80 μm厚的粘結(jié)層[9]。如圖3所示。

圖2 光滑處理的下頜第一前磨牙的三維實體模型

圖3 下頜第一前磨牙的楔狀缺損模型

1.4 邊界加載和載荷方式

保證牙槽骨無水平以及垂直方向的位移。模擬臨床正常咬合情況，模型加載部位在牙齒的頰尖頂偏頰面，載荷方向為與牙長軸成30°角，加載方式為靜態(tài)加載，載荷的大小為100 N[10-11],載荷部位的面積為0.8 mm2[12]。正常第一前磨牙咬合壓強為32.6 MPa[13]，材料力學(xué)參數(shù)見表1[14]。

1.5 應(yīng)力分析及結(jié)果輸出

將牙齒三維實體模型以IGES格式導(dǎo)入Abaqus有限元分析軟件，對剩余牙體組織、嵌體等模型進行自動網(wǎng)格劃分，并完成剩余牙體組織和嵌體修復(fù)的最大主應(yīng)力的計算。

表1 牙體組織和修復(fù)材料的彈性模量和泊松比

陶瓷:VitaCerecMKⅡ；粘結(jié)劑樹脂:Vivadent VariolinkⅡ

2 結(jié) 果

2.1 節(jié)點劃分

楔狀缺損部分及嵌體劃分得到4 553個節(jié)點，12 520個單元,對照組劃分得到30 998個節(jié)點，19 927個單元，再重新進行嵌體修復(fù)后的楔狀缺損模型的網(wǎng)格劃分，其中模型A得到30 998個節(jié)點，19 927個單元，模型B得到37 058個節(jié)點，112 692個單元，模型C得到30 997個節(jié)點，19 923個單元。

2.2 最大主應(yīng)力值的計算

對照組模型最大主應(yīng)力值為88.90 MPa,修復(fù)后模型A最大主應(yīng)力值為59.27 MPa，模型B最大主應(yīng)力值為48.95 MPa，模型C最大主應(yīng)力值為19.34 MPa，發(fā)現(xiàn)嵌體修復(fù)后最大主應(yīng)力值均明顯降低，其中模型B和模型C相對理想,但B美觀性優(yōu)于C，所以瓷嵌體(模型B)的修復(fù)效果更加理想。如圖4所示。

A：對照組；B：模型A；C：模型B；D：模型C；E：楔狀缺損充填體模型

圖430°楔狀缺損時缺損模型、不同材料嵌體充填后應(yīng)力分布圖

Fig.4Defect model at30° wedge deficiency, stress distribution after filling of different materials

3 討 論

本實驗分別采用樹脂、金合金、陶瓷三種材料對楔狀缺損洞型進行嵌體修復(fù)，結(jié)合應(yīng)力云圖可以看出，三組材料嵌體修復(fù)后應(yīng)力分布趨勢相似，應(yīng)力主要集中在楔狀缺損牙頸部。三組材料中復(fù)合樹脂嵌體修復(fù)的應(yīng)力水平低于陶瓷和金合金嵌體修復(fù)的應(yīng)力水平，主要是復(fù)合樹脂的彈性模量與牙本質(zhì)最接近，加載時二者變形程度相近，不會產(chǎn)生較大的變形差異。故復(fù)合樹脂嵌體修復(fù)后的應(yīng)力水平低于陶瓷和金合金嵌體修復(fù)[15]。曾有學(xué)者在臨床中將樹脂嵌體與樹脂充填進行對比，利用統(tǒng)計學(xué)分析得出結(jié)論嵌體修復(fù)楔狀缺損較充填法效果更好，成功率高[16]。也有學(xué)者統(tǒng)計2005—2008年全瓷嵌體修復(fù)牙體缺損的保存率為92%～97%，證明用嵌體修復(fù)牙體缺損的效果比較理想[17]。還有學(xué)者通過近3年的實驗，對59例后牙牙體缺損的患者應(yīng)用全瓷嵌體進行修復(fù)的臨床結(jié)果表明：修復(fù)體形態(tài)合格率均為100%；修復(fù)體顏色的合格率均為98.3%，修復(fù)體邊緣適合性合格率即刻、半年、一年、兩年分別為100%、98.3%、96.6%、96.6%；修復(fù)體周圍齲合格率均為100%；修復(fù)體磨損折裂的合格率即刻、半年、一年、兩年分別為100%、98.3%、94.9%、91.5%。經(jīng)卡方檢驗P>0.05，說明全瓷嵌體的邊緣適合性、形態(tài)、顏色、周圍齲和磨損與折裂等性能方面，在戴用半年、1年和2年后與戴后即刻比較均無顯著性改變。僅有5例嵌體發(fā)生折裂及2例修復(fù)體與基牙出現(xiàn)間隙[18]。從以上結(jié)論可以得出瓷嵌體修復(fù)的成功率較高。

通過計算機技術(shù)建立有限元模型，運用有限元方法研究應(yīng)力分布，可以在同一模型上任意更換不同材料的修復(fù)體，具有無創(chuàng)傷、可重復(fù)、觀察指標明確等優(yōu)勢。導(dǎo)致楔狀缺損的原因主要是應(yīng)力[19]，而分析應(yīng)力的最好方法就是通過有限元。比如Holberg等[20]通過有限元法研究了嵌體的不同厚度對其應(yīng)力分布影響。Senqul等[21]研究了不同材料修復(fù)的經(jīng)典Ⅱ類洞型修復(fù)牙應(yīng)力分布的差異。有限元分析是應(yīng)力分析的重要手段，在口腔以及其他醫(yī)學(xué)方面都有著廣泛的應(yīng)用[22]。

總之，三維有限元分析結(jié)果顯示，楔狀缺損牙經(jīng)嵌體修復(fù)后可顯著緩解缺損處牙體組織所承受的應(yīng)力，有助于降低患牙頸部折裂的風(fēng)險，對患牙的保存具有積極意義。但該實驗為簡化的模擬研究，其目的是為臨床提供生物學(xué)基礎(chǔ)和參考數(shù)據(jù)，實驗中采用靜力加載，只是在體外一定程度上模擬牙的受力情況，難以模擬口腔中存在的復(fù)雜運動過程[23]，而且材料的疲勞問題以及口腔內(nèi)的溫度環(huán)境變化也會對實驗產(chǎn)生一定影響,嵌體對楔狀缺損前磨牙保存治療的實際效果還需與體內(nèi)外實驗進行比較，必要時結(jié)合臨床觀察綜合考慮。