平臺轉換種植體肩臺成骨對牙槽骨邊緣應力的影響

楊凱文，劉艾芃，王曉華，趙婭琴，胡曉光，鄧文正

(1. 右江民族醫(yī)學院研究生學院，廣西 百色 533000；2. 廣西梧州市紅十字會醫(yī)院口腔科，廣西 梧州 543002)

目前使用種植牙修復缺失牙已經(jīng)發(fā)展為成熟、可預期的治療方案[1]。種植牙的早期成功主要依賴于種植體與牙槽骨的骨結合，而骨結合成功后種植體周圍軟硬組織的長期穩(wěn)定是種植牙長期成功的重要因素之一[2]。當種植體植入頜骨內并完成骨結合行使負荷后，種植體邊緣牙槽骨將發(fā)生改建，導致種植體邊緣骨吸收(MBL)，在植入后1年期間吸收可以達到1.5 mm。已有研究表明[3]平臺轉換的種植體能夠降低種植體周圍牙槽骨的應力，減少種植體邊緣骨吸收。目前對于平臺轉移種植體的肩臺處成骨對種植體邊緣骨應力影響的研究較少。本實驗通過三維建模軟件及有限元分析軟件，對平臺轉移種植體肩臺成骨寬度不同時種植體-牙槽骨邊緣Von-Mises力進行統(tǒng)計分析。

1 資料與方法

1.1 模型的建立 使用SolidWorks(Dassault Systemes公司，美國)軟件參照ankylos(Dentsply Sirona公司，美國)種植體數(shù)據(jù)建立種植體及基臺模型，種植體直徑4.5 mm，長度11 mm，基臺種植體平面處直徑2 mm，穿齦高度3 mm。全瓷牙冠及上下頜骨使用簡化模型，牙冠為長寬高皆5 mm的正方體，牙槽骨為長寬皆10 mm、高15 mm的長方體，上頜骨為松質骨的長方體，下頜骨為厚度2 mm皮質骨包繞松質骨。將種植體、基臺、頜骨和牙冠模型進行裝配(見圖1)。模型分為上下頜骨兩大組(見圖2)，每大組頜骨模型根據(jù)植入深度(D)分為0 mm、0.4 mm、0.8 mm、1.2 mm共4組。植入深度0.4 mm、0.8 mm、1.2 mm的模型根據(jù)肩臺處成骨寬度(W)分為0 mm、0.4 mm、0.8 mm、1.2 mm共4組(見圖3)，共建立模型26組。

圖1 修復基臺、種植體以及裝配體渲染圖

圖2 上頜骨、下頜骨建模示意圖

1.2 有限元模型建立和網(wǎng)格劃分 將種植牙及頜骨模塊導入ANSYS15.0(ANSYS公司，美國)軟件進行網(wǎng)格劃分，通過預實驗得出應力集中區(qū)域，對應力集中處進行局部加密處理(見圖4)，以獲得更精準的結果。各模型節(jié)點及網(wǎng)格數(shù)量參照見表1。

圖3 不同種植深度及肩臺成骨寬度建模示意圖

圖4 有限元模型網(wǎng)格劃分示意圖

表1 各模型單元數(shù)及節(jié)點數(shù)

1.3 實驗條件假設 本研究擬采用的各種材料的力學參數(shù)見表2。假設各材料為連續(xù)均值各向同性的線彈性材料[4]，種植體與松質骨、皮質骨形成完全骨結合，各材料間定義綁定，在頜骨的頰舌面及底面行剛性約束。中國人平均咀嚼力大小為30～300 N[5]，為模擬日常咀嚼食物時牙齒最常受到的軸向力與側向力，本次實驗采用兩種方式進行加載：①垂直加載:牙冠頜面予以垂直向下的 200 N力；②斜向加載：與種植體軸線成45°角，由頰側指向舌側加載100 N的力，見圖5。

表2 各種材料力學參數(shù)

1.4 有限元計算 使用ANSYS 15.0軟件對以上26組模型進行兩種加載后不同部位Von-Mises力的運算，記錄并統(tǒng)計種植體肩臺成骨寬度不同時的種植體-牙槽骨邊緣Von-Mises力。

2 結果

各組Von-Mises力詳細數(shù)據(jù)見表3。傾斜加載時種植體、牙槽骨、基臺最大應力值均大于垂直加載，下頜骨模型的牙槽骨最大應力值大于上頜骨模型，這是由于皮質骨彈性模量大于松質骨，產生應力遮擋所引起。傾斜加載時，骨平面種植體牙槽骨邊緣應力小于骨下種植體。骨下種植體牙槽骨邊緣應力值大都隨成骨寬度的增加而降低，在成骨寬度為0.8 mm時發(fā)現(xiàn)最小值，但成骨寬度>0.8 mm時出現(xiàn)應力升高。通過觀察下頜骨D0.8W0.8和D0.8W1.2的應力云圖，見圖6，推測應力數(shù)值加大是由于種植體基臺交接處為應力集中區(qū)域，當肩臺處皮質骨寬度達到1.2 mm時，種植體-牙槽骨邊緣過于靠近種植體基臺交界應力集中區(qū)所引起。

圖5 兩種加載方式示意圖

表3 各組Von-Mises力數(shù)據(jù) 單位：Mpa

組別上頜骨垂直加載200 N松質骨種植體-牙槽骨交界上頜骨45°加載100 N松質骨種植體-牙槽骨交界下頜骨垂直加載200 N松質骨皮質骨種植體-牙槽骨交界下頜骨45°加載100 N松質骨皮質骨種植體-牙槽骨交界D0W07.0176.60321.61319.9752.54117.62616.6733.18632.99232.992D0.4W09.0338.84434.02434.0242.50323.13923.1393.48258.86758.867D0.8W08.6246.14333.04531.6102.66622.23613.0063.70259.20054.609D1.2W09.1745.42134.56630.3102.92728.04520.2033.97874.61258.357D0.4W0.46.4421.22222.7774.2492.37712.6336.4393.25629.47815.214D0.8W0.46.0231.77923.4578.3542.68913.2696.1123.75632.69421.597D1.2W0.45.6131.28023.7589.4382.90715.1623.5673.78836.15321.852D0.4W0.85.9680.54920.5731.6882.41012.5524.5003.19626.3918.331D0.8W0.85.7531.28321.7034.8812.66212.7545.2813.52128.19812.631D1.2W0.85.6170.97321.0775.7712.87614.5522.3913.58630.74816.357D0.4W1.25.9270.70520.5285.2702.40511.4318.9323.18552.87352.873D0.8W1.25.7530.82021.5656.1562.64312.5607.0343.45961.63861.638D1.2W1.28.0470.78321.3235.6662.84814.1878.6233.49274.46574.465

傾斜加載時種植體、牙槽骨、基臺最大應力值均大于垂直加載，下頜骨模型的牙槽骨最大應力值大于上頜骨模型，這是由于皮質骨彈性模量大于松質骨，產生應力遮擋所引起。將種植體-牙槽骨邊緣Von-Mises力數(shù)值導入SPSS中，形成多線圖進行分析，見圖6，發(fā)現(xiàn)傾斜加載時，骨平面種植體牙槽骨邊緣應力小于骨下種植體。骨下種植體牙槽骨邊緣應力值大都隨成骨寬度的增加而降低，在成骨寬度為0.8 mm時發(fā)現(xiàn)最小值，但成骨寬度大于0.8 mm時出現(xiàn)應力升高。通過觀察下頜骨D0.8W0.8和D0.8W1.2的應力云圖，見圖7，推測應力數(shù)值加大是由于種植體基臺交接處為應力集中區(qū)域，當肩臺處皮質骨寬度達到1.2 mm時，種植體-牙槽骨邊緣過于靠近種植體基臺交界應力集中區(qū)所引起。

圖6 下頜骨D0.8W0.8組和D0.8W1.2組應力云圖

3 討論

影響種植體頸部骨組織長期穩(wěn)定的因素有很多，種植體邊緣骨吸收會導致種植體失敗[6]。種植體廠家嘗試通過改變種植體設計以及種植體表面處理，以減少種植的邊緣骨吸收[7]。Lazzara RJ等[8]于2006年報道了一種保留種植體頸部邊緣骨的辦法，稱之為“平臺轉移”，并將其定義為使用較種植體直徑更小的基臺，使種植體與基臺的交界面位于種植體平臺的內側，這導致種植體與基臺的交界處向種植體中軸遷移。這樣使得種植體周圍的骨組織應力降低，有利于種植體周圍軟硬組織的健康[9-10]。盡管平臺轉移這個概念已經(jīng)提出十多年，但是對其中的機制仍有爭議[11]。有學者認為生物學寬度的改變是平臺轉移種植體邊緣骨吸收減少的原因，平臺轉移的種植體不僅存在垂直向的生物學寬度，還存在水平向的生物寬度[12-13]。也有學者認為種植體與基臺之間微間隙的微動及細菌引起種植體體邊緣骨吸收[14-15]，由于平轉轉移，使得種植的微間隙向種植體軸心轉移，使得微間隙的微動和細菌遠離種植體頸部牙槽骨，對其造成的影響降低。還有一部分學者認為影響平臺轉移種植體骨吸收減少的原因是種植體周圍應力得以分散[16]，當使用平臺轉移的種植體負載時，更多的應力集中在種植體、基臺頸部以及固位螺絲上，雖然這樣會增大機械并發(fā)癥，但是可以有效分散種植體頸部骨組織應力，減少種植體頸部骨組織的吸收[17]。因此當下主流觀點認為平臺轉移的種植錯配值越大效果越好，即種植體肩臺越寬越好。

目前已有學者[18]研究平臺轉移種植體入深度和種植體肩臺寬度對應力分布的影響，但未見肩臺成骨對應力分布影響的研究。本研究通過對比種植體肩臺成骨寬度不同情況下的種植體-牙槽骨邊緣Von-Mises力，可以得出以下結論：同等植入深度及成骨寬度條件下，下頜骨組Von-Mises力大于上頜骨組，這是由于皮質骨彈性模量大于松質骨，產生應力遮擋所引起。傾斜加載時，牙槽骨所受Von-Mises力均大于垂直加載，說明側向力比軸向力容易產生應力集中。因此設計植入位置及最終修復體時，應減少種植體所受側向力，減少牙槽骨所受應力。垂直加載時，種植體肩臺成骨組的邊緣牙槽骨Von-Mises力小于肩臺未成骨，上頜骨在D0.4W0.8組發(fā)現(xiàn)最小Von-Mises力0.549 Mpa。下頜骨在D1.2W0.8組發(fā)現(xiàn)最小Von-Mises力2.391 Mpa，表明當種植體受到垂直加載時，肩臺成骨可以有效減少種植體邊緣骨應力，但并非成骨越寬邊緣骨所受應力越小，而是在成骨寬度為0.8 mm時獲得了最佳的生物力學效果。傾斜加載時，除了下頜骨肩臺成骨寬度1.2 mm組邊緣牙槽骨所受應力值大于肩臺未成骨組以外，其余種植體肩臺成骨組的邊緣牙槽骨Von-Mises力亦明顯小于肩臺未成骨，上頜骨在D0.4W0.8組發(fā)現(xiàn)最小Von-Mises力1.688 Mpa。下頜骨在D0.4W0.8組發(fā)現(xiàn)最小Von-Mises力8.331 Mpa，最小應力值亦在成骨寬度為0.8 mm時出現(xiàn)。通過本次實驗可知，上下頜骨無論是垂直加載或是傾斜加載，牙槽骨邊緣最小Von-Mises力均出現(xiàn)在肩臺成骨寬0.8 mm組中，說明種植體肩臺成骨寬度并非越寬越好，通過觀察應力云圖，推測此現(xiàn)象是由于種植體肩臺的內徑與外徑均為應力集中區(qū)域，骨邊緣過于靠近兩側中的任一側均導致應力集中，并增大邊緣骨吸收的風險。

種植體的光滑表面成骨性能差，而經(jīng)過粗糙化的種植體表面與骨組織結合面積和強度大大增加[19-20]，但當種植體粗糙表面無骨結合時，將比光滑表面的種植體容易堆積菌斑，因此建議發(fā)生骨結合種植體表面設計為粗糙面，非骨結合的種植體表面設計為光滑面。通過本次實驗可知，若選擇光滑肩臺種植體時，平骨面種植可獲得良好的應力分布，減少邊緣骨吸收。若選擇肩臺粗糙化種植體則建議骨下種植，因為當種植體植入骨下時，種植體肩臺位于有利骨缺損區(qū)域，肩臺處粗糙面可與新生牙槽骨進行骨結合，使其肩臺處成骨，有助于應力分散，減少菌斑堆積。由于種植體肩臺成骨過于靠近種植體與基臺交界處時將導致種植體-牙槽骨邊緣應力再次加大，骨下種植的平臺轉移種植體設計成肩臺外周粗糙，內圈光滑更為合理，見圖7。

圖7 外周粗糙、內圈光滑的種植體平臺

本實驗為基礎實驗，實驗為理想條件下完成，僅為臨床提供指導，實際情況仍需結合臨床實驗，以獲得更精確的結果。