樁核冠、髓腔固位冠和嵌體冠修復(fù)低矮磨牙殘冠后產(chǎn)生的生物力學(xué)效應(yīng)比較及其臨床意義

李韋萱，金巨樓，趙楚翹，劉定坤，鄒俊東，王明霞，劉志輝

(1.吉林大學(xué)口腔醫(yī)院修復(fù)科，吉林 長(zhǎng)春 130021；2.江蘇省蘇州口腔醫(yī)院綜合治療科，江蘇 蘇州 215000)

下頜第一磨牙在行使咀嚼功能和維持口腔頜面部穩(wěn)定中起重要作用，但常由于齲壞去腐、根管治療開(kāi)髓、過(guò)度磨損和外傷等原因?qū)е缕溲荔w組織大面積喪失，臨床牙冠過(guò)短[1]。對(duì)于根管治療后牙合齦距離低矮的磨牙殘冠，其修復(fù)方式的選擇一直存在爭(zhēng)議，過(guò)去臨床上常使用樁核冠或嵌體冠對(duì)其進(jìn)行修復(fù)，以期獲得良好的固位效果[2-3]，但有文獻(xiàn)[4-5]報(bào)道該2種方式牙體預(yù)備時(shí)需磨除大量牙體組織，易發(fā)生根折或牙折。近年來(lái)，隨著微創(chuàng)理念的推廣，髓腔固位冠作為一種最大程度保留剩余牙體的新型修復(fù)方式，被廣泛應(yīng)用于短冠磨牙的修復(fù)，但有研究[6]認(rèn)為其遠(yuǎn)期修復(fù)效果尚不明確。上述3種修復(fù)方式各有利弊[7]，目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究?jī)H局限于分析修復(fù)體對(duì)牙體組織抗折性能的影響。本研究首次從抗折性能和固位效果兩方面對(duì)樁核冠、髓腔固位冠和嵌體冠進(jìn)行比較，并應(yīng)用有限元法定量評(píng)估修復(fù)體的非軸向固位力，改良了以往有限元實(shí)驗(yàn)中只能通過(guò)分析粘接劑層的應(yīng)力情況來(lái)預(yù)測(cè)修復(fù)體失效概率的局限性，為確定修復(fù)低矮磨牙殘冠的優(yōu)選方案提供理論依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)樣本來(lái)源

選擇吉林大學(xué)口腔醫(yī)院修復(fù)科就診的健康男性患者左側(cè)下頜第一磨牙作為實(shí)驗(yàn)樣本，其外形標(biāo)準(zhǔn)、牙體無(wú)齲壞、無(wú)充填體及修復(fù)體且符合我國(guó)人口正常下頜第一磨牙平均尺寸[8]，患者對(duì)本研究知情，自愿配合研究并簽署知情同意書(shū)。

1.2 有限元模型的建立

1.2.1 下頜第一磨牙幾何模型 使用錐形束CT(CBCT)掃描患者頭頸部，獲得上下頜牙列的影像學(xué)資料，以DICOM格式輸出。將數(shù)據(jù)導(dǎo)入醫(yī)學(xué)圖像處理軟件Mimics 17.0中，對(duì)各種硬組織進(jìn)行識(shí)別掃描，根據(jù)牙釉質(zhì)、牙本質(zhì)和牙髓的閾值灰度差異對(duì)牙體組織進(jìn)行劃分，生成下頜第一磨牙的原始三維模型并優(yōu)化，以STL格式文件輸出。將其導(dǎo)入Geomagic 12.0軟件中生成連續(xù)的牙體組織NURBS曲面模型并以IGES格式文件輸出。最后，將文件導(dǎo)入CATIA V5R21軟件中生成牙體組織的三維實(shí)體模型，并構(gòu)建牙周膜及牙槽骨模型，得到完整的下頜第一磨牙有限元模型，基于此進(jìn)行后續(xù)牙體缺損及修復(fù)體模型的建立。見(jiàn)圖1(插頁(yè)八)。

1.2.2 牙體缺損和修復(fù)體模型的設(shè)計(jì) 生成已完成根管治療的下頜第一磨牙模型后，構(gòu)建剩余臨床牙冠高度(牙合面至釉牙骨質(zhì)界間距離)分別為1、2和3 mm的3組低矮磨牙殘冠模型(圖2，見(jiàn)插頁(yè)八)，分別采用樁核冠、髓腔固位冠和嵌體冠修復(fù)(圖3，見(jiàn)插頁(yè)八)。本研究模擬臨床上對(duì)頜牙無(wú)明顯伸長(zhǎng)及頜間距離基本正常的殘冠修復(fù)，殘冠齦緣至對(duì)頜牙牙合面之間垂直距離(即修復(fù)后牙冠的高度)為6.9 mm，足以為樁核冠、髓腔固位冠及嵌體冠提供適當(dāng)?shù)男迯?fù)空間。各組修復(fù)體設(shè)計(jì)要點(diǎn)：①樁核冠組設(shè)置為純鈦鑄造樁核，根管內(nèi)樁直徑為根管直徑的1/3，樁長(zhǎng)為根長(zhǎng)保留4 mm根尖封閉區(qū)；冠部模擬全冠牙體預(yù)備，保留至少1 mm牙本質(zhì)肩領(lǐng)，軸向聚合度設(shè)為5°，冠邊緣位于釉牙骨質(zhì)界處，為寬度1 mm的直角肩臺(tái)。②髓腔固位冠組髓腔內(nèi)深度至少為3 mm，髓室底覆蓋1 mm厚墊底材料，四周余留軸壁厚度不少于1 mm，去除髓腔內(nèi)倒凹，外展度設(shè)置為5°，邊緣與牙體組織呈平面對(duì)接形式。③嵌體冠組髓腔內(nèi)預(yù)備同髓腔固位冠組，冠外預(yù)備同樁核冠組冠部，冠邊緣位于釉牙骨質(zhì)界處，為寬度1 mm的直角肩臺(tái)。各組模型預(yù)備體點(diǎn)線角圓鈍，且均保留0.1 mm厚的粘接劑層。上述模型的構(gòu)建均在CATIA軟件中完成。

1.3 網(wǎng)格劃分和材料參數(shù)的選擇

將上述模型幾何文件導(dǎo)入HyperMesh 2019軟件，采用四節(jié)點(diǎn)四面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格。修復(fù)體與預(yù)備體之間接觸面處網(wǎng)格尺寸為 0.5 mm，其余位置網(wǎng)格尺寸為1 mm。劃分后有限元模型的節(jié)點(diǎn)數(shù)及網(wǎng)格單元數(shù)范圍分別為247 722～502 453及1 018 733～2 180 433。本實(shí)驗(yàn)假設(shè)牙體組織和修復(fù)材料為均勻及各向同性的線彈性材料。賦予模型中材料相應(yīng)的力學(xué)參數(shù)[9-10]。見(jiàn)表1。

表1 有限元模型中相關(guān)材料的力學(xué)參數(shù)

1.4 設(shè)定邊界條件和應(yīng)力分析載荷

將網(wǎng)格模型導(dǎo)入Abaqus 2019軟件中，設(shè)定邊界條件為所有模型均固定于牙槽骨底面，對(duì)模型牙合面施加靜態(tài)載荷模仿咀嚼。在修復(fù)體的近、遠(yuǎn)中頰尖及遠(yuǎn)中尖的舌斜面與近、遠(yuǎn)中舌尖的頰斜面等5個(gè)區(qū)域，施加方向豎直向下、總載荷為225 N的垂直載荷，以模擬牙尖交錯(cuò)牙合的力學(xué)效應(yīng)；對(duì)修復(fù)體近、遠(yuǎn)中頰尖及遠(yuǎn)中尖的頰斜面與近、 遠(yuǎn)中舌尖的舌斜面等5個(gè)區(qū)域施加與牙體長(zhǎng)軸呈45°、總載荷為225 N的斜向載荷，以模擬修復(fù)體受側(cè)向力的情況[11-12]。

1.5 設(shè)定旋轉(zhuǎn)脫位載荷和cohesive內(nèi)聚力接觸屬性

1.5.1 旋轉(zhuǎn)脫位載荷條件 為定量衡量修復(fù)體抵抗脫位的能力，本研究對(duì)修復(fù)體邊緣節(jié)點(diǎn)施加強(qiáng)制位移載荷，使其以頰側(cè)邊緣上某一點(diǎn)作為旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)，逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)0.005°，發(fā)生弧度為0.05 mm的旋轉(zhuǎn)位移。并將上述強(qiáng)制位移載荷產(chǎn)生的約束反力之和視為修復(fù)體抵抗旋轉(zhuǎn)脫位的力，即非軸向固位力。

1.5.2 設(shè)置cohesive內(nèi)聚力接觸屬性 本研究采用Abaqus的cohesive內(nèi)聚力接觸模型來(lái)模擬粘接劑開(kāi)裂情況。樹(shù)脂粘接劑(RelyX Unicem)內(nèi)聚力屬性參考美國(guó)3M公司提供材料的參數(shù)：KN(49 000 MPa·mm-1)為粘接劑的拉伸分離剛度，KS和KT(均為3 9000 MPa·mm-1)為剪切分離剛度，σN (12 MPa)、τS(15 MPa)和τT(15 MPa)分別為cohesive接觸面法向、切向一和切向二所能承受的最大臨界應(yīng)力，GN(177.0 kJ·m-2) 為法向能量釋放率，GS(169.1 kJ·m-2)和GT(162.2 kJ·m-2)為切向能量釋放率[13]。本研究采用Abaqus 2019軟件中Benzeggagh-Kenane混合模式能量準(zhǔn)則作為判斷粘接劑失效的標(biāo)準(zhǔn)[14]。

1.6 運(yùn)算和結(jié)果輸出

將應(yīng)力載荷的工況參數(shù)輸入計(jì)算機(jī)中，通過(guò)Abaqus 2019軟件運(yùn)算后，得到各組牙本質(zhì)的von Mises應(yīng)力峰值及應(yīng)力分布云圖，分析牙體組織抗折性能。將旋轉(zhuǎn)脫位載荷的工況參數(shù)輸入計(jì)算機(jī)后，通過(guò)Abaqus 2019軟件運(yùn)算后，得到各修復(fù)體模型發(fā)生相同旋轉(zhuǎn)角度脫位時(shí)所需的約束反力之和即為修復(fù)體的非軸向固位力，同時(shí)輸出代表脫位時(shí)粘接劑破壞情況的剛度退化云圖，分析固位效果。

2 結(jié) 果

2.1 不同載荷下各組模型牙本質(zhì)的應(yīng)力分析

2.1.1 各組模型牙本質(zhì)von Mises應(yīng)力峰值 垂直向和斜向載荷條件下，采用不同方式修復(fù)3種缺損程度的低矮磨牙殘冠，剩余牙本質(zhì)的von Mises應(yīng)力峰值結(jié)果見(jiàn)表2。

2.1.2 各組模型牙本質(zhì)應(yīng)力分布趨勢(shì) 垂直載荷下，樁核冠組磨牙殘冠應(yīng)力峰值位于近遠(yuǎn)中根根尖1/3處與樁接觸區(qū)；髓腔固位冠組磨牙殘冠應(yīng)力峰值位于髓室底部和近中頰舌根根管口間隔處；嵌體冠組磨牙殘冠應(yīng)力主要集中于牙頸部及根部，峰值部位于遠(yuǎn)中根根尖1/3處(圖4，見(jiàn)插頁(yè)八)。斜向載荷下，樁核冠組磨牙殘冠應(yīng)力峰值部位同垂直載荷，位于根管內(nèi)部與樁接觸區(qū)；髓腔固位冠組磨牙殘冠應(yīng)力集中于牙頸部及遠(yuǎn)中根根尖1/3處，其應(yīng)力峰值位于髓室底遠(yuǎn)中頰角處；嵌體冠組磨牙殘冠應(yīng)力分布趨勢(shì)同垂直載荷相近(圖5，見(jiàn)插頁(yè)九)。

表2 不同載荷下3組低矮磨牙殘冠經(jīng)樁核冠、髓腔固位冠和嵌體冠修復(fù)后牙本質(zhì)的von Mises應(yīng)力峰值

2.2 各組修復(fù)體固位分析

2.2.1 各組修復(fù)體產(chǎn)生的非軸向固位力 相同角度旋轉(zhuǎn)位移下，各組修復(fù)體產(chǎn)生的非軸向固位力見(jiàn)表3。其中，1 mm殘冠組，非軸向固位力依次為樁核冠>嵌體冠>髓腔固位冠；而2和3 mm殘冠組，非軸向固位力依次為嵌體冠>樁核冠>髓腔固位冠。

表3 旋轉(zhuǎn)脫位載荷下樁核冠、髓腔固位冠和嵌體冠產(chǎn)生的非軸向固位力

2.2.2 各組修復(fù)體粘接層剛度退化云圖 各修復(fù)體模型發(fā)生相同旋轉(zhuǎn)位移時(shí)粘接層剛度退化云圖見(jiàn)圖6(插頁(yè)九)。紅色區(qū)域表示粘接劑剛度完全退化，即處于開(kāi)裂狀態(tài)；藍(lán)色區(qū)域表示粘接劑剛度未發(fā)生改變，即處于未開(kāi)裂狀態(tài)。當(dāng)發(fā)生相同角度的旋轉(zhuǎn)脫位時(shí)，各組修復(fù)體內(nèi)表面發(fā)生開(kāi)裂的粘接劑面積由大到小依次為嵌體冠>髓腔固位冠>樁核冠。

3 討 論

對(duì)于咬合空間充足，但牙合齦距離短于3 mm大面積缺損的磨牙殘冠，全冠修復(fù)難以取得良好的固位效果，多使用樁核冠或嵌體冠修復(fù)[2-3]。樁核冠通過(guò)在根管內(nèi)設(shè)置樁增加額外固位力，但其樁道預(yù)備過(guò)程可能導(dǎo)致不可逆性根折。嵌體冠是指在全冠預(yù)備的基礎(chǔ)上利用伸入髓腔的嵌體提供輔助固位，二者間的內(nèi)外機(jī)械力與制鎖作用可大幅提高修復(fù)體的固位力[15]。研究[16]表明：根管治療后殘冠頸周牙本質(zhì)的健康完整有利于分散牙合力，維持牙齒的長(zhǎng)期穩(wěn)固，應(yīng)最大程度予以保留。而嵌體冠的冠內(nèi)冠外牙體預(yù)備破壞了頸部牙體組織，削弱了牙齒抗折性能，增大牙折的風(fēng)險(xiǎn)。因此，髓腔固位冠應(yīng)運(yùn)而生，其平面對(duì)接的邊緣預(yù)備形式最大程度地保留了頸部牙體組織，并利用根管治療后磨牙寬大的髓腔作為中央固位形。但此種固位方式與傳統(tǒng)修復(fù)體預(yù)備宏觀機(jī)械固位形的理念不符，部分醫(yī)師對(duì)其固位效果持懷疑態(tài)度，且髓腔固位冠臨床應(yīng)用時(shí)間較短，遠(yuǎn)期療效尚無(wú)明確定論。

修復(fù)體的固位力可分為軸向固位力和非軸向固位力，前者是指防止修復(fù)體沿就位方向脫落的力，主要由摩擦力及粘接力提供；而后者則由粘接力和預(yù)備體固位形產(chǎn)生的約束力共同組成，以抵抗修復(fù)體沿非就位向脫落[17]。固定修復(fù)體在口內(nèi)行使功能時(shí)受到各方向的力，但真正意義上受豎直方向使其沿牙合向脫落的力較小，多為受側(cè)向力時(shí)沿非軸向脫落，因此近年來(lái)關(guān)于固位研究的焦點(diǎn)集中于非軸向固位力[18]。而低矮磨牙的修復(fù)體多由于預(yù)備體牙合齦距離短和基底面橫截面積較大等原因受側(cè)向力時(shí)固位不佳，易出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)趨勢(shì)[19]。有學(xué)者[20]提出相關(guān)理論，即當(dāng)修復(fù)體發(fā)生旋轉(zhuǎn)脫位時(shí)，常以其一側(cè)邊緣上一點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)中心，以牙冠基底橫截面直徑作為旋轉(zhuǎn)半徑。本研究參考BOWLEY等[21]體外測(cè)量修復(fù)體抗旋轉(zhuǎn)脫位力的實(shí)驗(yàn)方法，在Abaqus 2019軟件中對(duì)修復(fù)體模型施加強(qiáng)制性旋轉(zhuǎn)位移載荷，使其以頰側(cè)邊緣上一點(diǎn)作為中心點(diǎn)，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)0.005°，同時(shí)設(shè)置cohesive內(nèi)聚力接觸模型模擬脫位時(shí)粘接劑開(kāi)裂,從而模擬臨床上低矮殘冠修復(fù)體旋轉(zhuǎn)脫落的情況。此方法既考慮粘接力，又考慮固位形對(duì)修復(fù)體產(chǎn)生的約束力，故本研究將計(jì)算所得的各模型抗旋轉(zhuǎn)脫位力視為此脫位角度下修復(fù)體可獲得的非軸向固位力。

本研究中von Mises應(yīng)力云圖及峰值結(jié)果表明：樁核冠、髓腔固位冠和嵌體冠修復(fù)后牙本質(zhì)應(yīng)力峰值均低于正常牙本質(zhì)的抗拉或抗壓強(qiáng)度，均可用于低矮磨牙殘冠的修復(fù)。垂直載荷下，牙本質(zhì)應(yīng)力峰值與應(yīng)力集中趨勢(shì)均為嵌體冠>髓腔固位冠>樁核冠。斜向載荷下，各組應(yīng)力峰值普遍高于垂直向載荷，且依次為髓腔固位冠>嵌體冠>樁核冠，但就應(yīng)力云圖而言，嵌體冠組應(yīng)力集中現(xiàn)象最為明顯。髓腔固位冠組斜向載荷下牙本質(zhì)應(yīng)力峰值明顯高于垂直載荷，且2種載荷應(yīng)力峰值均位于髓室底部，提示應(yīng)降低髓腔固位冠的牙尖斜度，減小其所受側(cè)向力，同時(shí)在進(jìn)行牙體預(yù)備時(shí)應(yīng)注意髓室底部邊緣的光滑和圓鈍，避免形成應(yīng)力集中區(qū)。嵌體冠組在不同載荷下均表現(xiàn)出明顯的應(yīng)力集中，且集中部位均為牙頸部及根部，此現(xiàn)象提示嵌體冠頸部牙體組織的較多，不利于應(yīng)力的分散及根向傳導(dǎo)，與髓腔固位冠組和樁核冠組比較，其發(fā)生牙折的概率更高。樁核冠組在不同載荷下均獲得最小的應(yīng)力峰值和較分散的應(yīng)力分布趨勢(shì)，且其應(yīng)力峰值處均位于根尖1/3與樁接觸區(qū)，表明除根管彎曲、狹窄及鈣化的情況外，樁核冠是一種較適宜修復(fù)低矮磨牙殘冠的治療方案。

本研究結(jié)果表明：樁核冠和嵌體冠非軸向固位力均明顯高于髓腔固位冠，1 mm組樁核冠可獲得最大非軸向固位力，2 mm和3 mm組則為嵌體冠獲得最大非軸向固位力。結(jié)合粘接層剛度退化云圖分析：髓腔固位冠組由于缺乏宏觀機(jī)械固位形，僅靠粘接作用提供主要固位力，旋轉(zhuǎn)脫位時(shí)粘接劑大面積開(kāi)裂，在各缺損條件下獲得非軸向固位力結(jié)果均為最小；而嵌體冠組的冠內(nèi)冠外牙體預(yù)備增大其粘接面積，降低其受側(cè)向力時(shí)的旋轉(zhuǎn)半徑，故可獲得較大的非軸向固位力，但脫位時(shí)破裂的粘接面積最大；與髓腔固位冠組和嵌體冠組比較，樁核冠組在獲得較大的非軸固位力的同時(shí)，脫位時(shí)未開(kāi)裂粘接面積也最大，是一種固位效果較為穩(wěn)定的修復(fù)方式。

綜上所述，樁核冠、髓腔固位冠和嵌體冠均可用于大面積缺損的低矮磨牙殘冠的修復(fù)，其中樁核冠既能較好地保護(hù)剩余牙體組織又能獲得穩(wěn)定的固位效果，是一種較為理想的優(yōu)選方案。