基臺角度對種植體周圍骨組織應(yīng)力分布的影響

馬新?lián)P,王 方,唐成芳,左艷萍,王丹楊,崔曉明

(1西安醫(yī)學(xué)院口腔醫(yī)學(xué)院,西安 710032;2西安交通大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院;*通訊作者,E-mail:maxinyang1984@126.com)

種植義齒因其外形與使用舒適度與天然牙接近已得到推廣使用[1]。理想的種植體長軸應(yīng)與修復(fù)后的牙冠長軸相平行,然而在臨床修復(fù)過程中,由于拔牙后牙槽骨的吸收導(dǎo)致種植體植入?yún)^(qū)骨量不足、鄰牙的位置及其牙根的走向要求種植體避開相鄰重要解剖結(jié)構(gòu)(下頜管、上頜竇),種植體無法按照理想位置植入,角度基臺可結(jié)合患者現(xiàn)有骨組織條件植入,避免骨移植或骨移植后術(shù)區(qū)感染給患者帶來的創(chuàng)傷,減輕了患者的痛苦,縮短了修復(fù)周期,然而,角度基臺與直基臺有所不同,它改變了咬合力的傳導(dǎo),使咬合力在種植體周圍骨組織內(nèi)的分布與大小發(fā)生了改變,對種植體周圍骨組織的分化與改建產(chǎn)生一定的影響[2],因此,角度基臺的使用在臨床上受到一定的限制。如何合理使用角度基臺,促進種植體與周圍牙槽骨形成良好的骨結(jié)合,是需要研究和探索的一個課題。本研究通過建立不同角度基臺種植體與骨組織結(jié)構(gòu)有限元模型,分析咬合力作用下,種植體周圍牙槽骨應(yīng)力分布的變化,為臨床種植修復(fù)過程中合理使用角度基臺提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料及設(shè)備

1.1.1 實驗設(shè)備及軟件 牙科錐形束計算機掃描成像技術(shù)(cone beam computed tomography, CBCT),德國Sirona公司;圖像處理軟件Mimics 15.0,比利時Materialise公司;UG NX10.0軟件,德國Unigraphics Solutions公司;逆向工程軟件Geomagic Studio 10.0,美國Raindrop公司;有限元分析軟件ABAQUS 6.13,美國Simulia Corp公司。

1.1.2 實驗取材 對即將進行種植修復(fù)的患者進行三維錐形束斷層掃描(CBCT),獲得其種植區(qū)域骨組織影像學(xué)數(shù)據(jù)。

1.2 方法

1.2.1 角度基臺種植體與骨組織三維實體模型的建立 將掃描后患者下頜骨影像學(xué)數(shù)據(jù)以DICOM格式文件儲存并導(dǎo)入Mimics 15.0軟件中,應(yīng)用Caculate3D命令重建骨組織三維形態(tài)。對骨組織表面形態(tài)進行光滑處理,以STL格式文件導(dǎo)入Geomagic Studio 10.0逆向工程軟件軟件,修整模型表面不平整區(qū)域,將模型轉(zhuǎn)化為非均勻有理B樣曲面結(jié)構(gòu),以.iges格式導(dǎo)入UGNX10.0軟件中[3]。對骨組織表面進行縫合,使殼體模型轉(zhuǎn)化為實體模型。對模型進行裁剪,保留種植區(qū)域20 mm骨組織結(jié)構(gòu),選取種植體骨組織表面2 mm為皮質(zhì)骨區(qū)域,并通過裝配將皮質(zhì)骨與松質(zhì)骨組裝為一體。

在UGNX10.0軟件中構(gòu)建角度基臺種植體結(jié)構(gòu),繪制種植體與和角度基臺的二維草圖,利用旋轉(zhuǎn)、掃略、形成種植體結(jié)構(gòu),縫合后形成實體模型,種植體規(guī)格為長度8 mm,直徑為4 mm,螺紋深度為0.6 mm,螺紋間隔0.5 mm,角度基臺高度為4 mm,基臺長軸與種植體長軸分別呈15°,25°,35°,分別裝配種植體與角度基臺,將種植體置于骨組織種植區(qū)域,使用布爾運算的減法命令去除骨組織與種植體重合區(qū)域后,得到備洞后的骨組織結(jié)構(gòu),并以.prt格式保存,用于后續(xù)實驗有限元模型的建立。

1.2.2 角度基臺種植體與骨組織三維有限元模型的建立 將骨組織與種植體模型導(dǎo)入Abaqus6.13有限元分析軟件中,在Part模塊中將各部件設(shè)置為獨立結(jié)構(gòu),定義模型為各向同性的均質(zhì)材料,材料參數(shù)見表1。裝配模型,將種植體嵌入骨組織內(nèi),使種植體螺紋與骨組織完全密合,角度基臺位于種植體正上方。定義模型的接觸關(guān)系和邊界條件,種植體表面與骨組織接觸面見圖1,接觸關(guān)系定義為tie,將種植體與角度基臺使用merge命令連接在一起,同時限定模型兩側(cè)的骨組織3個方向的位移限定為零(見圖2)。采用網(wǎng)格單元為C3D10m四面體單元對各實體部件進行網(wǎng)格劃分[4],最終獲得模型單元數(shù)為124 531,節(jié)點數(shù)為41 765(見圖3)。在角度基臺表面施加100,200 N的咬合力,建立分析步后提交模型分析。

圖2 定義骨組織邊界條件

圖3 角度基臺種植體與骨組織網(wǎng)格劃分后模型

1.2.3 咬合力作用下角度基臺種植體周圍骨組織的應(yīng)力分析 在所建有限元模型的基礎(chǔ)上,給角度基臺表面分別施加100,200 N咬合力,分析基臺角度的改變以及咬合力的大小對種植體周圍骨組織應(yīng)力分布的影響。

2 結(jié)果

2.1 不同角度基臺周圍骨組織應(yīng)力分布

在咬合力作用下,基臺角度的改變對種植體周圍骨組織的應(yīng)力分布產(chǎn)生一定影響?；_角度為15°和25°時,種植體頸部皮質(zhì)骨應(yīng)力分布均勻(見圖4),無明顯的應(yīng)力集中區(qū)域,在傾斜側(cè)的松質(zhì)骨結(jié)合界面,兩組出現(xiàn)局部應(yīng)力集中(見圖5)。隨著基臺角度的增大到35°,應(yīng)力集中區(qū)域面積增大(見圖4)。

15°組與25°組種植體頸部皮質(zhì)骨無應(yīng)力值明顯高于周圍組織的紅色應(yīng)力集中區(qū)域;而35°組出現(xiàn)明顯的紅色應(yīng)力集中區(qū),與頸部其余部位相比,應(yīng)力分布不均勻

15°組與25°組在角度基臺傾斜對側(cè)有較小面積顏色較深的局部應(yīng)力集中區(qū)域;35°組應(yīng)力集中面積擴大

2.2 咬合力大小對種植體周圍骨組織應(yīng)力分布的影響

在咬合力作用下,骨組織的高應(yīng)力區(qū)主要分布在種植體皮質(zhì)骨周圍和傾斜側(cè)骨結(jié)合區(qū)域松質(zhì)骨。咬合力為100 N時,種植體傾斜側(cè)皮質(zhì)骨應(yīng)力均值增高(見圖6)。在傾斜側(cè)種植體結(jié)合界面螺紋處的松質(zhì)骨區(qū)域,壓應(yīng)力明顯大于非傾斜側(cè)松質(zhì)骨,結(jié)合界面松質(zhì)骨的應(yīng)力大小隨著基臺角度的增加而增大(見圖6)。隨著咬合力的增加,三組角度基臺應(yīng)力均值增加(見圖7),咬合力為100 N時,骨組織內(nèi)應(yīng)力值雖然隨著基臺角度增加而增大,但是增大幅度不明顯。當咬合力增大至200 N時,35°基臺種植體傾斜側(cè)皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨應(yīng)力集中區(qū)域面積迅速擴大,應(yīng)力值明顯增高(見圖7)。

圖6 咬合力100 N時皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨應(yīng)力大小與基臺角度關(guān)系

圖7 咬合力200 N時皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨應(yīng)力大小與基臺角度的關(guān)系

3 討論

種植體與周圍骨組織形成的骨結(jié)合是影響種植體成功與否的關(guān)鍵因素[5],而骨周圍力學(xué)環(huán)境(應(yīng)力、應(yīng)變)對骨結(jié)合產(chǎn)生重要作用,角度基臺的使用改變了咬合力的傳播方向以及骨組織應(yīng)力的分布,更容易造成應(yīng)力集中而導(dǎo)致種植體周圍骨組織吸收[6,7]。本研究通過建立不同角度基臺種植體修復(fù)的三維有限元模型,分析研究咬合力作用下,基臺角度的改變對種植體周圍牙槽骨應(yīng)力分布的影響,為臨床種植修復(fù)過程中合理使用角度基臺提供理論依據(jù)。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),在咬合力作用下,種植體頸部傾斜側(cè)皮質(zhì)出現(xiàn)不同程度的應(yīng)力集中,應(yīng)力集中隨著基臺角度的增大而增加。隨著咬合力的增大,基臺角度增大使得種植體傾斜側(cè)皮質(zhì)骨應(yīng)力快速增加,研究結(jié)果表明,種植體周圍骨組織的應(yīng)力分布大小與基臺角度相關(guān),基臺角度的改變會造成傾斜側(cè)種植體周圍皮質(zhì)骨及結(jié)合界面松質(zhì)骨應(yīng)力增大,長時間的應(yīng)力集中最終可能導(dǎo)致骨組織的吸收。提示臨床醫(yī)生:在進行角度基臺種植修復(fù)時,應(yīng)關(guān)注患者的皮質(zhì)骨厚度及評估患者種植區(qū)骨量,避免使用過大角度的基臺,必要時應(yīng)降低患者的咬合力以促進形成骨結(jié)合。

為了建立骨組織結(jié)構(gòu)的三維有限元模型,本研究選用即將種植修復(fù)的病例下頜骨組織的CT影像學(xué)數(shù)據(jù)作為建模依據(jù),獲得微結(jié)構(gòu)清晰完整骨組織二維圖像數(shù)據(jù),在Mimics 15.0軟件中調(diào)整閾值,應(yīng)用Caculate3D命令重建骨組織三維形態(tài)。使用Geomagic Studio 10.0設(shè)置骨組織結(jié)構(gòu)模型輪廓線,將模型輪廓線擬合后形成連續(xù)的NURBS曲面。將模型數(shù)據(jù)以IGES格式文件輸出后導(dǎo)入UGNX10.0軟件中,縫合曲面得到骨組織微觀結(jié)構(gòu)實體模型,同時建立種植體與角度基臺模型,裝配種植體與骨組織模型,使骨組織模型與種植體中軸線相吻合并進行模型相減,得到備洞后的骨組織微觀模型。這一過程使模型在幾何形態(tài)上盡可能地與原始骨組織的實際情況保持一致,保證了模型的結(jié)構(gòu)相似性,使計算結(jié)果更加可信。

種植體植入后與周圍組織形成骨結(jié)合,承擔咬合力的分散與傳播[8]。在一定的咬合力作用下,有利于骨結(jié)合的形成和種植體的穩(wěn)定[9],然而當種植體承受不利的咬合力時,可能導(dǎo)致骨組織的吸收和種植體的松動[10]。研究發(fā)現(xiàn),給基臺表面施加100 N咬合力時,隨著加基臺角度的改變,種植體周圍骨組織的應(yīng)力分布有所不同,高應(yīng)力區(qū)域隨著基臺角度的增大而緩慢增加,其中,15°與25°時應(yīng)力值增加不明顯,35°時基臺應(yīng)力均值增加較為明顯;當咬合力調(diào)整為200 N時,傾斜側(cè)皮質(zhì)骨區(qū)域應(yīng)力均值增加,35°時皮質(zhì)骨與松質(zhì)骨應(yīng)力均值明顯大于25°時。研究結(jié)果表明,基臺角度在15°和25°時,咬合力大小對骨組織應(yīng)力的分布尚未造成明顯的變化。當基臺角度較大時,傾斜側(cè)骨組織在承受咬合力時,應(yīng)力峰值較大,同時受到壓縮應(yīng)力和剪切應(yīng)力,長時間的應(yīng)力集中不利于骨組織形成骨結(jié)合,最終可能會造成種植體周圍皮質(zhì)骨與骨結(jié)合界面松質(zhì)骨的吸收,提示臨床醫(yī)生在進行角度基臺種植修復(fù)時應(yīng)關(guān)注患者種植區(qū)域皮質(zhì)骨的質(zhì)量,根據(jù)實際情況選擇合適的基臺以確保種植體的穩(wěn)定性,避免使用角度過大的基臺而影響種植體與骨組織的結(jié)合。