All-on-4與穿顴種植在不同皮質(zhì)骨厚度中的生物力學(xué)研究

王 璨，顧衛(wèi)平，朱 琳，陳 崗

有關(guān)上頜無(wú)牙頜的種植固定義齒研究表明，上頜后牙區(qū)牙槽嵴的萎縮、上頜竇氣化以及上頜骨骨密度偏低使得上頜的種植難度更高[1]。目前，為解決上頜后牙區(qū)垂直骨量不足的問(wèn)題，常常采用骨增量技術(shù)包括上頜竇提升術(shù)、引導(dǎo)骨組織再生術(shù)等或應(yīng)用特殊植體[2-5]，但對(duì)于嚴(yán)重的上頜后牙區(qū)骨缺損，如采用上頜竇提升術(shù)，往往需要行延期種植或修復(fù)，因此臨床上為解決某些患者種植后需即刻修復(fù)的需求出現(xiàn)了很多特殊植體，如傾斜植體、穿顴植體和翼上頜植體等[6-8]，All-on-4和穿顴種植為其中常見(jiàn)的種植設(shè)計(jì)方案，在臨床上被牙醫(yī)和患者廣泛接受。目前，已有對(duì)All-on-4與穿顴種植的存活率進(jìn)行了回顧性研究，發(fā)現(xiàn)兩種種植設(shè)計(jì)均能達(dá)到較高的成功率[9-12]，但是機(jī)械并發(fā)癥仍無(wú)法避免[13]，并且皮質(zhì)骨厚度也會(huì)影響種植修復(fù)的成功率[14]。Petrie等[15]通過(guò)有限元分析發(fā)現(xiàn)當(dāng)松質(zhì)骨的楊氏模量降低時(shí)，皮質(zhì)骨厚度起主要作用。由于上頜骨中的松質(zhì)骨密度較低，且上頜骨中的皮質(zhì)骨厚度明顯低于下頜骨[16]，因此在上頜骨中，皮質(zhì)骨的厚度對(duì)種植體及其周圍的應(yīng)力分布是一個(gè)重要的影響因素。有關(guān)皮質(zhì)骨厚度對(duì)All-on-4和穿顴種植影響的生物力學(xué)研究仍然比較缺乏，因此對(duì)不同頜骨條件的無(wú)牙頜患者，如何設(shè)計(jì)符合患者自身狀況并遵循生物力學(xué)原則的無(wú)牙頜種植方案對(duì)維持種植修復(fù)的遠(yuǎn)期療效非常重要。

本研究擬用有限元法研究不同皮質(zhì)骨厚度下All-on-4與穿顴種植的種植體、皮質(zhì)骨的應(yīng)力分布及鈦支架變形的差異，以期為后牙區(qū)嚴(yán)重骨量不足的上頜無(wú)牙頜患者選擇種植方案提供必要的理論依據(jù)，在種植設(shè)計(jì)時(shí)堅(jiān)持以終為始，有理有據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

在江蘇省口腔醫(yī)院CBCT數(shù)據(jù)庫(kù)中選取1例后牙區(qū)垂直骨量不足的無(wú)牙頜上頜骨病例，既往體健，無(wú)糖尿病、骨質(zhì)疏松癥、免疫缺陷病等系統(tǒng)性疾病史，數(shù)據(jù)的獲取和使用符合倫理要求并得到了醫(yī)院倫理委員會(huì)的批準(zhǔn)。

1.2 設(shè)備

硬件：錐形束CT機(jī)(New Tom VGi，意大利)，微型計(jì)算機(jī)(Win10 PC，CPU 2.20 GHz，16.0 G RAM)。軟件：Mimics 20.0(Materialise，比利時(shí))，Geomagic studio 2014(Raindrop，美國(guó))，Solidworks 2017(Solidworks，美國(guó))，Abaqus 2019(Simulia，美國(guó))。

1.3 方法

1.3.1 上頜骨三維有限元模型的建立 將已選取的上頜骨DICOM數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics 20.0中，分別將皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、上頜竇的輪廓影像分層提取，并得到點(diǎn)云模型數(shù)據(jù)后以STL格式保存。將獲得的STL格式數(shù)據(jù)導(dǎo)入Geomagic studio 2014中，建立上頜骨皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、上頜竇的實(shí)體化模型，以IGES格式保存。

1.3.2 不同皮質(zhì)骨厚度模型的建立 在Geomagic Studio 2014中對(duì)已經(jīng)建立的原始松質(zhì)骨進(jìn)行加厚處理，分別獲得0.5、1.0、1.5、2.0 mm的骨塊，進(jìn)行平滑等處理后導(dǎo)入Solidworks 2017中，再進(jìn)行不同皮質(zhì)骨厚度模型與原始皮質(zhì)骨模型的切割、組合，分別獲得組合后的0.5、1.0、1.5、2.0 mm的皮質(zhì)骨。此時(shí)上頜骨的唇頰腭側(cè)皮質(zhì)骨厚度保持不變，僅改變牙槽嵴頂處皮質(zhì)骨厚度。

1.3.3 種植體、基臺(tái)及支架模型的建立 根據(jù)實(shí)驗(yàn)所選取的上頜無(wú)牙頜，實(shí)驗(yàn)種植體參照Nobel Replace Conical Connection(Nobel Biocare，瑞典)標(biāo)準(zhǔn)植體(直徑4.3 mm、長(zhǎng)10 mm)、傾斜植體(直徑4.3 mm、長(zhǎng)13 mm)的植體數(shù)據(jù)及Nobel Zygoma(Nobel Biocare，瑞典)45 mm穿顴植體數(shù)據(jù)。基臺(tái)設(shè)計(jì)模擬基臺(tái)高度為4 mm、穿齦高度為3 mm的直基臺(tái)及基臺(tái)高度4 mm、穿齦高度4.5 mm的30°及45°復(fù)合基臺(tái)。種植體螺紋及基臺(tái)螺絲處螺紋均做簡(jiǎn)化處理。所有種植體、基臺(tái)數(shù)據(jù)來(lái)源于廠家提供的參數(shù)。鈦支架設(shè)計(jì)高度6 mm，寬度6 mm，弧度與上頜骨保持一致，咬合面恢復(fù)到雙側(cè)第一磨牙[17]。根據(jù)種植體、基臺(tái)及鈦支架的參數(shù)，在Solidworks 2017中建立種植體、基臺(tái)及鈦支架模型。

1.3.4 種植位點(diǎn)設(shè)計(jì) All-on-4組由前牙區(qū)2顆標(biāo)準(zhǔn)植體與后牙區(qū)2顆傾斜植體組成：前牙區(qū)種植位點(diǎn)為2號(hào)位點(diǎn)，即側(cè)切牙位點(diǎn)；后牙區(qū)傾斜植體穿出位點(diǎn)為5號(hào)位點(diǎn)，即第二前磨牙位點(diǎn)，植體向近中傾斜30°[18-19]。穿顴種植組由前牙區(qū)2顆標(biāo)準(zhǔn)植體與后牙區(qū)2顆穿顴植體組成：前牙區(qū)種植位點(diǎn)為2號(hào)位點(diǎn)；后牙區(qū)穿顴植體穿出位點(diǎn)為5號(hào)位點(diǎn)，植體向遠(yuǎn)中傾斜45°[20]。由于鈦支架模型牙合面恢復(fù)至雙側(cè)第一磨牙，且All-on-4組與穿顴種植組最遠(yuǎn)端植體穿出位點(diǎn)均為第二前磨牙，因此本實(shí)驗(yàn)中懸臂長(zhǎng)度均參考第一磨牙的近遠(yuǎn)中長(zhǎng)度，即10 mm[21]。

1.3.5 模型的裝配 將以上所得的4個(gè)皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、種植體、上頜竇、基臺(tái)、鈦支架模型分別以IGES格式導(dǎo)入Solidworks 2017中，在4種厚度皮質(zhì)骨上進(jìn)行2種種植設(shè)計(jì)，再將每個(gè)部件分別導(dǎo)入有限元分析軟件Abaqus 2019中，對(duì)皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、上頜竇、種植體、基臺(tái)、鈦支架分別進(jìn)行布爾運(yùn)算，完成裝配，共形成8個(gè)完整的上頜無(wú)牙頜種植的實(shí)體模型，模型見(jiàn)圖1。

A：All-on-4組；B：穿顴種植組

1.3.6 材料屬性設(shè)定 假設(shè)骨組織與種植體之間是完全的骨結(jié)合，所有材料屬性為線性彈性，均質(zhì)和各向同性。材料的彈性模量和泊松比值見(jiàn)表1[22]。

表1 模型中各材料參數(shù)

1.3.7 網(wǎng)格劃分 分別對(duì)鈦支架、皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、上頜竇、種植體、基臺(tái)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為兼顧計(jì)算效率和精度，其中鈦支架、不與種植體直接接觸的松質(zhì)骨和皮質(zhì)骨網(wǎng)格大小分別為1.0 mm×1.0 mm，0.8 mm×0.8 mm，研究的關(guān)鍵區(qū)域有種植體、基臺(tái)、與種植體直接接觸的松質(zhì)骨、皮質(zhì)骨，其網(wǎng)格大小為0.3 mm×0.3 mm，網(wǎng)格劃分為四面體單元，見(jiàn)圖2。

A：All-on-4組；B：穿顴種植組

1.3.8 約束及加載條件 為了保持模型在加載過(guò)程中的穩(wěn)定，在上頜雙側(cè)顴弓、上頜后部進(jìn)行3個(gè)自由度上的約束。加載方式：雙側(cè)后牙區(qū)垂直加載200 N[23]。

1.3.9 有限元結(jié)果計(jì)算分析 利用有限元分析軟件Abaqus 2019對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算，以彩色應(yīng)力云圖的方式輸出種植體、皮質(zhì)骨應(yīng)力分布情況及鈦支架變形分布情況。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

應(yīng)用SPSS 23.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。數(shù)據(jù)已經(jīng)過(guò)正態(tài)分布及方差齊性的檢驗(yàn)，等效應(yīng)力大小及變形量大小用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，采用t檢驗(yàn)比較各組計(jì)算值之間的差異，P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié) 果

2.1 All-on-4與穿顴種植模型的彩色應(yīng)力云圖

兩組種植設(shè)計(jì)中種植體、皮質(zhì)骨的等效應(yīng)力及鈦支架變形的部分彩色云圖見(jiàn)圖3、4。由圖可知，在兩種種植設(shè)計(jì)中，應(yīng)力集中均分布在最遠(yuǎn)端植體的頸部，前部植體的應(yīng)力集中明顯較小，鈦支架變形的最大處位于懸臂處。

A：All-on-4組；B：穿顴種植組

2.2 皮質(zhì)骨厚度對(duì)兩種種植設(shè)計(jì)的種植體、皮質(zhì)骨應(yīng)力分布及鈦支架變形的影響

種植體、皮質(zhì)骨的等效應(yīng)力值及鈦支架的變形量具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。在All-on-4組將4個(gè)不同皮質(zhì)骨厚度的模型數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，當(dāng)皮質(zhì)骨厚度增大，種植體、皮質(zhì)骨的等效應(yīng)力降低。當(dāng)皮質(zhì)骨厚度為0.5 mm時(shí)，模型中種植體、皮質(zhì)骨的等效應(yīng)力均最大，并明顯高于其他組。當(dāng)皮質(zhì)骨厚度為 1.5 mm時(shí)，等效應(yīng)力和變形量均明顯減小，并已達(dá)到一個(gè)較低的水平，與皮質(zhì)骨厚度為2.0 mm時(shí)相比各數(shù)據(jù)差距較小。將皮質(zhì)骨厚度為0.5 mm的數(shù)據(jù)與2.0 mm相比，5號(hào)位點(diǎn)植體、皮質(zhì)骨的等效應(yīng)力減小最顯著，分別為66.2%和68.2%，鈦支架變形量降低了17.8%。在穿顴種植組將4個(gè)不同皮質(zhì)骨厚度的模型數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，當(dāng)皮質(zhì)骨厚度增大，種植體、皮質(zhì)骨的等效應(yīng)力有所降低，但數(shù)據(jù)差距并不明顯。當(dāng)皮質(zhì)骨厚度為0.5 mm時(shí)，模型中種植體、皮質(zhì)骨的等效應(yīng)力均最大，將皮質(zhì)骨厚度為0.5 mm的數(shù)據(jù)與2.0 mm相比，5號(hào)位點(diǎn)皮質(zhì)骨等效應(yīng)力下降35.9%，而5號(hào)位點(diǎn)植體等效應(yīng)力只下降了8.0%，鈦支架變形量降低了16.3%。

A：All-on-4組；B：穿顴種植組

表2 種植體、皮質(zhì)骨的等效應(yīng)力和鈦支架變形

2.3 不同種植設(shè)計(jì)間種植體、皮質(zhì)骨應(yīng)力值及鈦支架變形的比較

本實(shí)驗(yàn)中每種種植設(shè)計(jì)各有4個(gè)模型，利用SPSS 23.0軟件對(duì)兩種種植設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，結(jié)果見(jiàn)表2。All-on-4組的種植體、皮質(zhì)骨等效應(yīng)力及鈦支架變形量均大于穿顴種植組，且2號(hào)位點(diǎn)植體、皮質(zhì)骨及鈦支架變形量之間的差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。

3 討 論

在種植修復(fù)中，并發(fā)癥包括生物并發(fā)癥和機(jī)械并發(fā)癥。其中機(jī)械并發(fā)癥包括修復(fù)部件的磨損、松動(dòng)、變形、折裂等[24]。在無(wú)牙頜的種植修復(fù)中，發(fā)生機(jī)械并發(fā)癥的比例大約為8.33%[13]，說(shuō)明在種植修復(fù)的研究領(lǐng)域中，生物力學(xué)研究是不可或缺的存在，其中有限元分析是目前在口腔修復(fù)學(xué)中應(yīng)用較為廣泛的生物力學(xué)研究方法之一[25]，該方法通過(guò)實(shí)體建模及工況模擬對(duì)各模型進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變、變形量等方面的研究[26-27]。種植體周圍的應(yīng)力集中會(huì)導(dǎo)致邊緣骨吸收從而造成種植失敗[28]，而種植上部修復(fù)體的變形、折裂則與受力后材料的變形疲勞有關(guān)，當(dāng)上部修復(fù)體受到的咬合力超出彈性形變的極限，將會(huì)發(fā)生永久變形甚至斷裂[29-30]。目前在種植相關(guān)的有限元研究中對(duì)鈦支架變形的分析較少，在本實(shí)驗(yàn)對(duì)鈦支架變形的研究結(jié)果顯示，所有模型的鈦支架的形變最大處均位于最遠(yuǎn)端懸臂處。有臨床研究發(fā)現(xiàn)，上部修復(fù)體斷裂的地方一般是在遠(yuǎn)中懸臂處[31-32]，本實(shí)驗(yàn)從生物力學(xué)的角度解釋遠(yuǎn)端懸臂易發(fā)生折斷的原因。

以往的研究顯示，皮質(zhì)骨厚度對(duì)種植修復(fù)的初期穩(wěn)定性及長(zhǎng)期穩(wěn)定性均有著不可忽視的影響[33-35]。Ko等[36]對(duì)305個(gè)上頜種植位點(diǎn)的皮質(zhì)骨厚度進(jìn)行測(cè)量及統(tǒng)計(jì)，種植區(qū)上頜皮質(zhì)骨的最小厚度為0.12 mm，最大厚度為1.98 mm。因此本實(shí)驗(yàn)對(duì)上頜皮質(zhì)骨厚度設(shè)定了0.5、1.0、1.5、2.0 mm，以考慮臨床上不同的患者頜骨條件。

Okumura等[37]、Sugiura等[38]對(duì)單顆種植體進(jìn)行有限元研究，發(fā)現(xiàn)種植體頸部周圍應(yīng)力分布隨著皮質(zhì)骨厚度的增加而降低。本實(shí)驗(yàn)的兩種種植設(shè)計(jì)中，種植體、皮質(zhì)骨應(yīng)力分布均隨著皮質(zhì)骨厚度的增加而減小，這與以上研究結(jié)果相類似。與其研究對(duì)象均是單顆植體不同，本研究對(duì)象是種植整體式修復(fù)，但皮質(zhì)骨厚度均能改善種植體周圍的應(yīng)力分布。Yal?in等[39]和Sevimay等[40]研究了1.0 mm與2.0 mm厚度皮質(zhì)骨下種植體周圍組織的等效應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)當(dāng)皮質(zhì)骨厚度約為2.0 mm時(shí)種植體周圍的等效應(yīng)力明顯較小。根據(jù)作者的研究結(jié)果，在All-on-4組中，皮質(zhì)骨厚度為1.5 mm是一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，當(dāng)皮質(zhì)骨厚度為0.5 mm和1.0mm時(shí)，各數(shù)據(jù)明顯較大，但當(dāng)皮質(zhì)骨厚度為1.5 mm和2.0 mm時(shí)，各數(shù)據(jù)明顯較小。相較于其他實(shí)驗(yàn)，本實(shí)驗(yàn)研究了4種厚度的皮質(zhì)骨的影響，并發(fā)現(xiàn)當(dāng)皮質(zhì)骨厚度達(dá)到1.5 mm及其以上時(shí)，種植體及皮質(zhì)骨的應(yīng)力分布及鈦支架的變形量明顯降低，整體數(shù)據(jù)已趨于合理。而本實(shí)驗(yàn)的穿顴種植組中，牙槽嵴頂處的皮質(zhì)骨厚度雖然有所影響，但影響較小，這可能與穿顴植體所穿過(guò)的皮質(zhì)骨層次有關(guān)，標(biāo)準(zhǔn)植體一般只利用了1～2層皮質(zhì)骨，而穿顴植體則利用了3～4層皮質(zhì)骨，其中包括了顴骨，并且顴骨是由致密的皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨構(gòu)成[41]。Ujigawa等[42]對(duì)穿顴種植進(jìn)行了有限元研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)種植體受力時(shí)應(yīng)力主要通過(guò)顴骨進(jìn)行傳遞。本研究發(fā)現(xiàn)，隨著牙槽嵴頂處皮質(zhì)骨厚度的增加，種植體、皮質(zhì)骨的應(yīng)力分布及鈦支架的變形量變化較小。這進(jìn)一步證明了穿顴種植的穩(wěn)定性與除牙槽嵴頂皮質(zhì)骨以外的骨結(jié)構(gòu)關(guān)系較為密切。Freedman等[43]通過(guò)有限元分析比較了穿顴種植有牙槽骨支持的模型和沒(méi)有牙槽骨支持的模型，研究發(fā)現(xiàn)牙槽嵴頂處的皮質(zhì)骨對(duì)減小穿顴種植的應(yīng)力分布是有幫助的，本實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)皮質(zhì)骨厚度增加時(shí)，種植體、皮質(zhì)骨的應(yīng)力分布確實(shí)會(huì)減小，說(shuō)明在穿顴種植中，盡管牙槽嵴處皮質(zhì)骨厚度影響較小，但其厚度的增加是有利于減小種植體及皮質(zhì)骨的應(yīng)力集中。

All-on-4最早由Maló等[44]提出，這是一種針對(duì)頜骨嚴(yán)重萎縮的無(wú)牙頜進(jìn)行的種植固定義齒修復(fù)方式，盡管它在下頜骨中得到了廣泛的應(yīng)用，但該方法在上頜骨中尚不能得到充分評(píng)估。由于與下頜骨相比，上頜骨的骨小梁疏松，骨密度偏低，因此更不利于種植[45-46]。穿顴種植最初是被用于上頜骨大面積缺損的外傷患者或腫瘤術(shù)后患者等，隨后也被用于上頜牙槽嵴嚴(yán)重吸收的患者，但是穿顴種植由于涉及的解剖結(jié)構(gòu)較多，手術(shù)并發(fā)癥和難度也會(huì)明顯上升[47]。本實(shí)驗(yàn)從生物力學(xué)角度對(duì)比All-on-4與穿顴種植這兩種種植設(shè)計(jì)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，穿顴種植組中種植體、皮質(zhì)骨的應(yīng)力分布與鈦支架的變形量均小于All-on-4組，并且種植體、皮質(zhì)骨的應(yīng)力分布和鈦支架變形量的差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，研究者從生物力學(xué)的角度證明穿顴種植的應(yīng)用比All-on-4更好。

結(jié)合皮質(zhì)骨厚度的變化進(jìn)行兩種種植設(shè)計(jì)的比較，研究者發(fā)現(xiàn)當(dāng)皮質(zhì)骨越薄時(shí)，穿顴種植組的應(yīng)力分布和變形與All-on-4組的差距越大，此時(shí)由于All-on-4的整體表現(xiàn)均較差，研究者并不建議行All-on-4修復(fù)，穿顴種植是更為合適的選擇；當(dāng)皮質(zhì)骨厚度達(dá)到1.5 mm及其以上時(shí)，雖然穿顴種植組中的數(shù)據(jù)表現(xiàn)較All-on-4組好，但All-on-4組中各數(shù)據(jù)已明顯降低，整體分布趨于合理，此時(shí)，也可以考慮選擇All-on-4進(jìn)行修復(fù)。

在本實(shí)驗(yàn)所進(jìn)行的生物力學(xué)研究的基礎(chǔ)上，研究者認(rèn)為在上頜后牙區(qū)垂直骨量不足時(shí)，較厚的皮質(zhì)骨有利于種植修復(fù)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，并且皮質(zhì)骨厚度還會(huì)影響種植方案的選擇，由于All-on-4和穿顴種植的應(yīng)用均有利弊，此時(shí)，在臨床上，我們可以結(jié)合患者的頜骨情況和身體狀況、醫(yī)生的技術(shù)水平、患者的種植意愿等對(duì)其提供較優(yōu)的選擇?；诒狙芯康木窒扌裕芯空叩膶?shí)驗(yàn)結(jié)果并不能完全代表真實(shí)的臨床情況，但是可為臨床醫(yī)師術(shù)前設(shè)計(jì)一個(gè)符合生物力學(xué)原則、并有利于維持遠(yuǎn)期療效的種植方案提供重要參考。