三維有限元分析在牙周夾板研究中的應(yīng)用

那穎旭 段春紅

三維有限元分析法是生物力學(xué)研究中的重要手段之一，目前已廣泛應(yīng)用于口腔領(lǐng)域，該方法因具有強(qiáng)大的建模功能和接口工具，可逼真地建立三維口腔組織結(jié)構(gòu)的模型，并對(duì)每種組織的屬性賦值，進(jìn)而研究在不同修復(fù)材料、不同加載條件下牙體及牙周組織的應(yīng)力分布特點(diǎn)，為臨床治療提供生物力學(xué)參考[1,2]。

牙周夾板是固定松動(dòng)牙齒的有效方法，它可將松動(dòng)牙齒與穩(wěn)固健康的鄰牙連接成一個(gè)單位，實(shí)現(xiàn)力的重新分配，減輕對(duì)牙周組織的損傷[3]。三維有限元法可將牙體、牙周組織及牙周夾板等進(jìn)行三維重建，并模擬牙周炎的臨床現(xiàn)象及牙周夾板的固定方法，探究牙周組織的生物力學(xué)特性，是分析牙周夾板治療效果較為可靠的體外研究方法。現(xiàn)就三維有限元法在不同類型、不同材料以及不同牙周狀態(tài)下牙周夾板中的應(yīng)用及研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1.三維有限元法在暫時(shí)性牙周夾板研究中的應(yīng)用

暫時(shí)性牙周夾板是用不同類型的材料將患牙與健康鄰牙固定的一種方法，根據(jù)材料可分為不銹鋼絲夾板、纖維加強(qiáng)復(fù)合樹(shù)脂夾板，樹(shù)脂類夾板及可摘式夾板[4]。

1.1 三維有限元法在不銹鋼絲夾板中的應(yīng)用不銹鋼絲是較早應(yīng)用于臨床的夾板材料，多與樹(shù)脂聯(lián)合應(yīng)用，是一種有效的固定材料。Geramy.A[5]對(duì)不銹鋼絲+復(fù)合樹(shù)脂固定前牙三維有限元分析顯示，牙槽骨的狀態(tài)和咬合力的大小是影響牙周夾板療效的重要因素。對(duì)于前牙的垂直吸收和多個(gè)牙牙槽骨水平吸收的情況，夾板的使用意義不大；而對(duì)于較少的牙槽骨吸收，咬合力大小成為了影響夾板療效的主要因素，較小的咬合力是金屬夾板的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)。提示使用夾板時(shí)，必須評(píng)估患者的牙周狀況，對(duì)于骨缺損較大者，夾板的使用會(huì)影響其余患牙，應(yīng)慎用金屬絲+復(fù)合樹(shù)脂夾板；對(duì)于有牙合創(chuàng)傷的患者，應(yīng)該及早給予調(diào)牙合，必要時(shí)行正畸治療，使患牙的咬合力降到最低。

1.2 三維有限元法在纖維加強(qiáng)復(fù)合樹(shù)脂夾板中的應(yīng)用 纖維材料因其超高的彈性，可更好地與牙面貼合，增加患者的舒適度等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于臨床[6]。Amid R[7]對(duì)用纖維加強(qiáng)復(fù)合樹(shù)脂夾板固定的下前牙模型進(jìn)行有限元分析，結(jié)果顯示纖維夾板的使用降低了中切牙的應(yīng)力，增加了尖牙的應(yīng)力，可有效的分散牙合力，這是彈力纖維的優(yōu)勢(shì)；但該固定方法也存在限制條件，使用彈性纖維必須保證尖牙有足夠的骨支撐，可最大限度的降低牙周膜及牙槽骨的應(yīng)力，延長(zhǎng)牙齒的使用壽命；該實(shí)驗(yàn)還證實(shí)牙周膜雖然結(jié)構(gòu)小，但它的低彈性模量會(huì)吸收部分應(yīng)力。因此在有限元建模時(shí)必須體現(xiàn)牙周膜的結(jié)構(gòu)，方可更好的模擬臨床操作，確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性[8]。

不同材料的夾板，因其力學(xué)性能不同其適應(yīng)癥也不盡相同。學(xué)者們[9,10]對(duì)不同程度牙槽骨吸收的下前牙，分別使用不銹鋼絲、強(qiáng)力纖維和復(fù)合樹(shù)脂三種材料固定，三維有限元分析結(jié)果顯示：三種夾板均能降低牙周膜的應(yīng)力并轉(zhuǎn)移載荷，牙槽骨吸收小于40%時(shí)，不銹鋼絲夾板因剛度顯著高于其余兩種夾板，可吸收更多的應(yīng)力使牙齒的受力降低，應(yīng)力分布也優(yōu)于其他兩種材料；當(dāng)牙槽骨吸收超過(guò)40%時(shí)，使用不銹鋼絲夾板后，尖牙所承受的負(fù)荷過(guò)大，可造成尖牙的繼發(fā)性損傷，應(yīng)用彈性模量低的纖維夾板或復(fù)合樹(shù)脂是較好的選擇。

暫時(shí)性牙周夾板的療效不僅受材料的影響，也與存留牙槽骨高度、骨缺損的類型及牙齒松動(dòng)度密切相關(guān)。多項(xiàng)有限元研究表明，牙周膜等效應(yīng)力隨牙槽骨破壞程度的增加而增大[11,12]。鄭立娟等[13]探討了不同牙周狀況下，纖維加強(qiáng)復(fù)合樹(shù)脂夾板固定下前牙前后的應(yīng)力分布特點(diǎn)，結(jié)果顯示，牙槽骨吸收根長(zhǎng)的1/2 是應(yīng)力變化節(jié)點(diǎn)，吸收超過(guò)根長(zhǎng)1/2患牙應(yīng)力值急劇增大；使用牙周夾板后，可有效的分散力。此外，牙槽骨的吸收方式也會(huì)影響牙周夾板的力學(xué)特性，陳倩柔[14]的研究結(jié)果表明牙槽骨垂直吸收時(shí)，不銹鋼絲易產(chǎn)生彈性形變，在軸向外力下鋼絲會(huì)吸收部分應(yīng)力，使牙周組織的應(yīng)力減小；但加載45°側(cè)向力時(shí)，不銹鋼絲的彈性不足以抵抗牙齒的唇舌向動(dòng)度，百?gòu)?qiáng)纖維更有優(yōu)勢(shì)。根據(jù)上述研究，臨床上在進(jìn)行牙周固定時(shí)，應(yīng)根據(jù)患牙的牙周狀況決定使用夾板的種類及時(shí)機(jī)，以免造成不必要的損傷，對(duì)于牙槽骨吸收≥根長(zhǎng)的1/2、牙周組織緩沖能力顯著降低者，應(yīng)及時(shí)固定以分散咬合力；對(duì)于牙槽骨水平吸收者，可采用低彈性模量的固定材料；對(duì)于垂直吸收者，側(cè)向力對(duì)牙周組織的影響更大，高彈性的固定材料則是最佳選擇。

1.3 三維有限元法在樹(shù)脂類夾板中的應(yīng)用 近年來(lái),Super-bond C&B 粘接劑制作的牙周夾板因操作簡(jiǎn)便、美觀舒適，能與牙釉質(zhì)形成良好的機(jī)械結(jié)合，具備良好的剛性和密合性,也廣泛應(yīng)用于臨床[15]。丁成水[16]比較了百?gòu)?qiáng)纖維和Super-bond C&B 兩種材料固定不同松動(dòng)度下前牙的應(yīng)力分布特點(diǎn)后發(fā)現(xiàn)，隨著松動(dòng)度的增加，松動(dòng)牙所受的最大應(yīng)力呈線性增加，兩種夾板固定下的每個(gè)牙齒的位移云圖效果相似，但Super-bond C&B 夾板固定下的位移云圖顏色過(guò)度更自然，受力更分散，故Super-bond C&B 夾板更占優(yōu)勢(shì)。李丹等[17]的臨床研究卻發(fā)現(xiàn)，和彈性纖維相比，Super-bond C&B更易發(fā)生斷裂，原因可能為粘接劑與牙面之間的應(yīng)力集中和對(duì)側(cè)向力的抵抗較差，由此看來(lái)，控制和分散咬合力仍為保證夾板存留率的重要因素。

everStick 是一種新型的高強(qiáng)度、高硬度及耐腐蝕復(fù)合樹(shù)脂纖維材料，因其結(jié)構(gòu)輕薄、外形美觀、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)已被廣泛應(yīng)用于牙周夾板，種植牙的過(guò)渡性義齒以及小間隙的修復(fù)等。陳敏[18]對(duì)everStick PERIO 牙周夾板的有限元研究顯示，牙周炎患牙受力后唇側(cè)頸部存在明顯的應(yīng)力集中區(qū)，使用夾板后應(yīng)力從牙頸部轉(zhuǎn)移到根尖區(qū)并逐漸降低，應(yīng)力分布更均勻，減輕了患牙的負(fù)擔(dān)，是一種較好的夾板材料，這與多數(shù)臨床研究結(jié)果[19,20]相一致。everStick 芬力粘接橋是基于馬里蘭橋的新一代微創(chuàng)粘接橋，常用于因牙周炎造成牙齒缺失的修復(fù)，同時(shí)具有牙周夾板的作用。有學(xué)者[21,22]通過(guò)比較纖維增強(qiáng)復(fù)合樹(shù)脂、金屬材料作為粘接橋的生物力學(xué)特點(diǎn)，表明纖維增強(qiáng)復(fù)合樹(shù)脂制作的粘接橋更能減少應(yīng)力集中，防止橋體斷裂。但目前尚無(wú)對(duì)everStick C&B 作為牙周夾板的三維有限元研究，仍需對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行進(jìn)一步探討。

2.三維有限元法在永久性牙周夾板研究中的應(yīng)用

永久性牙周夾板是修復(fù)缺失牙并固定松動(dòng)牙的方法，主要分為固定式夾板、可摘式夾板和套筒冠式夾板三種，種植體參與的牙周夾板也得到了廣泛應(yīng)用。隨著三維有限元模型構(gòu)建技術(shù)的提升，已實(shí)現(xiàn)了永久性?shī)A板的整體模型構(gòu)建、力學(xué)分析、性能比較及定律驗(yàn)證，可以更好的指導(dǎo)臨床工作[23,24]。

2.1 三維有限元法在固定式夾板中的應(yīng)用 固定式夾板是一種常用的牙周夾板，具有體積小、固位好及可改善患牙松動(dòng)度等優(yōu)點(diǎn)。有研究[25]顯示牙周受損的基牙即使在較小的咬合力下，也會(huì)使牙周負(fù)荷增加；而固定夾板可以降低基牙的應(yīng)力,加之牙周膜的緩沖作用，可建立穩(wěn)定的咬合。張理紅[26]的結(jié)果顯示牙槽骨吸收1/3 的上頜前牙隨著聯(lián)冠跨度的增加，牙體及牙槽骨的應(yīng)力峰值降低，應(yīng)力分布也更均勻。Li[27]的有限元分析結(jié)果提示，對(duì)于單側(cè)末端游離缺失的患者，當(dāng)基牙的牙周組織吸收超過(guò)根長(zhǎng)的1/3 時(shí)，選擇三個(gè)基牙比兩個(gè)基牙更能減輕側(cè)向力對(duì)其的影響，但由于增加基牙的數(shù)量可使整個(gè)固定橋的支點(diǎn)前移，過(guò)大的負(fù)荷會(huì)使基牙受到不可逆的損害，因此中重度牙周炎的患牙應(yīng)慎選做基牙。

牙槽骨的破壞程度和牙齒松動(dòng)度也是固定式夾板設(shè)計(jì)中需要考慮的因素，劉建平[28]研究了基牙三側(cè)骨缺損對(duì)固定夾板的影響，結(jié)果顯示三側(cè)骨缺損的患牙較單側(cè)、雙側(cè)缺損應(yīng)力更為集中，且缺損程度越大，患牙所受的應(yīng)力越大，提示我們?cè)趯?duì)伴有骨缺損基牙的固定義齒設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮牙槽骨吸收的程度。張光建[29]對(duì)基牙Ⅰ°、Ⅱ°松動(dòng)時(shí)固定義齒作為牙周夾板的有限元分析顯示，多根基牙較單根基牙對(duì)牙周組織的損害小，因此臨床上在設(shè)計(jì)固定義齒夾板時(shí)，應(yīng)在牙周儲(chǔ)備力不足的單根基牙側(cè)，適當(dāng)增加基牙以維持牙周狀況的穩(wěn)定。

2.2 三維有限元法在可摘式夾板中的應(yīng)用 可摘式夾板便于摘戴清潔，有利于菌斑控制和牙周維護(hù)，也是修復(fù)牙列缺損固定松動(dòng)牙的簡(jiǎn)便方法。Geramy.A[30]對(duì)基牙牙周受損的可摘式夾板進(jìn)行生物力學(xué)分析顯示，可摘式夾板可以將應(yīng)力分散到根尖區(qū)，防止牙槽骨應(yīng)力的增加；隨著基牙牙槽骨的吸收，其臨床冠根比可接受的最大范圍為1.65～2，冠根比例越大對(duì)基牙的損傷越大。Sasaki H[31]對(duì)僅剩前牙區(qū)的雙側(cè)末端游離缺失的模型進(jìn)行有限元分析后認(rèn)為，牙槽骨吸收大于3mm 時(shí)，對(duì)于咬合力較大者，選擇6 個(gè)前牙做夾板與選擇2 個(gè)、4 個(gè)相比，更能減少基牙的扭轉(zhuǎn)力及側(cè)向力，有利于基牙牙周狀況的維護(hù)。因此，可摘式夾板雖然也具備分散咬合力，基牙受限小，適應(yīng)癥相對(duì)廣泛的優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)于重度牙周炎的患者，仍需通過(guò)增加基牙，增加牙周夾板的弧度，加大旋轉(zhuǎn)軸距基牙的距離，以對(duì)抗各向咬合力。

2.3 三維有限元法在套筒冠式夾板中的應(yīng)用圓錐型套筒冠義齒修復(fù)牙列缺損時(shí)，可通過(guò)外冠將牙合力傳遞給基牙，使基牙能夠?qū)箓?cè)向力，并對(duì)牙周組織產(chǎn)生生理性刺激，也具有牙周夾板的作用[32]。曲瑋瑋[33]對(duì)中度牙周炎患者用套筒冠式牙周夾板修復(fù)的三維有限元研究認(rèn)為，這類夾板可減小中度牙周炎患牙的咬合創(chuàng)傷，有利于牙周炎的長(zhǎng)期維護(hù)。李風(fēng)蘭[34]比較了金屬烤瓷聯(lián)冠和套筒冠兩種方法修復(fù)因牙周炎造成扇形移位的上前牙的修復(fù)效果，發(fā)現(xiàn)二者產(chǎn)生相似的應(yīng)力效果，而套筒冠式夾板不僅具有分散咬合力的作用，而且對(duì)于牙槽骨吸收較多者，能更好的保護(hù)基牙，因此對(duì)于牙槽骨吸收嚴(yán)重、松動(dòng)度大的患牙，套筒冠更有優(yōu)勢(shì)。

李德利[35]比較了牙列缺損狀態(tài)下，使用固定、可摘及套筒冠三種牙周夾板的生物力學(xué)特征后發(fā)現(xiàn)：固定夾板修復(fù)時(shí)，基牙應(yīng)力增加，尤以近缺隙側(cè)的基牙明顯；可摘式夾板修復(fù)時(shí)，應(yīng)力則沿大連接體傳向尖牙，使尖牙應(yīng)力顯著增大，且隨著牙槽骨的吸收，尖牙的應(yīng)力可能超過(guò)自身負(fù)荷。故從生物力學(xué)的角度而言，在設(shè)計(jì)固定式夾板時(shí)，對(duì)于牙槽骨吸收明顯的病例需增加基牙，以保護(hù)余留牙的健康，在設(shè)計(jì)可摘式夾板時(shí)則必須考慮尖牙的情況，必要時(shí)增加小連接體的數(shù)量，以分散咬合力；牙周條件相同的情況下，應(yīng)優(yōu)先考慮使用固定夾板或套筒冠夾板，但不能將生物力學(xué)理論作為臨床選擇的唯一依據(jù)，還需結(jié)合患者自身口腔狀況、費(fèi)用及預(yù)后等方面。

2.4 三維有限元法在種植體參與的牙周夾板中的應(yīng)用 種植體的廣泛應(yīng)用為缺失牙的修復(fù)提供了更多選擇，種植體參與的牙周夾板也成為慢性牙周炎松牙固定的一種方式，然而，對(duì)于種植體是否可以做為松牙固定的基牙是有爭(zhēng)議的。有學(xué)者指出[36]，種植體與天然牙的生物力學(xué)特征不同，天然牙具有生理動(dòng)度，而種植體的動(dòng)度較小，受力時(shí)可能會(huì)形成杠桿作用或產(chǎn)生扭矩，因此利用植體和天然牙聯(lián)合修復(fù)作為夾板的條件是受限的。

近年來(lái)，隨著種植技術(shù)的進(jìn)步種植體的適應(yīng)癥逐步擴(kuò)大，越來(lái)越多的學(xué)者提倡種植體-天然牙聯(lián)合修復(fù)的方式，認(rèn)為這種設(shè)計(jì)方式不僅可以固定松動(dòng)牙，增加牙列整體的負(fù)重能力，而且具有避免懸臂、減少治療費(fèi)用等優(yōu)點(diǎn)，為更多患者的治療提供可能。Toniollo MB[37]對(duì)種植牙與天然牙聯(lián)合夾板的有限元分析認(rèn)為，夾板的使用降低了骨應(yīng)力，比單一植體具有更好的穩(wěn)定性，為牙齒缺失并伴有牙周炎的種植夾板提供了理論基礎(chǔ)。Lin CL[38]對(duì)比分析了不同牙周狀況、夾板牙數(shù)量及載荷類型下種植體-天然牙固定義齒的生物力學(xué)規(guī)律認(rèn)為：影響修復(fù)體應(yīng)力分布的主要因素是載荷條件，過(guò)大的咬合力和側(cè)向力均會(huì)導(dǎo)致種植失??；冠根比為1∶1的患牙仍是連接種植體的有效基牙，但對(duì)于冠根比過(guò)度失調(diào)的患牙是否可以作為基牙還有待考量。因此，合理的修復(fù)設(shè)計(jì)是影響夾板成功與否的關(guān)鍵，基牙的牙周狀況、過(guò)大的載荷均會(huì)影響夾板的使用壽命，在臨床工作中，可通過(guò)縮短橋體的跨度，減少咬合接觸面積及降低牙尖斜度等方法，減少咬合力的影響，將失敗風(fēng)險(xiǎn)降到最低。

3.小結(jié)

無(wú)論是暫時(shí)性?shī)A板還是永久性?shī)A板，牙周狀況和咬合力是影響其固定效果的主要因素，在臨床工作中，我們應(yīng)全面評(píng)估患牙的條件，設(shè)計(jì)個(gè)性化的治療方案，盡量引導(dǎo)外力沿天然牙或種植體長(zhǎng)軸傳導(dǎo)，同時(shí)，需加強(qiáng)對(duì)患者的口腔衛(wèi)生宣教，提高其口腔保健意識(shí)，避免咀嚼堅(jiān)硬食物加重咬合創(chuàng)傷。

綜上所述，三維有限元分析法是研究牙周夾板生物力學(xué)的重要手段，可幫助我們了解牙周組織的應(yīng)力分布特點(diǎn)，檢驗(yàn)材料的機(jī)械性能，比較不同設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣，模擬分析牙周夾板的固定效果。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、材料力學(xué)及臨床治療學(xué)的發(fā)展，三維有限元分析法也將不斷改進(jìn)，可望為牙周夾板的應(yīng)用提供更加科學(xué)準(zhǔn)確的生物力學(xué)數(shù)據(jù)，更好地指導(dǎo)臨床工作。