粘接固定義齒的三維有限元研究進(jìn)展

唐 萌 段春紅

隨著材料學(xué)、粘接技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，口腔修復(fù)技術(shù)飛速發(fā)展，微創(chuàng)修復(fù)理念也逐漸被重視，粘接固定義齒（Resin-Bond Fixed Partail Denture，RBFPD）作為一種微創(chuàng)、美觀且簡便舒適的個別牙缺失的固定修復(fù)方式，越來越被醫(yī)患所認(rèn)可。三維有限元分析法是一種可靠的生物力學(xué)研究方法，目前已廣泛應(yīng)用于口腔力學(xué)的研究中［1］，其在RBFPD中的應(yīng)用，可以幫助我們了解修復(fù)體及基牙的應(yīng)力應(yīng)變特點(diǎn)，分析不同制作材料、固位體、粘接劑和基牙等對修復(fù)效果的影響，現(xiàn)就RBFPD的三維有限元研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1.RBFPD制作材料的三維有限元研究

RBFPD可由金屬、陶瓷或復(fù)合樹脂等材料制成，有限元結(jié)果顯示，不同制作材料的RBFPD由于力學(xué)性能不同，修復(fù)體內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變情況也不同，修復(fù)效果也存在差異。

Tribst J［2］等對氧化鋯、金屬、二硅酸鋰玻璃陶瓷以及復(fù)合樹脂四種材料RBFPD的有限元分析表明：四種材料制成的RBFPD高應(yīng)力區(qū)均位于連接體處；修復(fù)體彈性模量與粘接劑所受應(yīng)力成反比，柔韌的復(fù)合樹脂受力后位移量大，有利于應(yīng)力的傳導(dǎo)，而堅硬的氧化鋯則表現(xiàn)出高應(yīng)力集中現(xiàn)象。隨著材料學(xué)的發(fā)展，近年來纖維增強(qiáng)復(fù)合樹脂材料因美觀、微創(chuàng)及動態(tài)等優(yōu)點(diǎn)逐漸被醫(yī)患認(rèn)可［3］，Ilgi B［4］等通過體外斷裂強(qiáng)度試驗(yàn)及有限元分析，比較了以上頜側(cè)切牙及尖牙為基牙的三單元鈷鉻合金和纖維增強(qiáng)復(fù)合樹脂兩種RBFPD，結(jié)果顯示：兩者的應(yīng)力集中區(qū)也位于連接體處；鈷鉻合金雖然體外斷裂強(qiáng)度大于纖維增強(qiáng)復(fù)合樹脂（637.47±151.91N；224.86±80.97 N），但其橋體腭側(cè)切緣施力點(diǎn)應(yīng)力集中，且發(fā)生了基牙折裂，而纖維增強(qiáng)材料彈性模量小，應(yīng)力小且分布均勻，未出現(xiàn)基牙折裂。Keulemans F［5］等通過研究everStick直接纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、間接纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、金合金、二硅酸鋰玻璃陶瓷和氧化鋯五種材料RBFPD的生物力學(xué)行為，也發(fā)現(xiàn)了連接體處的應(yīng)力集中，但有纖維增強(qiáng)者能顯著分散應(yīng)力，且兩種增強(qiáng)纖維相比，everStick材料的應(yīng)力最小，表現(xiàn)最佳。此外，幾項(xiàng)有關(guān)everStick的材料學(xué)研究［6-8］也發(fā)現(xiàn)了它的力學(xué)性能優(yōu)勢，即具有牢固的化學(xué)結(jié)合，抗撓曲強(qiáng)度高，材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的微裂機(jī)制可以模擬牙周膜實(shí)現(xiàn)應(yīng)力中斷，具有明顯的牙周保護(hù)作用。

根據(jù)以上研究結(jié)果，RBFPD的應(yīng)力集中區(qū)多位于連接體處，因此，為防止這一區(qū)域發(fā)生斷裂，設(shè)計中可適當(dāng)增加該區(qū)的強(qiáng)度；全瓷及金屬等材料雖然堅固耐磨，但應(yīng)力易集中，可能發(fā)生基牙的折裂；纖維增強(qiáng)復(fù)合樹脂能夠有效分散應(yīng)力，防止修復(fù)體折裂并保護(hù)基牙，尤以everStick材料表現(xiàn)最佳。

2.RBFPD固位體的三維有限元研究

固位體是橋體與基牙的連接部分，其設(shè)計應(yīng)可防止修復(fù)體的扭轉(zhuǎn)和翹動。固位體的數(shù)目、形狀及面積決定RBFPD的固位效果，三維有限元法可成功建立RBFPD各種復(fù)雜固位體的模型，提高生物力學(xué)分析的準(zhǔn)確性［9］。

2.1 固位體的數(shù)目Ayana U［10］等通過對22缺失的三單元和分別以21、23為基牙的兩單元懸臂氧化鋯RBFPD的有限元分析發(fā)現(xiàn)：固位體的數(shù)目不同，固位力不同，三單元修復(fù)體的最大主應(yīng)變及粘接層的剪切應(yīng)力均小于兩單元，且牙周保護(hù)作用更好；此外，固位體的面積也會影響固位力，在兩單元懸臂RBFPD中，由于21的粘接面積（103mm2）大于23(75mm2)，所以以21為基牙的RBFPD粘接層應(yīng)力小于以23為基牙者。然而，Toman M［11］采用最大Von Mises應(yīng)力值指標(biāo)，比較了上頜前牙三單元和兩單元懸臂RBFPD的應(yīng)力特點(diǎn)，卻得出相反的結(jié)論：盡管兩種RBFPD的最大Von Mises應(yīng)力值近似（1.13MPa和1.23MPa），但兩單元RBFPD能夠顯著分散固位體與橋體之間的應(yīng)力，降低二者之間的剪切力和扭力，使應(yīng)力分布更均勻。上述兩項(xiàng)研究結(jié)論不同的原因可能是采用了不同的力學(xué)指標(biāo)，Von Mises應(yīng)力反映RBFPD內(nèi)部不同點(diǎn)的綜合應(yīng)力值及應(yīng)力分布情況，而最大主應(yīng)力只反映某個單元中的最大應(yīng)力。此外，多項(xiàng)臨床研究也表明［12-14］，兩單元懸臂RBFPD的成功率高于三單元，可能由于在咀嚼運(yùn)動中，三單元RBFPD為兩個基牙，其不同的生理動度，可使連接體處扭力及剪切力增大，發(fā)生斷裂。

2.2 固位體的形狀 固位形不僅能夠有效減小基牙和修復(fù)體的應(yīng)力，降低義齒的脫落率，而且能夠減小牙周組織的應(yīng)力［15］。Lin Jie［16］等對三單元后牙鈷鉻合金RBFPD三種不同形狀（C形，D形和O形）及厚度（0.4mm、0.8mm和1.2mm）固位形的有限元分析顯示：基牙和橋體的Von Mises應(yīng)力隨著固位體厚度的增加而減小，但較厚度而言，固位體的形狀對應(yīng)力的影響更大；與C形相比，D形和O形能有效分散修復(fù)體的應(yīng)力并增加其固有頻率和剛度。陳枝沛［17］等則通過抗脫位力實(shí)驗(yàn)和有限元分析，比較了四組不同固位形（舌側(cè)翼板、D形、應(yīng)力中斷和支托固位）的RBFPD后得出：D形及支托固位形能夠有效分散垂直向和側(cè)向力并將其傳至基牙，且抗脫位力強(qiáng)；而舌側(cè)翼板固位形基牙與修復(fù)體的Von Mises應(yīng)力大且分布不均勻，抗脫位力差；應(yīng)力中斷型雖然Von Mises應(yīng)力最小且分布最均勻，但抗脫位力不足。根據(jù)上述結(jié)論，D形、O形及支托固位形因分散力及抗脫位效果好，適用于基牙健康且需要提高固位力的后牙RBFPD；應(yīng)力中斷形雖然可顯著減輕基牙的負(fù)荷，但抗脫位力不足，可在基牙牙周情況較差時酌情使用。

此外，在固位力不足的情況下，也可適當(dāng)增加輔助固位形［18-19］。Han J Y［20］等在RBFPD雙翼板固位的基礎(chǔ)上對釘和溝槽兩種輔助固位形進(jìn)行有限元分析，結(jié)果表明：水平咬合力對修復(fù)體粘接層的破壞遠(yuǎn)大于垂直咬合力，而輔助固位形則能夠有效降低水平載荷下粘接層的應(yīng)力，提高RBFPD的承載能力。

總之，有限元研究結(jié)果顯示，固位體的形狀、數(shù)目和面積與修復(fù)效果密切相關(guān)，在臨床工作中，固位體的設(shè)計應(yīng)綜合考慮美觀、固位、缺牙數(shù)目及基牙牙周狀況等。前牙修復(fù)應(yīng)以美觀微創(chuàng)的翼板式固位為主，但以側(cè)切牙為基牙者，因釉質(zhì)面積小，應(yīng)適當(dāng)增加輔助固位形；對于后牙，應(yīng)盡量選擇固位效果好的卡抱式及雙端固位體，如遇側(cè)向力較大者，可適當(dāng)增加輔助固位形；此外，固位體的形狀和數(shù)目決定固位面積，在增加面積的同時需綜合考慮固位體的類型，與單端固位體相比，雙端固位體雖然增加了面積，但同時也可能出現(xiàn)扭力增大的不利因素。

3.RBFPD粘接劑的三維有限元研究

粘接劑是連接修復(fù)體與基牙間的薄層材料，是決定二者穩(wěn)固結(jié)合、提高RBFPD生存率的關(guān)鍵［21］，三維有限元法能夠設(shè)計不同厚度的粘接層并分析其應(yīng)力變化情況。

孫陽［22］利用有限元比較了Super-Bond C&B(SB)、Panavia Fluoro(PV）和RelyX Ultimate三種不同楊氏模量的粘接劑后發(fā)現(xiàn)：當(dāng)加載角度相同時，Von Mises值與粘接劑的楊氏模量呈正相關(guān)，RBFPD各部位的Von Mises應(yīng)力在SB時表現(xiàn)最小，RelyX Ultimate時最大。他認(rèn)為，這是由于RelyX Ultimate的楊氏模量大，與牙釉質(zhì)及玻璃纖維接近而不利于應(yīng)力的傳遞，導(dǎo)致粘接層內(nèi)部應(yīng)力增加。關(guān)于粘接劑與修復(fù)材料之間楊氏模量差異對RBFPD應(yīng)力分布的影響，Daiichiro Y［23］等分析了SB和PV兩種粘接劑與纖維增強(qiáng)復(fù)合樹脂RBFPD最大主應(yīng)力之間的關(guān)系后顯示：由于PV為復(fù)合樹脂基，與修復(fù)材料楊氏模量接近，而SB為PMMA基樹脂，彈性模量低，因此SB有利于將應(yīng)力分散至修復(fù)體和基牙，減小粘接層的應(yīng)力，而PV則不利于粘接層應(yīng)力的分散。另有研究［24］比較了7組不同大小彈性模量樹脂粘接劑對二硅酸鋰玻璃陶瓷RBFPD的應(yīng)力影響后也得出相同的結(jié)論：即粘接層的應(yīng)力大小與粘接材料的彈性模量成正相關(guān)。

關(guān)于樹脂粘接劑對長石陶瓷修復(fù)體應(yīng)力分布的影響，Spazzin A O等［25］利用力學(xué)實(shí)驗(yàn)測試了不同彈性模量的樹脂粘接劑對長石陶瓷強(qiáng)化及失效模式的影響，同時進(jìn)行了有限元分析，結(jié)果顯示：樹脂類粘接劑可填充長石質(zhì)陶瓷因酸蝕產(chǎn)生的細(xì)微孔隙，使其與陶瓷接觸更緊密，對長石陶瓷的強(qiáng)化及粘接結(jié)構(gòu)均有著積極的影響，有限元結(jié)果也表明：高彈性模量的粘接劑，雖然會增加粘接層內(nèi)的應(yīng)力，但可降低到達(dá)長石質(zhì)陶瓷的應(yīng)力，有利于陶瓷的強(qiáng)化。

此外，粘接材料的厚度也會對粘接效果產(chǎn)生一定影響，但厚度在100μm-200μm時，粘接劑的斷裂強(qiáng)度無明顯差異［26］，且在部分有限元研究中，由于粘接劑的彈性模量和牙本質(zhì)近似且粘接層過薄使建模時工作量加倍，所以將二者合并建模，從而忽略了粘接劑對應(yīng)力的影響。

多項(xiàng)臨床研究證實(shí)［27-29］，脫落是RBFPD修復(fù)失敗的主要方式之一，其原因與粘接劑的選擇有關(guān)，有限元研究也表明，粘接劑的彈性模量與粘接層、修復(fù)體以及基牙的應(yīng)力分布密切相關(guān)，粘接劑的彈性模量越大，粘接層內(nèi)部的應(yīng)力越大，傳遞給修復(fù)體的應(yīng)力越小，越易發(fā)生修復(fù)體的脫落；反之，粘接劑的彈性模量越小，傳遞給修復(fù)體的應(yīng)力越大，越易發(fā)生修復(fù)體的折裂。因此，臨床在選擇粘接劑時，需兼顧其理化性能，并參考修復(fù)材料的彈性模量，預(yù)防修復(fù)體的脫落和折裂。

4.三維有限元法在RBFPD研究中的應(yīng)用展望

三維有限元分析法是研究RBFPD生物力學(xué)行為的可靠方法，它可以幫助我們了解修復(fù)體及基牙的應(yīng)力分布特點(diǎn)，模擬分析RBFPD的修復(fù)效果，但該方法也存在一些局限性：（1）有限元模型大多趨于理想化，載荷多為集中、靜態(tài)，而RBFPD行使功能時是一個復(fù)雜的動態(tài)咬合過程；（2）RBFPD各基牙動度并不完全相同，且口腔環(huán)境對粘接劑也有影響，有限元模型無法完全模擬；（3）研究軟件復(fù)雜多樣，專業(yè)性強(qiáng)，不易掌握，牙體組織力學(xué)性能的測定方法尚存在爭議［30］，因此，三維有限元的研究結(jié)果尚不能完全等同于RBFPD修復(fù)的實(shí)際情況，進(jìn)一步的研究則應(yīng)關(guān)注動態(tài)載荷的施加、口腔環(huán)境對粘接劑的影響以及牙周組織的生物力學(xué)行為等。相信隨著計算機(jī)技術(shù)和口腔醫(yī)學(xué)的發(fā)展，有限元分析也將得以改進(jìn)，可望為臨床工作提供更加科學(xué)精準(zhǔn)的生物力學(xué)數(shù)據(jù)。