不同嵌體材料修復(fù)右下頜第二前磨牙非齲性頸部缺損的生物力學(xué)性能比較

郭冬梅，謝莉莉，全 濤

（海南省人民醫(yī)院，?？?510102）

0 引言

下頜第二前磨牙有著較為復(fù)雜且特殊的解剖結(jié)構(gòu)，所承擔(dān)的咬合力較大，易出現(xiàn)嚴(yán)重磨損、缺損、碎裂等，感染等病變的發(fā)生率較高[1-3]。其中，非齲性頸部缺損（non-carious cervical lesions，NCCLs）是指因磨損、腐蝕等造成的釉牙骨質(zhì)界處牙體硬組織喪失，在下頜第二前磨牙有較高的發(fā)病率[4-5]。目前，臨床對(duì)于下頜第二前磨牙NCCLs 通常采用嵌體修復(fù)治療法，但口腔科用于NCCLs 修復(fù)的嵌體材料較多，如鑄瓷、復(fù)合樹(shù)脂、玻璃離子等，不同材料各有優(yōu)缺點(diǎn)，哪種材料的生物力學(xué)性能最佳，目前臨床尚無(wú)統(tǒng)一定論[6]。因此，本研究通過(guò)建立右下頜第二前磨牙NCCLs 三維有限元模型，比較不同嵌體材料修復(fù)NCCLs 的生物力學(xué)性能，以期能為下頜第二前磨牙的有效修復(fù)提供新的思路。

1 材料與方法

1.1 樣本來(lái)源

選取2021年4 月在醫(yī)院口腔科因治療需要拔除的牙合關(guān)系正常、磨損少、無(wú)齲壞裂紋的右下頜第二前磨牙，牙齒大小符合國(guó)人牙齒標(biāo)準(zhǔn)范圍。樣本牙去除表面軟組織、牙石等，將牙根包埋于硅橡膠印模材料，使牙長(zhǎng)軸與硅橡膠板垂直，確保底部平整。

1.2 儀器與軟件

儀器：錐形束CT（cone beam CT，CBCT）口腔掃描儀（德國(guó)，QUART DVT_AP 型）。軟件：Mimics 三維重建軟件（比利時(shí)）、Geomagic Studio 2020 逆向處理軟件（美國(guó)）、ANSYS Workbench 2020 R2 有限元分析軟件（美國(guó)）、Unigraphics NX 三維重建軟件（美國(guó)）等。

1.3 離體牙掃描及三維建模

應(yīng)用CBCT 口腔掃描儀平行于樣本牙長(zhǎng)軸對(duì)牙齒進(jìn)行斷層掃描。設(shè)置掃描參數(shù)：電壓為120 kV，分辨力為0.125 立體像素，掃描時(shí)間為26 s。應(yīng)用Mimics 19.0 三維重建軟件讀取CBCT 掃描數(shù)據(jù)，生成實(shí)驗(yàn)所需三維數(shù)據(jù)，并導(dǎo)出為STL 格式文件。將STL 格式文件導(dǎo)入Geomagic Studio 2020 逆向處理軟件，進(jìn)行圖像預(yù)處理后建立右下頜第二前磨牙三維模型，以IGES 格式保存。再以Unigraphics NX 三維重建軟件處理模型，由牙頸部切出楔狀洞型，設(shè)置窩洞高、深、寬分別為5.0、1.0、2.5 mm，缺損底部平緩，洞緣角為120°的鈍角，獲得的NCCLs 模型如圖1 所示。

圖1 右下頜第二前磨牙NCCLS 模型

1.4 不同嵌體材料及建模

將三維實(shí)體模型導(dǎo)入有限元分析軟件，自動(dòng)劃分網(wǎng)格后生成10 節(jié)點(diǎn)的等參四面體單元，共生成單元格數(shù)362337 個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)505855 個(gè)。從釉牙骨質(zhì)界以下均勻地沿牙根輪廓線外展2 mm，開(kāi)始建立牙周膜與牙槽骨的三維實(shí)體模型。黏結(jié)劑厚50 μm，選擇4 種嵌體修復(fù)材料，分別為復(fù)合樹(shù)脂（生產(chǎn)企業(yè)：美國(guó)3M 公司，商品名：FiltekTMZ350 納米復(fù)合樹(shù)脂）、玻璃離子（生產(chǎn)企業(yè)：日本富士公司，商品名：GC FujiⅡLC 樹(shù)脂改性光固化玻璃）、鑄瓷（生產(chǎn)企業(yè)：瑞士義獲嘉·偉瓦登特公司，商品名：義獲嘉IPS-E.Max鑄瓷）和優(yōu)韌瓷（生產(chǎn)企業(yè)：美國(guó)3M 公司，商品名：LavaTMUltimate 優(yōu)韌瓷）。

1.5 模型材料力學(xué)參數(shù)值

假設(shè)模型各部件均為均質(zhì)、連續(xù)、各向同性線性的彈性材料。各材料力學(xué)參數(shù)值見(jiàn)表1。

表1 材料力學(xué)參數(shù)值[7-8]

1.6 載荷加載

1.6.1 靜態(tài)載荷

（1）垂直加載：將力加載于樣本牙頰尖頂處，與牙體長(zhǎng)軸面平行。（2）側(cè)向加載：包括由舌側(cè)斜向于頰側(cè)以及由頰側(cè)斜向于舌側(cè)，與牙體長(zhǎng)軸呈45°。2種加載方式如圖2 所示，加載力均為100 N。模型約束：固定牙齒于牙槽骨內(nèi)，對(duì)牙根進(jìn)行X、Y、Z 3 個(gè)方向的移動(dòng)約束，以保證離體牙模型受力時(shí)各界面不會(huì)移位。

圖2 三維模型加載力方向（單位：mm）

1.6.2 動(dòng)態(tài)載荷

通過(guò)動(dòng)態(tài)載荷加載模擬口腔咀嚼狀態(tài)下的應(yīng)力情況，參照相關(guān)文獻(xiàn)[9]，設(shè)定0.88 s 為1 個(gè)動(dòng)態(tài)載荷周期，并將這一周期分為5 個(gè)咀嚼階段：0～0.13 s 為第1 階段，加載力為0 N；0.14～0.15 s 為第2 階段，垂直加載200 N；0.16～0.25 s 為第3 階段，頰向舌側(cè)斜向45°加載200 N；0.26～0.30 s 為第4 階段，舌向頰側(cè)斜向45°加載200 N；0.31～0.88 s 為第5 階段，加載力為0 N。同時(shí)，動(dòng)態(tài)加載時(shí)溫度設(shè)置為37 ℃，以達(dá)到模擬仿真的效果；取1 個(gè)動(dòng)態(tài)載荷周期的平均值，作為不同嵌體材料動(dòng)態(tài)加載的觀察指標(biāo)。

2 結(jié)果

2.1 修復(fù)后嵌體靜態(tài)加載最大應(yīng)力峰值

NCCLs 模型的應(yīng)力集中在缺損的尖端；4 種嵌體材料修復(fù)后，缺損內(nèi)部無(wú)明顯應(yīng)力集中，而缺損尖端應(yīng)力值降低，不同嵌體材料的應(yīng)力分布趨勢(shì)基本相同。不同方向加載的最大應(yīng)力峰值比較可見(jiàn)，4種嵌體材料均是舌向頰側(cè)斜向45°加載時(shí)的應(yīng)力峰值最高；不同嵌體材料的最大應(yīng)力峰值比較可見(jiàn)，鑄瓷材料垂直加載、舌向頰側(cè)斜向45°加載與頰向舌側(cè)斜向45°加載的應(yīng)力峰值均為最高。各嵌體材料應(yīng)力峰值由小到大排列依次為：優(yōu)韌瓷＜復(fù)合樹(shù)脂＜玻璃離子＜鑄瓷，見(jiàn)表2。

表2 修復(fù)后嵌體靜態(tài)加載最大應(yīng)力峰值 單位：MPa

2.2 動(dòng)態(tài)加載模擬口腔咀嚼時(shí)牙本質(zhì)應(yīng)力峰值

通過(guò)對(duì)動(dòng)態(tài)加載分析可見(jiàn)，鑄瓷的Von Mises 應(yīng)力峰值與主應(yīng)力峰值最大，其次為玻璃離子、復(fù)合樹(shù)脂，應(yīng)力峰值最小的為優(yōu)韌瓷，詳見(jiàn)表3。

表3 動(dòng)態(tài)加載模擬口腔咀嚼時(shí)牙本質(zhì)應(yīng)力峰值 單位：MPa

2.3 嵌體與牙體交界處應(yīng)力分布

選擇NCCLs 洞型應(yīng)力集中區(qū)域內(nèi)的4 個(gè)節(jié)點(diǎn)（嵌體材料與牙體組織交界處的左、右兩端，以及缺損底端、缺損頂端）進(jìn)行不同嵌體材料的Von Mises應(yīng)力值測(cè)量。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不論是垂直加載（如圖3 所示），還是舌向頰側(cè)斜向45°加載、頰向舌側(cè)斜向45°加載，均顯示嵌體與牙體各交界點(diǎn)的應(yīng)力值降低，其中鑄瓷頂端與底端的應(yīng)力值較大，左、右兩端的應(yīng)力值較小，而復(fù)合樹(shù)脂、玻璃離子、優(yōu)韌瓷頂端與底端應(yīng)力值較小，左、右兩端應(yīng)力值較大。各嵌體材料檢測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值由小至大排列依次為：優(yōu)韌瓷＜復(fù)合樹(shù)脂＜玻璃離子＜鑄瓷。

圖3 垂直加載下嵌體與牙體交界處的應(yīng)力分布

2.4 嵌體材料修復(fù)NCCLs 前后各模型頰尖位移值

在垂直與側(cè)向加載方式下，相較于修復(fù)前的缺損模型，不同嵌體材料修復(fù)后的各模型頰尖位移值均有減小，減小幅度最大的均為頰向舌側(cè)斜向45°加載。在同一加載條件下，各嵌體材料修復(fù)后的頰尖位移值均相同，見(jiàn)表4，如圖4 所示。

圖4 嵌體材料修復(fù)NCCLs 前后各模型頰尖位移值

表4 嵌體材料修復(fù)NCCLs 前后各模型頰尖位移值 單位：mm

3 討論

NCCLs 作為牙科常見(jiàn)的牙體硬組織非齲性疾病，好發(fā)于下頜第二前磨牙，目前主要采用嵌體材料修復(fù)治療。嵌體修復(fù)具有操作簡(jiǎn)單、對(duì)齦溝液污染少、修復(fù)黏結(jié)度強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[10-11]。同時(shí)，在NCCLs 治療中，還需充分考慮到嵌體材料修復(fù)的穩(wěn)固性、美觀性等特點(diǎn)。為進(jìn)一步探索不同嵌體修復(fù)材料的力學(xué)性能，本研究建立了下頜第二前磨牙的三維模型?；谠撗浪袚?dān)的重要咀嚼作用，研究模擬了人體進(jìn)食咀嚼時(shí)上下頜咬合所接觸到的范圍，選擇下頜第二前磨牙頰尖斜面進(jìn)行NCCLs 設(shè)計(jì)。楔形缺損在臨床較為常見(jiàn)，其形態(tài)圓緩，窩洞底部已制備成較平整的腎形或半圓形，避免嵌體尖端導(dǎo)致牙頸部應(yīng)力的過(guò)于集中，修復(fù)后對(duì)牙合力的矯正預(yù)后效果更佳。同時(shí)選擇復(fù)合樹(shù)脂、玻璃離子、鑄瓷與優(yōu)韌瓷4 種嵌體材料用于NCCLs 修復(fù)模型中，以找出最佳的嵌體修復(fù)材料。

FiltekTMZ350 納米復(fù)合樹(shù)脂是一種高分子充填材料，聚合收縮能力小，對(duì)牙體組織的牽拉力小，可獲得較好的修復(fù)形態(tài)及鄰接關(guān)系；GC Fuji ⅡLC 樹(shù)脂改性光固化玻璃在傳統(tǒng)玻璃離子基礎(chǔ)上加入了樹(shù)脂成分，更具耐磨性；義獲嘉IPS-E.Max 鑄瓷的強(qiáng)度高，生物相容性好，美學(xué)效果佳；LavaTMUltimate優(yōu)韌瓷作為首款納米復(fù)合陶瓷，嵌體外觀自然，韌性更佳。本研究三維有限元分析可見(jiàn)，4 種嵌體材料在修復(fù)下頜第二前磨牙NCCLs 后表現(xiàn)出相似的應(yīng)力分布趨勢(shì)，缺損內(nèi)部無(wú)明顯的應(yīng)力集中，缺損尖端的應(yīng)力值也顯著減小，這提示嵌體修復(fù)對(duì)分散NCCLs 應(yīng)力、降低幾何形變具有重要意義，與相關(guān)報(bào)道相符[12]。

使用不同嵌體材料修復(fù)后，各加載條件下均顯示鑄瓷與牙體交界處各檢測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值最大，且頂端與底端應(yīng)力值大于左、右兩端，其他各嵌體材料均為頂端與底端應(yīng)力值較小，左、右兩端應(yīng)力值較大，且優(yōu)韌瓷各檢測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值最小。同時(shí)，研究還采用動(dòng)態(tài)加載模擬口腔咀嚼運(yùn)動(dòng)，這能更加真實(shí)、客觀地評(píng)價(jià)下頜第二前磨牙的嵌體的修復(fù)效果，計(jì)算結(jié)果也顯示鑄瓷的Von Mises 應(yīng)力峰值與主應(yīng)力峰值最大，玻璃離子次之。鑄瓷與玻璃離子的彈性模量相比復(fù)合樹(shù)脂和優(yōu)韌瓷更高，提示高彈性模量的嵌體材料所承受的應(yīng)力可能也會(huì)增高。而復(fù)合樹(shù)脂與優(yōu)韌瓷在相同加載條件下的應(yīng)力值較低，其彈性模量也更低，提示低彈性模量的嵌體材料更有利于將所承載的應(yīng)力均勻地傳遞至牙體組織，從而減少折裂等問(wèn)題[13-14]。因此臨床在嵌體材料的選擇中，應(yīng)將彈性模量數(shù)據(jù)作為參考指標(biāo)之一。

NCCLs 修復(fù)后，嵌體材料與牙體交界處組織的應(yīng)力越低，表示牙齒修復(fù)效果越好。本研究比較不同嵌體材料與牙體交界處應(yīng)力分布情況后發(fā)現(xiàn)優(yōu)韌瓷的應(yīng)力最小，提示優(yōu)韌瓷可能更適宜用于下頜第二前磨牙的NCCLs 修復(fù)。而嵌體與牙體間密合度高，能減少修復(fù)材料移位脫落的可能性。本研究結(jié)果顯示，在同一加載條件下，各嵌體材料修復(fù)的頰尖位移值均相同，提示不同的嵌體材料均可與牙體獲得較好的密合度，對(duì)位移、脫落無(wú)影響。但需注意的是，人的口腔環(huán)境十分復(fù)雜，本研究也僅是簡(jiǎn)單的三維模型分析，在實(shí)際的缺損修復(fù)中，口腔環(huán)境中的細(xì)胞、唾液、缺損洞型等問(wèn)題均可能影響嵌體修復(fù)的效果及美觀性[11]。因此，后期還應(yīng)開(kāi)展大樣本、多中心的臨床體內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究，以進(jìn)一步明確不同嵌體材料的應(yīng)用價(jià)值。

綜上，采用不同嵌體材料修復(fù)右下頜第二前磨牙楔形NCCLs 所表現(xiàn)出的應(yīng)力分布及應(yīng)力峰值近似，均可取得較為理想的修復(fù)效果。但從應(yīng)力分布、韌性等方面綜合考慮，以LavaTMUltimate 優(yōu)韌瓷作為嵌體材料修復(fù)NCCLs 可能會(huì)獲得更好的效果。