不同樁核系統(tǒng)修復(fù)下頜第一磨牙殘根的生物力學(xué)分析

朱 鎮(zhèn)，王 謎，張惠利*

(1.吉林大學(xué)口腔醫(yī)院，吉林 長(zhǎng)春130021；2.鎮(zhèn)江市口腔醫(yī)院)

樁核冠為牙冠大面積缺損的重要修復(fù)方式[1-2]。牙本質(zhì)肩領(lǐng)可提高樁核冠修復(fù)中牙齒抗折性[3]，但完整牙本質(zhì)肩領(lǐng)常難以獲得。因此，適用于缺少完整牙本質(zhì)肩領(lǐng)的殘根的樁核系統(tǒng)是臨床熱點(diǎn)問(wèn)題。此外，適當(dāng)?shù)难兰庑倍扔欣谔岣呔捉佬?，但也?huì)產(chǎn)生較大側(cè)向力[4]。因此，對(duì)于剩余牙體組織薄弱者，牙尖斜度的設(shè)定值得探尋[5]。

本研究在下頜第一磨牙數(shù)字化模型的基礎(chǔ)上[6-7]，建立不同牙尖斜度與不同樁核材料相匹配的有限元分析實(shí)驗(yàn)組模型，并加載垂直向載荷來(lái)模仿口腔內(nèi)的咬合力。分析剩余牙體組織的應(yīng)力分布情況，用以篩選出合適無(wú)牙本質(zhì)肩領(lǐng)的樁核系統(tǒng)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及軟件

通過(guò)利用CBCT軟件模擬出下頜第一磨牙[6]，[CATPart(Computer aided three-dimensional part,計(jì)算機(jī)輔助三維部件)格式]。使用Mimics 10.01軟件和Geomagic studio 12.0構(gòu)建牙體牙髓結(jié)構(gòu)。運(yùn)用CATIA V5R21系統(tǒng)模擬出單顆牙的牙體組織、牙周組織及牙槽骨等結(jié)構(gòu)。該模型各部分復(fù)合天然牙體形態(tài)，各組分邊界線清晰平滑。

1.2 模型建立

1.2.1對(duì)照組模型建立 將上述模型導(dǎo)入U(xiǎn)nigraphics NX 12.0軟件，將牙尖斜度分別調(diào)整為 10°、20°、30°(近中、遠(yuǎn)中舌尖)。于該兩牙尖牙尖嵴上自牙尖頂至中央窩做一平行于牙體長(zhǎng)軸的截面。牙尖斜度以該截面上牙尖嵴的中點(diǎn)與水平面的夾角為參考并進(jìn)行測(cè)量[8]。

1.3 網(wǎng)格劃分

使用ANSYS Workbench 18.2自由網(wǎng)格工具中的10節(jié)點(diǎn)四面體單元生成網(wǎng)格，得到復(fù)雜網(wǎng)格模型。

1.4 模型實(shí)驗(yàn)條件及參數(shù)的設(shè)定

實(shí)驗(yàn)中均運(yùn)用均質(zhì)、連續(xù)、各向同性的線彈性材料，受力后變形較小。將牙槽骨外周每一側(cè)設(shè)置為自由邊界，并將底部設(shè)置為完全約束。設(shè)置模型內(nèi)各部分結(jié)構(gòu)為綁定接觸關(guān)系，且過(guò)程中各部分結(jié)構(gòu)間無(wú)相對(duì)位移，各單元間足夠穩(wěn)定。全瓷冠選擇 IPS e.max CAD材料，粘接劑則用 Relyx Unicem。

1.5 應(yīng)力加載

將200 N的垂直向靜態(tài)載荷以小面形式加載到模型咬合面的頰尖舌斜面、舌尖頰斜面中點(diǎn)共5個(gè)點(diǎn)[9-10]，即每處為40 N。

1.6 分析評(píng)價(jià)

按照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，利用ANSYS Workbench 軟件處理并得到相應(yīng)的結(jié)果。

2 結(jié)果

2.1 有限元模型的建立

在前期實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)之上，建立斷端完全位于齦下的下頜第一磨牙殘根模型，繼而建立不同牙尖斜度與不同樁核材料相匹配的修復(fù)體模型，并與臨床實(shí)際情況相符，具有良好的幾何相似性。

2.2 牙體組織應(yīng)力峰值

經(jīng)垂直向應(yīng)力加載后的對(duì)照組及實(shí)驗(yàn)組的應(yīng)力峰值見表1。

表1 下頜第一磨牙von Mises 應(yīng)力和最大主應(yīng)力峰值(MPa)

2.3 牙體組織應(yīng)力分布

2.3.2實(shí)驗(yàn)組牙體組織應(yīng)力分布 三種材料樁核冠的10°組的剩余牙體組織牙釉質(zhì)von Mises應(yīng)力

集中區(qū)主要位于近遠(yuǎn)中面；20°和 30°組的應(yīng)力集中區(qū)主要位于近中舌側(cè)，如圖1。但三種材料樁核冠的牙本質(zhì)von Mises應(yīng)力集中區(qū)有所不同，見圖1，鈷鉻樁核冠組中10°組的應(yīng)力集中區(qū)位于近中鄰面頸部、根分叉區(qū)及近遠(yuǎn)中根尖部，20°組的應(yīng)力集中區(qū)主要位于近中牙頸部，且隨著牙尖斜度增大，更趨向于頸部、近中根尖和遠(yuǎn)中根中下部。純鈦樁核冠組中10°組的應(yīng)力集中區(qū)主要位于近中鄰面頸部、根分叉區(qū)及近遠(yuǎn)中根中下部；20°組的應(yīng)力集中區(qū)主要位于近中牙頸部和遠(yuǎn)中根中部；30°組的應(yīng)力集中區(qū)主要位于近中頸部、近中根尖及遠(yuǎn)中根中下部。纖維樁樹脂核全瓷冠組中10°組的應(yīng)力集中區(qū)主要位于近遠(yuǎn)中頸部、根分叉區(qū)及遠(yuǎn)中根中下部；20°和 30°組的應(yīng)力集中區(qū)主要位于近中頸部、根分叉區(qū)、遠(yuǎn)中根中下部及近中鄰面。對(duì)于剩余牙體組織最大應(yīng)力，實(shí)驗(yàn)組牙釉質(zhì)所受應(yīng)力均主要集中在軸角處，且隨牙尖斜度的增加逐漸趨向于近遠(yuǎn)中舌側(cè)，應(yīng)力峰值也呈上升趨勢(shì)，見圖2。且所有實(shí)驗(yàn)組的牙本質(zhì)所受應(yīng)力均主要集中在根分叉區(qū)，但鈷鉻組在遠(yuǎn)中根的中下部仍有應(yīng)力分布，纖維樁樹脂核全瓷冠組在頸部及遠(yuǎn)中根中下部也有分布，見圖2。

圖1 實(shí)驗(yàn)組修復(fù)后牙釉質(zhì)、牙本質(zhì) von Mises 應(yīng)力分布

圖2 實(shí)驗(yàn)組修復(fù)后牙釉質(zhì)、牙本質(zhì)最大主應(yīng)力分布

3 討論

口腔修復(fù)中，牙本質(zhì)肩領(lǐng)是樁核冠修復(fù)的重要影響因素。但臨床上多不能獲得完整連貫的牙本質(zhì)肩領(lǐng)，這就使樁核修復(fù)系統(tǒng)的選擇變得至關(guān)重要。本實(shí)驗(yàn)通過(guò) CBCT成功構(gòu)建出缺少牙本質(zhì)肩領(lǐng)的下頜第一恒磨牙殘根模型，并建立了不同樁核材料與不同牙尖斜度匹配的修復(fù)體模擬修復(fù)。

實(shí)驗(yàn)組剩余牙體組織的應(yīng)力峰值低于牙體組織的斷裂強(qiáng)度33-50 MPa，由此證明實(shí)驗(yàn)所選的3種樁核系統(tǒng)均可作為備選修復(fù)方式。并且，所有組別中，牙釉質(zhì)與牙本質(zhì)的兩個(gè)應(yīng)力峰值均隨牙尖斜度的升高而增大，提示牙尖斜度增加會(huì)使應(yīng)力加大，并可能增加牙修復(fù)后剩余牙體組織斷裂的風(fēng)險(xiǎn)[11-13]。因此，可通過(guò)適當(dāng)降低牙尖斜度以提升其最終治療效果。

本研究中牙釉質(zhì)的von Mises 應(yīng)力和最大主應(yīng)力峰值在同一牙尖斜度下，均為纖維樁樹脂核>純鈦樁核>鈷鉻樁核。其中純鈦和鈷鉻的應(yīng)力分布集中區(qū)均隨著牙尖斜度的增大向近舌側(cè)趨近。而纖維樁的應(yīng)力分布集中在近遠(yuǎn)中舌側(cè)，但其峰值位于近中舌側(cè)。這提示，選擇纖維樁修復(fù)方式其頸部牙釉質(zhì)的斷裂風(fēng)險(xiǎn)要高于鑄造樁核修復(fù)。

本研究選用的鈷鉻樁核、純鈦樁核和纖維樁其彈性模量分別是205 GPa、112 Gpa及40 Gpa，其中鈷鉻、純鈦樁核的彈性模量顯著高于天然牙本質(zhì)，而纖維樁只略高于牙本質(zhì)的彈性模量。結(jié)果表明，相同牙尖斜度時(shí)，純鈦樁核、鈷鉻樁核、纖維樁樹脂核其三者的牙本質(zhì)的von Mises應(yīng)力和最大主應(yīng)力峰值依次遞減。這可能是因?yàn)榧冣伵c鈷鉻樁核的彈性模量不同所致。此外，導(dǎo)致應(yīng)力分布不同的原因也與彈性模量有關(guān)。如鑄造樁是將應(yīng)力沿著樁體自身向下傳遞，因而應(yīng)力更易集中于根尖部位，當(dāng)產(chǎn)生過(guò)大咀嚼力時(shí)則有斷裂風(fēng)險(xiǎn)[14-16]。而纖維樁樹脂核與上述二者不同，其整體彈性模量與天然牙體組織相近，使得其應(yīng)力更集中于牙頸部。而實(shí)驗(yàn)中無(wú)牙本質(zhì)肩領(lǐng)的殘根，其應(yīng)力集中在頸部更為多見。

通過(guò)本研究得知，在選擇金屬鑄造樁時(shí)要避免根部牙本質(zhì)的過(guò)度切削，以提高根部牙體組織的抗折能力。而在使用纖維樁樹脂核修復(fù)時(shí)，則應(yīng)注意保護(hù)頸部剩余的牙體組織。而從臨床應(yīng)用角度分析，雖然纖維樁存在頸部牙體組織斷裂的風(fēng)險(xiǎn)，但其導(dǎo)致的斷裂較鑄造樁導(dǎo)致的剩余牙體組織斷裂更便于再次修復(fù)，所以其更適合于此種缺損方式的修復(fù)。