不同尖端形態(tài)的種植體在上頜竇底黏膜不同剝離范圍時(shí)竇底黏膜的生物力學(xué)分析*

鄧引昕 馬 攀

上頜后牙區(qū)由于上頜竇的存在，該區(qū)域可利用的剩余牙槽骨高度不夠，加上該區(qū)域骨質(zhì)較疏松，種植的失敗率相對(duì)較高。為了解決此問題，需要進(jìn)行上頜竇提升，分為較傳統(tǒng)的側(cè)壁開窗的上頜竇外提升術(shù)（牙槽嵴頂高度不足4 mm）和創(chuàng)傷相對(duì)較小的穿牙槽嵴頂上頜竇內(nèi)提升術(shù)（牙槽嵴頂高度大于5 mm）[1-5]。為了能在牙槽嵴頂高度不足4 mm時(shí)仍然可以選擇上頜竇內(nèi)提升術(shù)，我們?cè)谂R床上對(duì)上頜竇內(nèi)提升術(shù)進(jìn)行了改良，將上頜竇外提升術(shù)中的側(cè)壁開窗后進(jìn)行上頜竇黏膜的剝離程序與穿牙槽嵴頂?shù)纳项M竇內(nèi)提升術(shù)進(jìn)行了結(jié)合（在使用summer骨鑿輕輕敲擊上頜竇底骨板后，我們采用剝離器械，在牙槽嵴頂?shù)纳项M竇底對(duì)上頜竇黏膜進(jìn)行充分剝離）。在我們已經(jīng)完成的臨床病例上均得到了比較理想的療效，但是這種穿牙槽嵴頂剝離上頜竇底黏膜的改良術(shù)式是否能有效改善上頜竇底黏膜破裂穿孔的發(fā)生以及可靠性和安全性都還需進(jìn)一步觀察研究。

然而不管行哪種術(shù)式，不管對(duì)術(shù)式進(jìn)行哪種改良[6-8]，上頜竇底黏膜破裂穿孔都是最常見的并發(fā)癥[9-12]。沖頂器頂端或種植體尖端會(huì)與上頜竇底黏膜發(fā)生直接的接觸，因此種植體的尖端形態(tài)[13,14]也將會(huì)是導(dǎo)致上頜竇底黏膜破裂穿孔的一個(gè)主要影響因素。目前對(duì)于種植體的尖端形態(tài)是否會(huì)影響上頜竇內(nèi)提升過程種竇底黏膜的研究尚未有報(bào)道。

本實(shí)驗(yàn)將采用三維有限元法[15-20]，通過建立不同尖端形態(tài)的種植體和上頜竇區(qū)域的骨骼和黏膜的三維有限元模型，動(dòng)態(tài)模擬并研究使用不同尖端形態(tài)的種植體行傳統(tǒng)上頜竇內(nèi)提升術(shù)和竇底黏膜剝離后的改良式上頜竇內(nèi)提升術(shù)時(shí)上頜竇底黏膜的應(yīng)力應(yīng)變情況，分析不同尖端形態(tài)的種植體對(duì)上頜竇底黏膜形變的影響。

1.材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備 硬件：NewTo?m VG CBCT(意大利)電壓110 kV，電流3.6 mA，重建層厚為0.125 mm。

建 模 軟 件：Mimics 21.0 軟 件（Materialise Co?mpany, Belgium）；Geo?magic Studio?2014軟件（Raindro?p Co?mpany, America）；Hypermesh14.0軟件（Altair Co?mpany, America）。

有限元分析軟件：MSC.Patran 2012前處理軟件（NASA Co?mpany, America）和MSC.Nastran2012后處理軟件（NASA Co?mpany, America）。

1.2 三維有限元模型的建立 我們首先建立了三種種植體模型：柱狀鈍頭種植體（頂端圓弧面，直徑4.45 mm）；錐柱狀平頭種植體（頂端圓錐平面，直徑2.5 mm，距離下端圓柱高度2 mm）；錐狀尖頭種植體（頂端圓錐平面，直徑0.5 mm，距離下端圓柱高度3 mm）。種植體下端直徑均為4.8 mm、總高度均約為10.2 mm。三種種植體模型如下圖1所示。

圖1 三種不同尖端形態(tài)的種植體幾何模型

隨后我們采用Mimics 21.0軟件重建出上頜竇及黏膜三維幾何模型，并導(dǎo)出STL格式文件。其次，在Geo?magic Studio?2014軟件中對(duì)所有模型進(jìn)行修補(bǔ)、降噪及曲面化，并導(dǎo)出STP 格式文件。繼而在Hypermesh 14.0軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為了提高計(jì)算精度、收斂性、計(jì)算效率等，將黏膜劃分成六面體網(wǎng)格單元（Iso?Mesh Hex8 Element），種植體、上頜骨劃分成四面體網(wǎng)格單元（TetMesh Tet4 Element）。隨后導(dǎo)出BDF格式文件并導(dǎo)入MSC.Patran2012軟件進(jìn)行有限元網(wǎng)格屬性設(shè)置、材料參數(shù)定義、荷載施加、邊界條件約束等處理。參考已發(fā)表的研究數(shù)據(jù)，各結(jié)構(gòu)材料參數(shù)[21]，如下表所示。

結(jié)構(gòu)組織上頜骨皮質(zhì)骨上頜骨松質(zhì)骨黏膜種植體（鈦）彈性模量（MPa）13700 1370 Hyperelastic 110000泊松比0.30 0.30 C10=0.253，C01=0.027 0.35

1.3 邊界條件假定 固定約束上頜竇頜骨上表面節(jié)點(diǎn)，限制其三個(gè)方向位移自由度；假定上頜骨、種植體為各向同性、均勻、連續(xù)的線彈性材料；黏膜為Hyperelastic超彈性材料。種植體運(yùn)動(dòng)過程中只允許發(fā)生頂推高度方向的位移，側(cè)向位移限制其自由度。種植體頂端與黏膜底部按摩擦接觸處理、種植體四周與上頜骨備洞區(qū)域不接觸、分離黏膜與不分離黏膜之間按共節(jié)點(diǎn)處理，以保證受力真實(shí)傳遞。模擬黏膜進(jìn)行不同程度的分離時(shí)，未分離黏膜區(qū)域與對(duì)應(yīng)上頜骨區(qū)域共節(jié)點(diǎn)處理，所分離區(qū)域的黏膜與對(duì)應(yīng)上頜骨區(qū)域的節(jié)點(diǎn)不接觸、不共點(diǎn)處理。

1.4 實(shí)驗(yàn)分組 三種不同尖端形態(tài)的種植體分別在上頜竇底黏膜分離0 mm 時(shí)和上頜竇底黏膜分離4 mm 時(shí)進(jìn)行不同高度的提升（提升1 mm-10 mm），分別代表傳統(tǒng)的上頜竇內(nèi)提升術(shù)（黏膜分離0 mm 組）和改良式上頜竇內(nèi)提升術(shù)（黏膜分離4 mm組），實(shí)驗(yàn)分組如下表所示。

1.5 計(jì)算分析 將各組工況模型提交給MSC.Nastran 2012軟件，進(jìn)行有限元仿真分析計(jì)算和查看結(jié)果，得出各組模型對(duì)應(yīng)的上頜竇黏膜結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布規(guī)律及應(yīng)力峰值，主要觀察指標(biāo)為上頜竇底黏膜的等效應(yīng)力vo?n-Mises數(shù)值。

2.結(jié)果

從仰視圖上觀察各工況模型中上頜竇底黏膜的應(yīng)力分布云圖并得出應(yīng)力峰值。分析其應(yīng)力分布特點(diǎn)，繪制圖表比較各組模型應(yīng)力峰值。

2.1 不同種植體在上頜竇底黏膜分離0 mm時(shí)竇底黏膜應(yīng)力峰值（MPa）如下表及圖2所示：

提升高度（mm）1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0柱狀鈍頭種植體（種植體一）2.81 4.84 7.34 10.21 17.10 20.94 31.73 39.40 48.42 73.89錐柱狀平頭種植體（種植體二）1.12 3.70 7.64 14.50 25.32 33.94 48.61 62.72 84.50 110.34錐狀尖頭種植體（種植體三）4.36 9.08 19.30 33.64 47.13 61.57 79.69 101.55 127.71 158.32

images/BZ_30_296_1942_707_2278.pngimages/BZ_30_920_1919_1359_2280.pngimages/BZ_30_1615_1939_2033_2279.png柱狀鈍頭種植體分離0 mm和4 mm提升1 mm-10 mm錐柱狀平頭種植體分離0 mm和4 mm提升1 mm-10 mm錐狀尖頭種植體分離0 mm和4 mm提升1 mm-10 mm

圖2 上頜竇底黏膜分離0 mm時(shí)，三種工況的竇底黏膜應(yīng)力峰值（MPa）曲線圖

2.2 不同種植體在上頜竇底黏膜分離4 mm時(shí)竇底黏膜應(yīng)力峰值（MPa）如下表及圖3所示：

圖3 上頜竇底黏膜分離4 mm時(shí)，三種工況的竇底黏膜應(yīng)力峰值（MPa）曲線圖

提升高度（mm）1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0柱狀鈍頭種植體（種植體一）0.81 0.73 0.92 1.25 2.42 3.91 4.33 8.39 15.07 16.55錐柱狀平頭種植體（種植體二）0.76 1.52 1.69 1.84 4.31 5.51 8.23 18.51 20.30 22.72錐狀尖頭種植體（種植體三）3.38 3.67 4.36 5.92 8.70 13.93 18.51 24.50 29.74 38.03

從上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖表中可以發(fā)現(xiàn)，竇底黏膜在分離0 mm 和分離4 mm 這兩組工況下，上頜竇黏膜在抬高的過程中，三種種植體作用下的竇底黏膜應(yīng)力均呈現(xiàn)隨著內(nèi)提升高度增加而增加的趨勢，錐狀尖頭種植體增加的幅度最顯著，其次是錐柱狀平頭種植體，柱狀鈍頭種植體應(yīng)力變化相對(duì)平緩，應(yīng)力增加幅度也沒有另外兩種種植體顯著。這與它具有頂部圓弧狀的設(shè)計(jì)和較大的接觸面積有直接的關(guān)系。而在比較種植體在不同工況下的竇底黏膜應(yīng)力峰值時(shí)我們也可以發(fā)現(xiàn)，竇底黏膜分離4 mm 時(shí)比分離0 mm 時(shí)的竇底黏膜應(yīng)力峰值均變小，這說明分離黏膜也是直接有效的，我們所進(jìn)行的這種改良是可靠的并且相對(duì)安全的。

3.討論

3.1 實(shí)驗(yàn)方法和參數(shù)設(shè)計(jì) 有限元法已由以前簡單的二維結(jié)構(gòu)分析發(fā)展到復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)分析[22,23]。并在口腔生物力學(xué)中得到廣泛應(yīng)用和發(fā)展[24,25]，雖然通過體外實(shí)驗(yàn)[21,26,27]我們已經(jīng)對(duì)上頜竇黏膜的力學(xué)性能和形變特點(diǎn)有了一定的了解，但是由于其屬于大變形非線性的復(fù)雜軟組織材料，因此計(jì)算時(shí)通過擬合得到較為相近的超彈性Hyperelastic 的C10、C01 參數(shù)，從定性角度來研究不同尖端形態(tài)的種植體對(duì)上頜竇黏膜受力特性的研究。最后計(jì)算順利并得到了收斂的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，界面產(chǎn)生的應(yīng)力與位移值的變化趨勢也可以看出我們對(duì)實(shí)驗(yàn)參數(shù)的設(shè)計(jì)是合理的，并且對(duì)臨床操作也起到一定的指導(dǎo)作用，同時(shí)也驗(yàn)證了我們所建立的模型具有良好的幾何相似性和生物力學(xué)相似性。最后需要指出的是，要想完全模擬復(fù)雜的口腔生物力學(xué)環(huán)境建立計(jì)算模型，目前尚無法達(dá)到，仍待進(jìn)一步研究。

3.2 三維有限元模型的幾何精度 為了盡可能真實(shí)的模擬改良式上頜竇內(nèi)提升術(shù)，我們選用臨床上已經(jīng)進(jìn)行完改良式上頜竇內(nèi)提升術(shù)的患者的術(shù)前CBCT 數(shù)據(jù)進(jìn)行精確建模，與此同時(shí)，因?yàn)樯项M骨形態(tài)的多樣性，本文又僅定性比較三種不同尖端形態(tài)和錐度的種植體在旋轉(zhuǎn)植入的過程中上頜竇底黏膜的應(yīng)力、應(yīng)變和位移，我們對(duì)建好的模型進(jìn)行了一定程度的簡化，這種簡化模型的處理也是一種廣泛應(yīng)用的建模方法。

上頜竇黏膜的厚度存在很大的個(gè)體差異，國內(nèi)外的很多學(xué)者都對(duì)上頜竇黏膜的厚度進(jìn)行了測量和研究，大部分研究都將1 mm 作為一個(gè)參考[28-32]。因此我們?cè)谶@里也對(duì)上頜竇黏膜進(jìn)行了簡化處理，將其厚度設(shè)定為1 mm。

3.3 不同工況的上頜竇底黏膜的應(yīng)力峰值比較 從應(yīng)力云圖上亦可發(fā)現(xiàn)，錐柱狀鈍頭種植體和錐狀尖頭種植體，在提升高度較少時(shí)在種植體頂端與黏膜接觸的區(qū)域就開始出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，隨著提升高度逐漸增加，其應(yīng)力增加幅度也越來越明顯，且在接觸區(qū)域黏膜應(yīng)力集中現(xiàn)象也相對(duì)明顯，這些都提示我們?cè)趯?shí)際手術(shù)過程中黏膜破壞的區(qū)域可能發(fā)生在種植體頂端與黏膜接觸的區(qū)域四周處。此外三種種植體在分離0 mm 狀態(tài)下應(yīng)力增加幅度均較明顯，隨著內(nèi)提升高度增加下的應(yīng)力曲線更陡。因此如果能選擇尖端接觸面積更大的種植體，并且對(duì)上頜竇黏膜進(jìn)行充分的減張，應(yīng)力集中區(qū)域的受力情況也會(huì)得到相應(yīng)的改善，竇底黏膜破裂的風(fēng)險(xiǎn)自然會(huì)相對(duì)降低。

綜上所述，柱狀鈍頭種植體的頂部有一定圓弧設(shè)計(jì)及接觸面積較大，能在結(jié)構(gòu)形態(tài)上與黏膜形成較好的吻合，在實(shí)際受力時(shí)產(chǎn)生的黏膜應(yīng)力集中現(xiàn)象也相對(duì)種植體頂部面積較小、且平整的尖端面設(shè)計(jì)要減輕很多，不同提升高度下對(duì)黏膜的損傷也相對(duì)較輕。種植體頂端設(shè)計(jì)平整的形態(tài)較容易在種植體頂端四周圍出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，且增加了該區(qū)域內(nèi)黏膜發(fā)生破裂的風(fēng)險(xiǎn)。而圓弧端面設(shè)計(jì)在提升到較高高度時(shí)（7 mm 以上）在圓弧面相對(duì)中心處才出現(xiàn)應(yīng)力集中，從生物力學(xué)角度分析，這種情況要比在提升較低高度時(shí)平整尖端面形態(tài)就產(chǎn)生較為明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象要好很多。結(jié)合臨床實(shí)際情況我們也可以得出這樣的結(jié)論：使用柱狀鈍頭種植體在行傳統(tǒng)的上頜竇內(nèi)提升術(shù)和改良式上頜竇內(nèi)提升術(shù)時(shí)上頜竇底黏膜應(yīng)力增加幅度最為平緩，對(duì)上頜竇底黏膜的損傷也相對(duì)較輕，上頜竇底黏膜破裂穿孔的風(fēng)險(xiǎn)也就相對(duì)較低?？梢娭鶢钼g頭種植體可以最大限度的降低黏膜破裂的風(fēng)險(xiǎn)，因此推薦在臨床上使用種植體頂端有一定圓弧面設(shè)計(jì)并且整體形態(tài)為柱形的種植體進(jìn)行上頜竇內(nèi)提升術(shù)。