短種植體應(yīng)用于垂直骨量不足下頜磨牙種植修復(fù)的三維有限元研究

趙田琦，謝冰清，沈 潔，陳俊良，李坤財(cái)，何 蕓

牙體缺失后由于局部炎性反應(yīng)和缺乏局部生理性刺激等原因，常導(dǎo)致牙槽骨吸收、牙槽骨高度和寬度的減小[1]。上下頜磨牙區(qū)牙齒缺失后，頜骨往往吸收嚴(yán)重，導(dǎo)致牙槽嵴頂與上頜竇、下牙槽神經(jīng)管等重要解剖結(jié)構(gòu)距離縮小，垂直骨量不足[2]。近年來短種植體(<8 mm)的應(yīng)用為解決磨牙區(qū)垂直骨量不足的問題提供了新的選擇。課題組前期研究[3]應(yīng)用三維有限元分析比較下頜磨牙牙槽骨嚴(yán)重吸收時(shí)，種植體長(zhǎng)度及牙冠直徑對(duì)種植體及周圍骨組織的影響，其結(jié)果提示短種植體修復(fù)牙槽骨嚴(yán)重吸收的下頜磨牙是可行的。在此基礎(chǔ)上，該研究進(jìn)一步建立短種植體修復(fù)垂直骨量不足的下頜第二磨牙模型，對(duì)比分析種植體直徑、載荷方向及骨質(zhì)密度對(duì)短種植體修復(fù)效果的影響，探究短種植體應(yīng)用于垂直骨量不足的下頜磨牙種植修復(fù)的生物力學(xué)特征，進(jìn)一步為其臨床應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)分組本研究模型中短種植體直徑為5.5 mm或6.5 mm。由于正中咬合時(shí)，下頜磨牙的頰尖舌斜面與上頜磨牙的舌尖頰斜面接觸，下頜磨牙主要受到垂直向和偏頰向的咀嚼力[4]，因此在模型中主要模擬軸向0°和頰向45°兩種載荷方向。因骨質(zhì)的密度影響種植體周圍骨組織的應(yīng)力應(yīng)變分布，在模型中分別模擬高密度和低密度這兩種下后牙區(qū)骨質(zhì)密度。綜上，共設(shè)計(jì)8種三維有限元分析模型，見表1。

表1 有限元分析模型設(shè)計(jì)方案

1.2 獲取影像學(xué)資料經(jīng)患者簽署知情同意書，同意使用其影像學(xué)檢查相關(guān)數(shù)據(jù)后，在西南醫(yī)科大學(xué)附屬口腔醫(yī)院影像數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取1例右下頜第二磨牙缺失、牙槽嵴嚴(yán)重吸收導(dǎo)致垂直骨量不足患者的CBCT影像學(xué)資料。納入標(biāo)準(zhǔn)：年齡大于18歲，頜骨發(fā)育正常，右下頜第一磨牙存在，第二磨牙區(qū)牙槽嵴頂?shù)较卵啦凵窠?jīng)管的距離約為9 mm。

1.3 建立三維模型將DICOM格式的CBCT文件導(dǎo)入Mimics Research 21.0 (Materialise NV, Leuven, Belgium)中，分別建立3個(gè)mask：皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、第一磨牙(種植修復(fù)鄰牙)，再將其分別轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的object。將3個(gè)object導(dǎo)入3-matic Research 13.0 (Materialise NV, Leuven, Belgium)，對(duì)模型的表面形狀和網(wǎng)格進(jìn)行優(yōu)化。將5.5 mm×7 mm或6.5 mm×7 mm的種植體(tioLogic?，Dentaurum GmbH &Co.KG，Ispringen，Germany)CAD數(shù)據(jù)導(dǎo)入至下頜第二磨牙區(qū)的合適位置。建立黏膜、第一磨牙的牙周膜等軟組織(圖1)。最后，將模型轉(zhuǎn)化為實(shí)體三維模型(4節(jié)點(diǎn)的四面體結(jié)構(gòu))，以inp格式導(dǎo)入Marc Mentat 2016 (MSC. Software, Santa Ana, CA)(圖2)。

圖1 三維模型

圖2 有限元分析模型

1.4 實(shí)驗(yàn)假設(shè)及有限元前處理所有組織和材料均假設(shè)為均質(zhì)、連續(xù)、各向同性的線性彈性材料，其物理參數(shù)見表2[3,5-6]。通過設(shè)置兩種松質(zhì)骨的楊氏模量，形成高密度骨質(zhì)和低密度骨質(zhì)模型，以模擬臨床上下頜后牙區(qū)Ⅱ類骨和Ⅲ類骨的情況。下頜第二磨牙牙冠和第一磨牙牙冠之間為接觸關(guān)系。其余各部分之間無相對(duì)滑動(dòng)，種植體與骨已經(jīng)形成骨整合。在骨皮質(zhì)表面選取多個(gè)點(diǎn)施加三向平移及旋轉(zhuǎn)約束，限制其三維空間上的移動(dòng)。通過REB2命令使模型受力均勻。載荷為150 N，方向?yàn)轭a向與種植體長(zhǎng)軸成45°或軸向0°(圖3)。最終建立8種三維有限元分析模型。

圖3 兩種載荷的施加方向

1.5 有限元后處理收集各模型種植體的位移、皮質(zhì)骨中的Von Mises應(yīng)力以及松質(zhì)骨中的等效應(yīng)變，分析比較各模型的生物力學(xué)特性。

2 結(jié)果

2.1 網(wǎng)格劃分本研究共建立了8個(gè)模型，種植體直徑相同的模型其單元數(shù)與節(jié)點(diǎn)數(shù)相同，具體單元數(shù)和節(jié)點(diǎn)數(shù)見表3。

表3 各模型的單元數(shù)與節(jié)點(diǎn)數(shù)

2.2 種植體的位移各個(gè)模型種植體位移的最大值均位于種植體的頸部，其數(shù)值見表4。當(dāng)其他條件不變時(shí)，頰向載荷時(shí)的種植體最大位移明顯大于軸向載荷時(shí)。低密度骨質(zhì)模型的種植體最大位移大于高密度骨質(zhì)模型。不同種植體直徑的模型間對(duì)比顯示，當(dāng)受到軸向載荷時(shí)，不同直徑種植體的最大位移值無明顯差異；當(dāng)受到頰向載荷時(shí)，大直徑比小直徑種植體的最大位移值稍大。

表4 各模型中種植體的位移(μm)、皮質(zhì)骨的應(yīng)力(MPa)、松質(zhì)骨的應(yīng)變(μstrain)的最大值

2.3 種植體周圍皮質(zhì)骨的應(yīng)力各個(gè)模型皮質(zhì)骨的應(yīng)力均集中在皮質(zhì)骨與種植體頸部交界處(圖4)，各個(gè)模型最大應(yīng)力值結(jié)果見表4。頰向載荷時(shí)種植體周圍皮質(zhì)骨的最大應(yīng)力明顯大于軸向載荷時(shí)。當(dāng)載荷方向與種植體直徑條件不變時(shí)，低密度骨質(zhì)模型中皮質(zhì)骨的最大應(yīng)力大于高密度骨質(zhì)模型。當(dāng)載荷方向與骨質(zhì)密度條件不變時(shí)，直徑5.5 mm種植體的模型中皮質(zhì)骨的最大應(yīng)力大于直徑6.5 mm種植體的模型。

圖4 各模型皮質(zhì)骨應(yīng)力大小及分布

2.4 種植體周圍松質(zhì)骨的應(yīng)變各個(gè)模型松質(zhì)骨的等效應(yīng)變均主要分布在種植體根尖區(qū)域(圖5)，其最大應(yīng)變值見表4。頰向載荷時(shí)的種植體周圍松質(zhì)骨的最大等效應(yīng)變明顯大于軸向載荷時(shí)。當(dāng)載荷方向與種植體直徑條件不變時(shí)，低密度的骨質(zhì)模型中松質(zhì)骨的最大等效應(yīng)變大于高密度的骨質(zhì)模型。當(dāng)載荷方向與骨質(zhì)密度條件不變時(shí)，直徑5.5 mm種植體的模型中松質(zhì)骨的最大等效應(yīng)變大于直徑6.5 mm種植體的模型。

圖5 各模型松質(zhì)骨等效應(yīng)變大小及分布

3 討論

三維有限元分析方法因其可靠性和有效性，已廣泛用于牙科領(lǐng)域的各類設(shè)計(jì)及種植體周圍骨組織的生物力學(xué)分析[7]。目前通常認(rèn)為種植體材料、數(shù)量、直徑、長(zhǎng)度、種植體表面螺紋、上部修復(fù)體連接方式等因素均會(huì)影響種植體與周圍骨組織的應(yīng)力分布。Oliveira et al[8]使用三維有限元法比較分析3種不同的種植體表面設(shè)計(jì)對(duì)周圍骨組織應(yīng)力應(yīng)變的影響，結(jié)果顯示錐型、更寬的螺紋、帶溝槽的設(shè)計(jì)方式表現(xiàn)出更低的應(yīng)力和應(yīng)變。

臨床上常采用下牙槽神經(jīng)移位、onlay植骨等方式來解決下頜磨牙區(qū)垂直骨量不足，但同時(shí)帶來了延長(zhǎng)修復(fù)時(shí)間，需要額外附加手術(shù)，增加患者經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)等弊端[9]。短種植體的應(yīng)用為這一情況提供了新的選擇。Rameh et al[10]對(duì)2020年2月20日以前，關(guān)于短種植體的臨床研究進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)價(jià)，結(jié)果表明：在511顆短種植體中有22顆失敗，在472顆常規(guī)長(zhǎng)度種植體中有10顆失?。欢谭N植體與常規(guī)種植體的邊緣骨水平變化差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；常規(guī)種植體比短種植體更易出現(xiàn)生物學(xué)并發(fā)癥，而短種植體更易出現(xiàn)機(jī)械并發(fā)癥。

本研究利用1例患者CBCT數(shù)據(jù)建立三維有限元模型，設(shè)置不同的種植體直徑、載荷方向和骨質(zhì)密度，排除其他影響因素，探索種植體直徑、載荷方向和骨質(zhì)密度對(duì)短種植體修復(fù)垂直骨量不足下頜磨牙的生物力學(xué)性能，這也符合三維有限元研究的設(shè)計(jì)理念。研究結(jié)果顯示，在頰向載荷時(shí)種植體周圍骨組織應(yīng)力、應(yīng)變及種植體的位移明顯高于軸向載荷時(shí)，這可能與種植體的圓柱或圓錐狀設(shè)計(jì)有關(guān)，這種設(shè)計(jì)利于種植體的植入但是其承受側(cè)向力的能力相對(duì)不足。因此，臨床上常采用減小種植體上部修復(fù)體牙合面面積及降低牙尖斜度以減小種植體所受的側(cè)向力[11]。

有研究[12]表明，骨整合狀態(tài)的種植體其垂直向的動(dòng)度一般不超過10 μm，否則可能影響種植體的骨結(jié)合。本研究結(jié)果顯示，所有模型的種植體位移均小于10 μm，最大位移值均位于種植體頸部；在其他條件不變的情況下，骨質(zhì)密度越低，種植體的位移越大。不同種植體直徑的模型間對(duì)比顯示，當(dāng)受到軸向載荷時(shí)，不同直徑種植體的最大位移值無明顯差異，這與Wilhelm et al[13]的研究結(jié)果一致。但是，當(dāng)受到頰向載荷時(shí)，模型中6.5 mm比5.5 mm直徑種植體的最大位移值稍大，這可能是由于在相同寬度的牙槽骨植入種植體時(shí)，6.5 mm直徑種植體頸部周圍的骨組織較薄，在種植體受到側(cè)向力時(shí)會(huì)導(dǎo)致種植體骨界面的最大位移增加[14]。本研究結(jié)果顯示，皮質(zhì)骨的應(yīng)力主要集中于種植體頸部頰側(cè)的皮質(zhì)骨邊緣，這可能是臨床上種植修復(fù)后種植體周圍牙槽嵴頂出現(xiàn)骨吸收現(xiàn)象的原因之一。

另一方面，骨組織的應(yīng)變值大于3 000 μstrain時(shí)可導(dǎo)致骨吸收[15]。本研究結(jié)果表明，除了5.5-頰向載荷-低密度這個(gè)模型外，其余各模型的松質(zhì)骨應(yīng)變值均在3 000 μstrain以內(nèi)，提示短種植體修復(fù)垂直骨量不足下頜磨牙，若骨質(zhì)密度較低時(shí)，宜選擇直徑較大的種植體，并通過冠部設(shè)計(jì)以減小側(cè)向力。

綜上所述，從生物力學(xué)角度分析，短種植體應(yīng)用于垂直骨量不足的下頜磨牙種植修復(fù)是一種可行的修復(fù)方案，但是對(duì)于一些骨密度較低的患者，應(yīng)適當(dāng)選擇大直徑的短種植體，同時(shí)應(yīng)該適當(dāng)減小牙合面面積以及降低牙尖斜度，從而減小側(cè)向力，以獲得種植體近遠(yuǎn)期的穩(wěn)定和成功。同時(shí)，后期可行臨床實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證本研究結(jié)果。