不同墊底材料用于聚合瓷嵌體修復(fù)后牙體組織應(yīng)力變化的研究

呂越，陳曉敏

[摘要]目的：建立下頜第一恒磨牙聚合瓷嵌體修復(fù)后的三維有限元模型，分析不同墊底材料的厚度及彈性模量對(duì)基牙牙體組織應(yīng)力分布的影響。方法：應(yīng)用錐形束CT數(shù)據(jù)，建立下頜第一恒磨牙三維有限元模型。采用臨床常用的6種彈性模量不同材料：光固化玻璃離子、流體樹(shù)脂、高強(qiáng)度玻璃離子、后牙大塊樹(shù)脂、化學(xué)固化玻璃離子和后牙樹(shù)脂，分別設(shè)定0.5 mm、1 mm、1.5 mm的厚度墊底，施加垂直向150 N、垂直向300 N、斜向150 N的靜止載荷模擬不同生理咬合狀態(tài)。計(jì)算并分析各組在不同載荷下基牙牙體組織各部分的應(yīng)力分布情況，比較應(yīng)力集中部位、等效應(yīng)力及最大主應(yīng)力的差異。結(jié)果：聚合瓷嵌體修復(fù)后的牙體組織內(nèi)應(yīng)力主要分布于牙釉質(zhì)的頸部邊緣處、牙本質(zhì)的齦壁處及墊底層內(nèi)。隨著墊底材料彈性模量逐漸接近牙本質(zhì)，牙釉質(zhì)中的應(yīng)力呈下降趨勢(shì)，墊底層的應(yīng)力呈增高趨勢(shì)，牙本質(zhì)中的應(yīng)力變化趨勢(shì)不明顯。隨墊底材料厚度增加，牙釉質(zhì)頸部邊緣處的應(yīng)力升高，墊底層內(nèi)的應(yīng)力降低，牙本質(zhì)中的應(yīng)力變化趨勢(shì)不明顯。結(jié)論：選擇彈性模量接近牙本質(zhì)的材料進(jìn)行適宜厚度地墊底，有利于應(yīng)力在剩余牙體組織中的穩(wěn)定傳導(dǎo)，提高聚合瓷嵌體修復(fù)的遠(yuǎn)期成功率。

[關(guān)鍵詞]有限元分析；高嵌體；應(yīng)力分布；彈性模量；墊底材料；聚合瓷

[中圖分類號(hào)]R783.1? ? [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A? ? [文章編號(hào)]1008-6455（2023）04-0061-05

Analysis in the Tooth Tissue Repaired of Polymerized Porcelain Onlay with Different Base Materials

LYU Yue，CHEN Xiaomin

（Department of Stomatology，Suzhou Kowloon Hospital，Shanghai Jiao Tong University School of Medicine，Suzhou 215080，Jiangsu，China）

Abstract： Objective? To investigate the biomechanical effect changes with different type and thickness of base materials after polymerized porcelain onlay restoration for mandibular first molar by finite element stress analysis. Methods? The model of the mandibular first molar restored with polymerized porcelain onlay was constructed based on CT data. Six types of different elastic modulus of base materials was adopted： light cure glass ionomer， flowable composite resin， high strength glass ionomer， posterior bulk resin， chemical glass ionomer and posterior resin， setting the thickness as 0.5 mm， 1.0 mm and 1.5 mm. The model was applied with static load of 150 N in vertical direction， 300 N in vertical direction and 150 N in oblique direction， respectively， stimulating different occlusal states. The stresses changes on different parts of tooth tissue were calculated and analyzed by three-dimensional finite element analysis. Results? The stress distribution in tooth tissue mainly focused on the neckline edge of enamel， the area towards gingival of dentin and the base layer. As the modulus of base material approaching to dentin， the stress distribution showed a downward trend in enamel， an upward trend in base layer and no significant change in dentin. As the thickness of base material increased， the stress distribution showed a downward trend in both enamel and base layer， no significant change has been detected in dentin. Conclusion? Choice suitable thickness base material which was modulus similar to dentin in favour of stress stable conduction in the remaining dental tissue， and improved the long-term success rate of polymerized porcelain restoration.

Key words： finite element analysis; onlay; stress distribution; lastic modulus; base material; polymerized porcelain

后牙因咬硬物或局部齲壞造成的牙體單尖缺損并不少見(jiàn)，該類缺損牙備牙后的洞型常常接近髓腔，墊底材料不僅能保護(hù)牙髓組織健康，同時(shí)承擔(dān)牙體組織、修復(fù)體之間力的傳導(dǎo)作用，保證牙體組織在應(yīng)力下的抗折性能。此外，活髓牙此類缺損的修復(fù)難度不僅在于需要避免墊底材料對(duì)牙髓組織產(chǎn)生刺激，同時(shí)，直接充填技術(shù)在臨床操作時(shí)難以恢復(fù)良好的牙體外形，且充填體后期存在二次折裂的風(fēng)險(xiǎn)。應(yīng)用嵌體修復(fù)此類缺損的優(yōu)勢(shì)明顯[1]，聚合瓷作為新型的瓷化樹(shù)脂材料，制作的嵌體可達(dá)到良好的臨床效果，不僅具備良好的機(jī)械性能，而且彈性模量遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的鑄瓷材料[2]，同時(shí)價(jià)格更為低廉。臨床在充填修復(fù)時(shí)常用的墊底材料包括氧化鋅丁香油水門汀、硅酸鈣、玻璃離子、各類樹(shù)脂材料等；而嵌體修復(fù)由于粘接技術(shù)的要求，多使用玻璃離子及樹(shù)脂材料。研究同時(shí)應(yīng)用墊底材料及聚合瓷修復(fù)此類缺損的報(bào)道較為少見(jiàn)。本研究通過(guò)建立下頜第一恒磨牙聚合瓷高嵌體修復(fù)后的三維有限元模型，選取臨床常用的不同種類及厚度的墊底材料進(jìn)行模擬，觀察牙體組織中的應(yīng)力變化，為聚合瓷嵌體修復(fù)活髓牙牙體缺損理論研究和臨床工作提供參考。

1? 材料和方法

1.1 樣本來(lái)源：選擇一名全口牙列完整、咬合關(guān)系正常、牙齒形態(tài)標(biāo)準(zhǔn)且牙周情況良好的青年志愿者。通過(guò)曲面體層片觀察，全口牙槽骨未見(jiàn)明顯的水平性及垂直性吸收，右側(cè)下頜后牙牙根形態(tài)無(wú)明顯異常。

1.2 CT掃描：使用藻酸鹽印模材料制取志愿者全口標(biāo)準(zhǔn)模，制作咬合板。志愿者佩戴自制的咬合板仰臥于CT床上，由下頜骨頦下往上逐層掃描至下頜髁狀突。掃描厚度0.33 mm，獲得軸位斷層圖像。

1.3 建立模型：將數(shù)據(jù)導(dǎo)入至Mimics 17.0軟件中，逐層剝離，提取牙釉質(zhì)、牙本質(zhì)、牙髓組織，獲取右下頜第一磨牙的模型。將提取的各個(gè)部分?jǐn)?shù)據(jù)導(dǎo)入至Geomagic Wrap 2017中進(jìn)行精修繪制，繼而將模型導(dǎo)入CATIA進(jìn)行洞型設(shè)計(jì)后，導(dǎo)入Ansys 20.0軟件中劃分網(wǎng)格，建立右下頜第一磨牙的有限元模型。

1.4 實(shí)驗(yàn)分組和模型參數(shù)選擇：采用不同彈性模量的墊底材料，從低到高分別為：光固化玻璃離子（3M Vitrebond，美國(guó)），流體樹(shù)脂（3M Filtek Flowable Restoration，美國(guó)），高強(qiáng)度玻璃離子（松風(fēng)FX-II，日本），后牙大塊樹(shù)脂（DMG后牙樹(shù)脂，德國(guó)），化學(xué)固化玻璃離子（Fuji IX，日本）及后牙復(fù)合樹(shù)脂（3M Filtek P60，美國(guó)）。定義模型中牙體組織及墊底材料的屬性，彈性模量及泊松比具體參數(shù)見(jiàn)表1。

1.5 實(shí)驗(yàn)條件：模型中的材料均假設(shè)為連續(xù)、均勻和各向同性的線性彈性材料，假設(shè)各部分結(jié)構(gòu)在加載條件下不發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)。

1.5.1 邊界條件：將牙槽骨周圍定為固定約束。

1.5.2 載荷條件：正常咀嚼食物時(shí)咬合力為3～30 kg，據(jù)此擬定載荷取平均值150 N和最大值300 N。①當(dāng)廣泛牙合接觸時(shí)，加載點(diǎn)位于牙尖交錯(cuò)位時(shí)的牙合接觸面，將150 N和300 N載荷加載在中央窩和功能尖近頰牙合邊緣嵴處，與牙長(zhǎng)軸平行；②當(dāng)側(cè)方牙合接觸時(shí)，將150 N載荷加載于功能尖近頰牙合邊緣嵴處，與牙長(zhǎng)軸斜向呈30°[8]。

1.5.3 研究部位：選取牙釉質(zhì)中央窩、牙釉質(zhì)軸壁、牙釉質(zhì)頸部邊緣、牙本質(zhì)軸壁、牙本質(zhì)齦壁及墊底層等不同方向的牙體組織進(jìn)行研究。

1.6 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析：運(yùn)用ANSYS 20.0軟件進(jìn)行計(jì)算加載負(fù)荷時(shí)的選取的各部位的應(yīng)力分布、等效應(yīng)力、拉應(yīng)力即最大主應(yīng)力（σ1）。根據(jù)不同方向載荷下獲得的牙體組織應(yīng)力值，分析不同墊底材料彈性模量、厚度及不同方向載荷對(duì)牙體組織應(yīng)力的影響。

2? 結(jié)果

2.1 不同的墊底材料在牙體組織內(nèi)的應(yīng)力分布規(guī)律：各類墊底材料對(duì)牙體組織造成的應(yīng)力集中部位無(wú)差別。牙釉質(zhì)中應(yīng)力主要集中于牙頸部邊緣。牙本質(zhì)部位中應(yīng)力主要集中于齦壁。墊底層中的應(yīng)力顯著高于牙本質(zhì)及牙釉質(zhì)。見(jiàn)圖1。

2.2 采用不同墊底材料時(shí)牙體應(yīng)力峰值的變化：本研究采用的不同的墊底材料，彈性模量逐漸趨近于直至略高于牙本質(zhì)。取墊底厚度為1 mm的各組進(jìn)行第一主應(yīng)力及等效應(yīng)力分析，結(jié)果表明，在同樣的方向和大小載荷下，隨墊底材料的彈性模量升高：①在牙釉質(zhì)中，應(yīng)力在軸壁及牙頸部邊緣處無(wú)明顯差異（見(jiàn)圖2B～C），但在中央窩呈現(xiàn)降低趨勢(shì)（見(jiàn)表2，圖2A）；②在牙本質(zhì)中，應(yīng)力在軸壁及牙頸部邊緣處無(wú)明顯差異（見(jiàn)圖2D～E）；③在墊底層中，應(yīng)力逐漸呈增高趨勢(shì)（見(jiàn)表3，圖2F）。

2.3 墊底層厚度變化時(shí)牙體應(yīng)力峰值的大小變化：取牙體各組織中的應(yīng)力分布最大處分析，即牙釉質(zhì)的頸部邊緣處、牙本質(zhì)齦壁和墊底層，在同樣的方向和大小載荷下，隨墊底材料厚度的增加，可得：①在牙釉質(zhì)的頸部邊緣處，應(yīng)力逐漸升高，尤其在墊底層厚度從1.0 mm變?yōu)?.5 mm時(shí)變化明顯，第一主應(yīng)力在斜向載荷150 N下明顯升高（見(jiàn)圖3A），等效應(yīng)力在垂直向300 N載荷下明顯升高（見(jiàn)圖3B）；②在牙本質(zhì)齦壁處，應(yīng)力逐漸降低，尤其在墊底層厚度從1.0 mm變?yōu)?.5 mm時(shí)變化為明顯，第一主應(yīng)力在斜向載荷150 N下明顯降低（見(jiàn)圖4A），等效應(yīng)力在垂直向300 N載荷下明顯降低（見(jiàn)圖4B）；③在墊底層內(nèi)，第一主應(yīng)力及等效應(yīng)力均有所降低（見(jiàn)圖5）。

3? 討論

近年，在微創(chuàng)治療理念指導(dǎo)下，伴隨口腔修復(fù)新材料的發(fā)展及鑄造工藝的進(jìn)步，嵌體修復(fù)的使用率越來(lái)越高[9]。較傳統(tǒng)充填術(shù)而言，嵌體的優(yōu)勢(shì)包括外形佳、聚合收縮少、微滲漏較低[10]和抗疲勞破壞性強(qiáng)[11]等。其中，鑄瓷嵌體具有不影響磁共振成像、色澤及美學(xué)效果接近天然牙、粘接效率高等優(yōu)點(diǎn)，在臨床已替代大部分傳統(tǒng)貴金屬嵌體而廣泛應(yīng)用。而聚合瓷作為一種新興的嵌體修復(fù)的新材料，兼具瓷和樹(shù)脂材料的優(yōu)點(diǎn)，表現(xiàn)出良好的美觀效應(yīng)、耐磨性及較低的邊緣微滲漏效應(yīng)[12]。

臨床上涉及牙尖的牙體缺損面積大，受力過(guò)大時(shí)易發(fā)生牙體二次折裂[13]。應(yīng)用于活髓牙的墊底材料需滿足對(duì)牙髓組織刺激性小，同時(shí)不影響粘接效率兩個(gè)基本條件。在嵌體修復(fù)中，還需考慮適宜的力學(xué)性能[14-15]。Farah提出[16]墊底材料對(duì)應(yīng)力分布影響主要取決于彈性模量，相鄰材料之間的彈性模量差別會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力分布不均，而對(duì)充填或修復(fù)治療的遠(yuǎn)期效果產(chǎn)生影響。依據(jù)以上特征，本實(shí)驗(yàn)選取了嵌體修復(fù)時(shí)臨床中常用的玻璃離子及樹(shù)脂類墊底材料進(jìn)行研究。同時(shí)由于新技術(shù)的發(fā)展，即便是同類墊底材料的彈性模量仍具有不小的差別，本實(shí)驗(yàn)選取了彈性模量區(qū)間跨度較大的幾種常用玻璃離子及樹(shù)脂，獲得了相對(duì)豐富的數(shù)據(jù)。

本實(shí)驗(yàn)中各類墊底材料對(duì)牙體組織造成的應(yīng)力集中部位無(wú)差別，與湯英娜[17]等的研究結(jié)果一致。由于牙體各部分組織內(nèi)的應(yīng)力均主要集中于在近齦處，提示臨床上尤其需要注意牙體頸部要保留足夠的牙體組織。墊底層中最大主應(yīng)力低時(shí)，對(duì)應(yīng)的牙釉質(zhì)、牙本質(zhì)中的最大主應(yīng)力相應(yīng)升高。即彈性模量的墊底材受力時(shí)會(huì)傳導(dǎo)更多的應(yīng)力至剩余牙體組織，提示較高彈性模量的墊底材料有利于緩解牙體的應(yīng)力集中，與姜又升[5]等的研究結(jié)果一致。低彈性模量材料產(chǎn)生的等效應(yīng)力較低，提示其在同樣載荷下產(chǎn)生的微小形變更大，更容易因疲勞造成粘接失效，最終導(dǎo)致修復(fù)失敗。同時(shí)，本實(shí)驗(yàn)的應(yīng)力變化趨勢(shì)提示，當(dāng)彈性模量達(dá)到一定程度時(shí)，不同材料間的應(yīng)力差距已不明顯，如高強(qiáng)度玻璃離子及后牙樹(shù)脂之間應(yīng)力差距極??；其中，化學(xué)固化玻璃離子的技術(shù)敏感性稍高也需考慮其中，不同的粉液配比可能導(dǎo)致這種材料彈性模量的不穩(wěn)定[18]。

各類材料在厚度變化時(shí)應(yīng)力的變化趨勢(shì)基本一致，其中低彈性模量的墊底材料變化更為顯著，高彈性模量造成的應(yīng)力變化趨勢(shì)更加平緩。所有材料中，光固化玻璃離子的厚度改變?cè)斐傻难荔w組織應(yīng)力變化最為顯著，提示其作為此類缺損嵌體修復(fù)的墊底材料需謹(jǐn)慎的考量。同一類型的墊底材料，墊底層由0.5 mm增厚至1.0 mm時(shí)，各向載荷下，牙釉質(zhì)、牙本質(zhì)內(nèi)的應(yīng)力改變不明顯，墊底層內(nèi)有所下降。墊底層由1.0 mm增厚至1.5 mm時(shí)，牙釉質(zhì)頸部邊緣處的應(yīng)力會(huì)顯著升高，牙本質(zhì)內(nèi)的應(yīng)力顯著降低，墊底層內(nèi)的壓力逐漸降低。王艷艷[19]及Bottacchiari[20]在研究全瓷高嵌體時(shí)認(rèn)為在頰側(cè)剩余的牙體組織越少，應(yīng)力越集中，這與本實(shí)驗(yàn)對(duì)于聚合瓷嵌體的研究結(jié)果一致。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因，可能是由于進(jìn)行墊底操作時(shí)，必須留存足夠的牙釉質(zhì)面積進(jìn)行后續(xù)粘接操作，由牙釉質(zhì)外側(cè)傳導(dǎo)的應(yīng)力不能獲得緩沖所致。馮娟[21]也認(rèn)為沒(méi)有墊底材料時(shí)，冠部的主應(yīng)力會(huì)直接從牙釉質(zhì)垂直傳遞到髓腔，應(yīng)力集中于齦階邊緣。當(dāng)有墊底材料時(shí)，應(yīng)力傳遞在墊底層產(chǎn)生中斷后再傳至牙體組織。提示臨床中若缺損較大或墊底層較加時(shí)，缺損區(qū)牙頸部釉質(zhì)的強(qiáng)度必須足夠。同時(shí)，墊底厚度增加時(shí)，牙體組織長(zhǎng)期承受過(guò)大的應(yīng)力還可能損傷牙體組織導(dǎo)致折裂以及引起牙髓炎癥，不利于遠(yuǎn)期效果的維持。閆瑛[22]的研究認(rèn)為墊底厚度應(yīng)維持在0.5～1.0 mm，與本實(shí)驗(yàn)的觀點(diǎn)近似。

綜上所述，單尖缺損的聚合瓷嵌體修復(fù)應(yīng)考慮墊底材料的彈性模量和厚度，彈性模量高的化學(xué)固化玻璃離子及后牙樹(shù)脂類對(duì)牙體組織的應(yīng)力作用小，遠(yuǎn)期效果更為樂(lè)觀，且墊底的厚度不應(yīng)超過(guò)1 mm，避免牙體組織的應(yīng)力過(guò)大，才能獲得更好的臨床預(yù)后。

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[收稿日期]2021-11-15

本文引文格式：呂越，陳曉敏.不同墊底材料用于聚合瓷嵌體修復(fù)后牙體組織應(yīng)力變化的研究[J].中國(guó)美容醫(yī)學(xué)，2023，32（4）：61-66.