不同長度種植體固定橋修復種植體的三維有限元受力分析

[摘 要]目的 觀察相同直徑不同長度種植體組合聯(lián)合修復的種植體等效應力分布的區(qū)域及最大等效應力大小。方法 使用Solidworks軟件建立不同長度種植體固定橋三維模型（A組：4.1 mm×10mm與4.8 mm×10 mm；B組：4.1 mm×10 mm與4.8 mm×8 mm；C組：4.1 mm×12 mm與4.8 mm×10 mm；D組：4.1 mm×12 mm與4.8 mm×8 mm），種植體置入位置為右下5和右下7，右下5種植體直徑4.1 mm，右下7種植體直徑4.8 mm，長度分別為8 mm、10 mm、12 mm，并在不同種植固定橋修復模型上施加軸向100 N，斜向45°100 N的力，觀察不同模型種植體最大等效應力分布位置及大小。結果 在軸向及斜向45°力的加載作用下，種植體的最大等效應力分布于種植體頸部；垂直力加載時，C組、D組右下7最大等效應力值均小于A組、B組；右下5的最大等效應力值接近；傾斜力加載時，A、B、C組的右下5最大等效應力值接近，D組稍大于其他三組；右下7的最大等效應力值與A組、C組接近，B組與D組接近。結論 種植固定橋修復中，種植體長度的改變對種植體應力值會產(chǎn)生一定的影響，但變化不顯著。基于此，在臨床中提倡近遠中種植體可選擇長度較長且盡量接近的種植體，而游離端懸臂結構應適當減少近遠中徑及頰舌徑。

[關鍵詞] 種植體；三維有限元；最大等效應力

[中圖分類號] R782.13 [文獻標識碼] A [文章編號] 1004-4949（2024）11-0054-05

基金項目：廣西壯族自治區(qū)衛(wèi)生健康委員會自籌經(jīng)費科研課題（編號：Z20200602）

Three-dimensional Finite Element Stress Analysis of Implant Fixed Bridge with Different Lengths to Repair Implants

WEI Ting-ting

（Department of Stomatology， Liuzhou Municipal Liutie Central Hospital， Liuzhou 545007， Guangxi， China）

[Abstract]Objective To observe the area of the equivalent stress distribution and the maximum equivalent stress of the implant with the same diameter and different length of the implant combination. Methods SolidWorks software was used to establish three-dimensional models of implant fixed bridges with different lengths （group A： 4.1 mm×10 mm and 4.8 mm×10 mm； group B： 4.1 mm×10 mm and 4.8 mm×8 mm； group C： 4.1 mm×12 mm and 4.8 mm×10 mm； group D： 4.1 mm×12 mm and 4.8 mm×8 mm）. The implant was placed at the lower right 5 and lower right 7. The diameter of the lower right 5 implant was 4.1 mm， and the diameter of the lower right 7 implant was 4.8 mm. The length was 8 mm， 10 mm， and 12 mm， respectively. The force of 100 N in the axial direction and 45° 100 N in the oblique direction was applied to the different implant fixed bridge repair models to observe the maximum equivalent stress distribution position and size of the implants in different models. Results Under the loading of axial and oblique 45° force， the maximum equivalent stress of the implant was distributed in the neck of the implant. When the vertical force was loaded， the maximum equivalent stress value of the right lower 7 in group C and group D was smaller than that in group A and group B； the maximum equivalent stress value of the lower right 5 was close； when the inclined force was loaded， the maximum equivalent stress values of the lower right 5 of group A， B and C were close， and group D was slightly larger than the other three groups； the maximum equivalent stress value of the right lower 7 was close to that of group A and group C， and that of group B and group D was close. Conclusion In the repair of implant fixed bridge， the change of implant length will have a certain influence on the stress value of implant， but the change is not significant. Based on this， it is advocated in clinical practice that the mesial and distal implants can be selected with a longer length and as close as possible， while the free end cantilever structure should appropriately reduce the mesial and distal diameters and buccolingual diameters.

[Key words] Implant； Three-dimensional finite element； Maximum equivalent stress

缺失牙種植修復是臨床口腔修復的常用手段，但是在種植修復過程中，通常會因為多種原因造成種植體植入空間不足[1]。因此，種植支持式單端固定橋也逐漸成為修復的一種常見手段。通過選擇種植固定橋的方式修復多顆牙連續(xù)缺失，以減少種植體的植入數(shù)量，從而減小手術創(chuàng)傷[2]。不同缺牙部位選擇的種植體、長度、直徑等存在差異，且不同長度種植固定橋修復種植體會產(chǎn)生不同應力，改變種植支持式單端固定橋的頸部受力，從而對種植成功率產(chǎn)生影響[3，4]。因此，如何選擇種植體長度、寬度，以減少種植體應力是當前研究的重點問題之一[5]。而種植固定橋修復中，不同長度的種植體組合會產(chǎn)生何種應力分布效果仍有待進一步研究[6]。本研究對不同長度的種植體組合種植固定橋應力進行分析，以期為臨床的選擇提供一定的參考依據(jù)，現(xiàn)報道如下。

1 資料與方法

1.1 應用軟件 醫(yī)學圖像處理軟件：MIMICS 20.0（比利時Ma-terialise公司）；三維機械制圖專用軟件：SolidWorks2018（美國SolidWorks 公司）；有限元分析軟件：Abaqus6.14（法國達索Simulia公司）。

1.2 建立模型 尋找1名志愿者，其頜骨形態(tài)正常，無頜骨手術史，無牙槽骨吸收，無牙周疾病，且CBCT影像學資料齊全。將CBCT圖像以DICOM格式導入MIMICS軟件中，并通過調(diào)整灰度值（HU值）范圍分別獲取右下5近中至右下7遠中下頜骨模型，設置下頜骨外圍2 mm厚為皮質(zhì)骨，中間為松質(zhì)骨；再截取右下5、6、7牙冠模型，形成右下5、6、7聯(lián)冠模型。

1.3 種植體和基臺三維模型的建立 掃描登特斯成品直基臺及基臺螺絲實體，建立基臺及基臺螺絲的三維模型。參考登特斯種植體尺寸及參數(shù)[4]，在SolidWorks 軟件中繪制出種植體三維模型，直徑及長度分別為4.1 mm×10 mm、4.8 mm×10 mm、4.8 mm×8 mm、4.1 mm×12 mm。

1.4 模型的裝配組合 將下頜骨、種植體、基臺、聯(lián)冠模型裝配組合，分別在第二前磨牙處放置4.1 mm×10 mm、4.1 mm×12 mm種植體，在第二磨牙處放置4.8 mm×10 mm、4.8 mm×8 mm種植體，形成4組種植固定橋修復模型：A組4.1 mm×10 mm與4.8 mm×10 mm、B組4.1 mm×10 mm與4.8 mm×8 mm、C組4.1 mm×12 mm與4.8 mm×10 mm、D組4.1 mm×12 mm與4.8 mm×8 mm，見圖1、圖2。

1.5 網(wǎng)格劃分及參數(shù)設置 將SolidWorks全部模型組合導入Ansys Workbench軟件中，采用十節(jié)點四面體單元劃分網(wǎng)格。設置皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、上部修復體、純鈦（種植體、基臺及螺絲）的材料參數(shù)[5-8]，包括彈性模量和泊松比，見表1。

1.6 實驗邊界條件設定 所有材料均為各向同性、均勻、線性彈性的材料[9]；種植體與周圍骨組織為完全骨結合，種植體與皮質(zhì)骨及松質(zhì)骨接觸面之間無相對摩擦，基臺、螺絲與種植體均為綁定關系[10]，相互之間不存在滑動。在下頜骨模型底部設定固定約束面。

1.7 力的加載條件 根據(jù)我國人群平均咀嚼力大小為30～300 N[11]，分別于右下5、右下7牙冠咬合面中央設置加載點，給各加載點施力大小為50 N，方向分別為平行于種植體長軸的垂直力及與種植體長軸成45°角的傾斜力。

1.8 觀察指標 觀察不同模型種植體最大等效應力分布位置及大小。

1.9 統(tǒng)計學方法 數(shù)據(jù)導入Excel進行處理，計數(shù)資料以（n）進行描述。

2 結果

垂直力與傾斜力加載時，各組右下5、右下7傾斜力加載時的最大等效應力均大于垂直力加載，見表2；各組右下5、右下7垂直力與傾斜力加載時等效應力分布圖見圖3～圖6。在施加軸向及斜向45°的力時，應力峰值均集中在種植體頸部，即種植體與基臺連接處，力值逐漸向根方變小，呈現(xiàn)一定規(guī)律性。在垂直力加載時，C組、D組的右下7最大等效應力值小于A組、B組；右下5最大等效應力值較為接近。傾斜力加載時，A、B、C組右下5最大等效應力值接近，D組稍大于其他三組；A組與C組右下7最大等效應力值接近，B組與D組接近；而同一模型中，右下5與右下7最大等效應力值相差較大，且右下5大于右下7。

3 討論

相關研究顯示[7，8]，種植體失敗與長度相關，種植體越小，失敗的風險越大。種植體較短會對牙槽骨產(chǎn)生更高的應力和應變，從而使種植體骨界面接觸面積減小，相應均勻的應力分布也較少[9]。但也有研究顯示[10]，與短種植體相比，增加種植體長度可能有助于減少骨變形和最大應力?；诖?，研究不同長度種植體固定橋修復種植體的三維有限元受力情況具有重要的臨床意義[12]。

本研究結果顯示，在軸向及斜向45°力的加載作用下，種植體的最大等效應力分布于種植體頸部。分析認為，可能是因為種植體頸部是與皮質(zhì)骨接觸的部位，而皮質(zhì)骨的彈性模量又遠大于松質(zhì)骨，所以較大的應力均集中在該位置[13]。同時研究顯示，垂直力加載時，C組、D組右下7最大等效應力值均小于A組、B組；右下5的最大等效應力值接近；傾斜力加載時，A、B、C組的右下5最大等效應力值接近，D組的稍大于其他三組；右下7的最大等效應力值與A組、C組接近，B組與D組接近，該結論提示種植體的最大等效應力與種植體長度的增加無顯著的相關性，這可能與種植體直徑無相關性，即在種植固定橋修復中，種植體長度的改變對種植體應力大小的影響并不明顯[14]，該結論與張理生等[15]的報道相似。由于本研究中所產(chǎn)生的最大等效應力值遠小于鈦種植體的強度550 MPa，在安全范圍內(nèi)。而臨床上可能會遇到更大的加載力，因此以上結論具有一定的局限性，具體的受力情況還需要臨床進一步探究證實。

綜上所述，種植固定橋修復中，種植體長度的改變對種植體應力值的變化影響不明顯。臨床上可根據(jù)避開重要解剖結構需要、獲取較好的初期穩(wěn)定性等情況酌情選擇適合的種植體長度。

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收稿日期：2024-4-30 編輯：周思雨