不同形状种植体支持单端固定桥的三维有限元分析

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2017.30.013

摘要/Abstract

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文题释义：

膨胀式种植体：与传统种植体相比，膨胀式种植体植入颌骨后，其根端能够膨开，增加了螺钉末端与骨组织接触面之间所形成的的夹角角度，同时对周围骨组织进行压缩，提高了种植体的把持力，减小种植体的松动率。随着时间发展，周围的骨组织能够逐渐长入膨胀后膨开的缝隙中，形成“骨中有钉、钉中有骨”的立体交叉复合式结构。

有限元模型进行口腔生物力学分析的优势：①几何相似性：实验中的牙齿形态采用CT扫描技术获取牙齿的DICOM格式原始数据，然后经过3D建模和编辑软件Mimics，Unigraphics 处理获取形态结构完整、准确的牙冠模型；②力学相似性：实验将模型各组成部分假设为连续、均匀、各向同性的线弹性体，所获取的应力仍能与实际情况保持较好的力学相似性，可计算出模型内任意部位的应力值和位移值，对应力的内部状态及其他力学性能定量测定的具有较好的代表性；③用计算机根据程序自动给出应力图，并可以进行庞大的数据处理，使结果更为直观。

背景：种植体的形状影响其生物力学表现，目前对种植支持式单端固定桥的研究多在相同形状种植体进行，对不同形状种植体支持的单端固定桥的比较分析较少。

目的：利用三维有限元建模，分析圆柱形、锥形与膨胀式3种种植体支持的单端固定桥在下颌后牙区的生物力学特征。

方法：分别建立圆柱形、锥形与膨胀式种植体支持单端固定桥及其支持组织的三维有限元模型，对单端固定桥轴向90°和颊舌向45°分别施加300 N的力，分析皮质骨、松质骨的von Mises应力及种植体-基台复合体的最大位移。

结果与结论：①在轴向和颊舌向加载力下，3种模型皮质骨的最大应力峰值远大于松质骨，皮质骨的最大应力峰值均集中于近悬臂种植体远中颈部周围；②膨胀式种植体模型在皮质骨中的最大von Mises应力值最低，在轴向加载力下尤其明显，在松质骨中的von Mises应力值最高；③与轴向加载力比较，颊舌向加载力下3种模型皮质骨、松质骨的von Mises应力峰值及种植体-基台复合体最大位移均增大；在颊舌向加载力下，膨胀式种植体模型的种植体-基台复合体最大位移最小；④结果表明，膨胀式种植体支持的单端固定桥稳定性最好。

ORCID: 0000-0003-3077-1335(史久慧)
中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

关键词: 生物材料, 口腔生物材料, 单端固定桥, 膨胀式种植体, 锥状种植体, 三维有限元, 生物力学, 三维重建, von Mises 应力峰值, 应力分布

Abstract:

BACKGROUND: The shape of the implant exerts an effect on its biomechanics. At present, the research of implant-supported fixed partial denture with cantilever extension mainly focuses on the same shape, and little is reported on the comparison and analysis of implant-supported fixed partial denture with cantilever extension supported by different shape implants.

OBJECTIVE: To compare the biomechanical behaviors of cantilever fixed bridges which were supported by three different implants, including cylindrical implant, tapered implant, expandable implant, in the mandibular posterior region with the help of three-dimensional finite element analysis.

METHODS: The three-dimensional finite element models of the cantilever fixed bridges which were supported by cylindrical implant, tapered implant and expandable implant and their surrounding tissue in the mandibular posterior region were established were established. The force of 300 N was applied to the cantilever fixed bridges with axial 90° and buccolingual 45° to evaluate the maximum von Mises stress (Max EQV stress) of cortical bone and cancellous bone and the maximum displacement in implant-abutment complex.

RESULTS AND CONCLUSION: Under axial and buccolingual loads, the Max EQV stress in the cortical bone was higher than that in the cancellous bone. The cantilever fixed bridge which was supported by expandable implant had the lowest Max EQV stress in the cortical bone, especially under axial load, and exhibited the highest Max EQV stress in the cancellous bone. The cantilever fixed bridges supported by three different implants showed an increase in the Max EQV stress of the cortical bone and cancellous bone and the maximum displacement in implant-abutment complex under buccolingual load. The cantilever fixed bridge which was supported by expandable implant had the minimum maximum displacement in the buccolingual direction. To conclude, the cantilever fixed bridge which is supported by expandable implant has best stability.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

Key words: Finite Element Analysis, Dental Implants, Dental Stress Analysis, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

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R318

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图/表（结果） 4

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引言

材料方法

1.1 设计三维有限元分析。

1.2 时间及地点实验于2016年1至8月在哈尔滨工业大学计算机学院完成。

1.3 材料获取1名颌骨形态正常、无颌骨手术史，无牙槽骨吸收和牙周疾病的成人锥形束CT影像学资料。受试者对实验知情同意。

1.4 实验方法

CT扫描：受检者坐于锥形束CT椅位，采用德国卡瓦KaVo 3D eXam 锥形束CT机进行扫描，扫描层厚0.25 mm，数字矩阵640×640，窗宽1 200，窗位640，在电压120 kV 电流15.44 mA条件下，探头沿患者头部扫描一周，共得到断层图像528张，以标准DICOM3.0格式导出，存储，备用。

牙冠三维模型的建立：将DICOM3.0文件导入MIMICS17.0(Materialise 比利时)医学图像处理软件中，利用Crop Mask命令框选，获取包括第二前磨牙、第一磨牙、第二磨牙及其周围骨组织的右下颌骨片段。利用Edit Masks中的Erase命令和Draw命令去擦除建模不需要的部分，留下建模范围，获取45、46、47的牙齿模型。所得数据以.stl文件格式保存，将.stl文件导入Geomagic Studio(Geomagic，美国)中进行逆向建模，同时进行修复生成身体模型.stp文件。再将.stp文件导入Unigraphics NX8.5(UGNX，Siemens，德国)软件，利用删除命令去除45、46、47牙根，保留牙冠作为种植支持式单端固定桥牙冠。其中第二前磨牙、第一磨牙为正常牙冠大小，为避免基牙应力集中，实验对单端桥的桥体进行减径处理，第二磨牙颊舌径约为天然牙的3/5，近远中径约为天然牙的2/3，符合固定桥桥体牙合面大小的设计要求^[8]。保存，备用。

下颌骨模型的建立：结合正常人体下颌骨的尺寸，利用Unigraphics NX8.5绘图软件设计一个9 mm(颊舌向)×25.6 mm(近远中)×23.4 mm(高度)的长方体颌骨块^[9]，内部为松质骨块，上下表面为2 mm的皮质骨^[10]。

牙种植体模型的建立：在Unigraphics NX8.5 软件中进行。膨胀式种植体的形态与尺寸参照解放军第四军医大学口腔医学院研究结果(种植体直径4.3 mm，长13 mm，膨胀角度为2°，膨胀长度比例为3/6)^[¹¹^]，再分别建立直径为4.3 mm、长度为13 mm的圆柱状、锥状种植体，3种种植体都作简化处理，表面无螺纹。牙种植体模型上部基台简化为锥度6°、高4 mm的圆柱体。打开已建好的牙冠模型文件，依据45、46牙冠的长轴方向植入已经建模好的基台和种植体的三维模型。利用软件的移动、旋转命令调整种植体位置，与牙冠进行配合(图1)，再使用布尔操作完成种植体和牙冠以及牙槽骨的组合关系，将此位置定义为0°，所得数据以.x_t文件格式保存(图2)，最后将.x_t文件导入有限元软件Ansysworkbench 16.1(ANSYS，美国)中进行三维有限元分析。

实验假设和材料性质：模型中所有材料假设为连续、均质和各向同性的线弹性，种植体与颌骨全部发生骨结合，即种植体与颌骨为固定接触，修复体和种植体之间亦假设为固定接触。

各材料的力学参数均选自有关文献^[¹²^]。

约束和加载：约束位置为远离分析区的下层皮质骨区，对结果分析影响较小。对模型静态加载，在牙冠面的中央分别加载轴向90°(Axial，AX)和颊舌向 45°( buccolingual，BL) 300 N(每个牙冠加载100 N) 的力(图3)^[¹³^]。

网格划分：模型采用ansys高阶20节点四面体划分(图4)。实验共建立三维有限元模型共3个。

1.5 主要观察指标各组模型轴向与颊舌向加载力下的von Mises应力、种植体-基台复合体最大位移。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

讨论

有限元模型的应用作为一种力学分析的高效先进手段，也作为口腔生物力学领域里一种有效的研究手段，在修复、种植、正颌外科等领域已得到广泛应用^[14]，其实验方法有如下主要的优点：几何相似性：实验中的牙齿形态采用CT扫描技术获取牙齿的DICOM格式原始数据，然后经过3D建模和编辑软件Mimics，Unigraphics 处理获取形态结构完整、准确的牙冠模型；力学相似性：大多数的生物材料都是非均匀性、各向异性，模拟和计算非常复杂。大量研究报道已证实，当进行小变形、静力分析时，可将其简化为连续、均匀、各向同性的线弹性材料，因此，实验将模型各组成部分假设为连续、均匀、各向同性的线弹性体，所获取的应力仍能与实际情况保持较好的力学相似性，可计算出模型内任意部位的应力值和位移值，对应力的内部状态及其他力学性能定量测定的具有较好的代表性；用计算机根据程序自动给出应力图，并可以进行庞大的数据处理，使结果更为直观^[15]。

所有模型在垂直和斜向加载力下，von Mises应力峰值均集中于种植体颈部周围的皮质骨，因为皮质骨弹性模量更大，弹性模量不同的两种成分组成的系统在载荷作用下，高弹性模量的成分应力传导更迅速有效，种植体承受的力会迅速传导到皮质骨，但传递给松质骨的应力极少，所以临床种植体周围骨组织的吸收大多出现在种植体颈部皮质骨处。与临床观察中种植体周围骨吸收大多出现在颈部皮质骨处，而松质骨吸收较少是一致的^[13，16-17]。近悬臂种植体周围应力大于远悬臂种植体，这是由于悬臂梁能够产生I类杠杆作用，对近悬臂梁的种植体产生压应力，相反对远悬臂梁种植体则产生拉应力，抵消了一部分压应力，故近悬臂梁种植体von Mises应力不断增大，远悬臂梁种植体von Mises应力逐渐减少，应力分布不均比较显著，且近悬臂种植体远中皮质骨作为支点导致近悬臂种植体周围应力集中^[10，18]。斜向加载力下种植体周围骨质的von Mises应力峰值远大于垂直加载力^[19-20]，斜向加载力对骨的破坏更大，更易造成种植体周围骨吸收，因此临床应采取减小牙尖斜度、消除干扰等措施，以避免义齿受到过大的侧向力^[21-22]。研究用三维有限元方法比较圆柱形、锥形和膨胀式种植体支持的单端固定桥在骨内的von Mises应力、应力分布和种植体-基台复合体的最大位移。3种模型在颊舌向和垂直向加载力下，膨胀式种植体支持的单端固定桥在皮质骨中的von Mises应力峰值最低，在轴向加载力下尤为明显，这是因为颊舌向加载产生的剪切力较大，轴向力较小，剪切力通过种植体主要传递给颈部皮质骨，产生的应力积累较大，力值较高，因轴向力较小，产生的杠杆作用不明显^[17]。

在皮质骨和松质骨中的高应力分布区域比圆柱形、锥形种植体支持的单端固定桥范围小，而且表现出较为均匀的应力分布，可能由于膨胀式种植体的根端膨开设计增大了种植体和周围骨质的接触面积，能将应力更合理地分散，从而获得更多的骨支持，与常规种植体比较，膨胀式种植体应力传递特性更好。通过有有限元分析发现，膨胀式种植体更有利于颈部到末端的应力分布^[23-26]；膨胀式种植体的外形类似于口小底大的倒锥形，行使功能时可使根方骨质的压强减弱，也起到分散应力的作用^[27-28]；在垂直加载力下，3种模型种植体-基台复合体的最大位移差别不大；在斜向加载力下，膨胀式种植体模型种植体-基台复合体的位移最小，可能是膨胀式种植体的外形设计种植体与骨的接触面积最大，膨胀式种植体的特殊外形具有更好的抵抗脱位的能力，从而降低种植体移动度，在临床工作中膨胀式种植体底部膨开的设计，当膨胀式种植体根端膨开后，对种植体周围骨组织进行挤压，同时形成类似倒锥形的结构，此结构有效减少了冠方向脱位的可能性，随着时间发展，新生的骨小梁会长入膨胀式种植体的膨胀缝隙内，形成一种更加稳固的立体交叉复合式结构，从而增强种植体的稳定性^[29-33]。

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