上颌中切牙联冠种植修复体在不同咬合方式中的应力分析

doi:10.12307/2022.093

中国组织工程研究 ›› 2022, Vol. 26 ›› Issue (4): 567-572.doi: 10.12307/2022.093

• 组织工程口腔材料 tissue-engineered oral materials • 上一篇下一篇

上颌中切牙联冠种植修复体在不同咬合方式中的应力分析

白布加甫·叶力思，热娜古丽·买合木提，艾孜买提江·赛依提，王俊祥，尼加提·吐尔逊

新疆医科大学第二附属医院口腔科，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市 830063

收稿日期:2020-10-27 修回日期:2020-10-30 接受日期:2020-12-07 出版日期:2022-02-08 发布日期:2021-11-03
通讯作者: 尼加提·吐尔逊，硕士，主任医师，副教授，新疆医科大学第二附属医院口腔科，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市 830063
作者简介:白布加甫·叶力思，男，1992年生，新疆维吾尔自治区和布克赛尔蒙古自治县人，蒙古族，新疆医科大学在读硕士，主要从事口腔种植修复相关技术研究。
基金资助:
新疆维吾尔自治区自然科学基金项目(2016D01C192)，课题名称：维药买朱尼对种植体周围炎龈沟液中IL-1β以及骨界面改建影响的实验研究，项目负责人：尼加提·吐尔逊

Stress analysis of maxillary central incisor crown implant restoration in different occlusal modes

Baibujiafu·Yelisi, Renaguli·Maihemuti, Aizimaitijiang·Saiyiti, Wang Junxiang, Nijiati·Tuerxun

Department of Stomatology, Second Affiliated Hospital of Xinjiang Medical University, Urumqi 830063, Xinjiang Uygur Autonomous Region, China

Received:2020-10-27 Revised:2020-10-30 Accepted:2020-12-07 Online:2022-02-08 Published:2021-11-03
Contact: Nijiati·Tuerxun, Master, Chief physician, Associate professor, Department of Stomatology, Second Affiliated Hospital of Xinjiang Medical University, Urumqi 830063, Xinjiang Uygur Autonomous Region, China
About author:Baibujiafu·Yelisi, Master candidate, Department of Stomatology, Second Affiliated Hospital of Xinjiang Medical University, Urumqi 830063, Xinjiang Uygur Autonomous Region, China
Supported by:
the Natural Science Foundation of Xinjiang Uygur Autonomous Region, No. 2016D01C192 (to NT)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
口腔种植修复体：是将替代天然牙根的种植体植入颌骨，获取类似于牙固位支持的修复体，其结构主要分为种植体、固位螺丝、修复基台及上部修复体，其中种植体、基台及修复体共同承担固位、支持、力的传导和恢复咀嚼功能，故各结构良好的生物力学性能决定着种植修复体的长期稳定性。
应力：物体由于外因(受力、湿度、温度场变化等)而变形时，在物体内各部分之间产生相互作用的内力，以抵抗这种外因的作用，并试图使物体从变形后的位置恢复到变形前的位置。即在所考察的截面某一点单位面积上的内力称为应力，同截面垂直的称为正应力或反向应力，同截面相切的称为剪应力或切应力。
背景：在口腔种植修复治疗中，不同的咬合接触方式影响着植体内部结构及骨组织处的应力分布，应力分布是否平衡决定着种植体的长期寿命与周围骨质水平的稳定性。
目的：探讨上颌中切牙联冠种植修复体的3种咬合关系中不同咬合接触方式对修复体、种植体、修复基台、固位螺丝、骨组织、粘结剂及修复体内部应力分布的影响。
方法：从数据库中提取1例上颌中切牙区种植修复患者的锥形束 CT 影像资料，运用 Mimics 19.0 软件建立上颌骨模型，将颌骨模型导入Solidworks 2017软件后，构建上颌中切牙联冠修复体模型。在ANSYS Workbench 17.0软件中分别模拟对刃合、正常合、深覆合3种咬合状况和联冠远中缘、种植体直径中点、联冠中点3种咬合接触方式进行加载，分析在3种咬合关系与3种加载方式影响下种植修复体内部各结构与骨组织的应力分布情况。
结果与结论：①在对刃合组中，当接触方式从远中缘转变为种植体直径中点及联冠中点时，种植修复体内部结构、骨组织、粘结剂的应力大小相应减小；②在正常合组中，当接触方式从远中缘转变为种植体直径中点及联冠中点时，种植修复体内部结构、骨组织、粘结剂的应力大小相应减小；③在深覆合组中，当接触方式从远中缘转变为种植体直径中点及联冠中点时，种植修复体内部结构、骨组织的应力大小相应增大，而粘结剂处的应力逐渐增大；④结果表明不同的咬合接触方式与不同的咬合关系影响种植修复体各组成部件及骨组织、粘结剂的应力分布，此结论或许能为种植修复体调整咬合接触提供参考依据。

https://orcid.org/0000-0002-1446-9577 (白布加甫·叶力思)

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: 种植修复体, 咬合接触, 咬合, 应力, 生物力学, 三维有限元, 有限元分析, 骨组织

Abstract: BACKGROUND: In the treatment of oral implant repair, different occlusal contact methods affect the internal structure of the implant and the stress distribution in the bone tissue. Whether the stress distribution is balanced or not determines the long-term life of the implant and the stability of the surrounding bone level.
OBJECTIVE: To explore the effects of different occlusal contact modes on the internal stress distribution of restoration, implant, abutment, retention screw, bone tissue, binder and restoration in three kinds of occlusal relationship of maxillary central incisor implant.
METHODS: The cone beam CT image data of one volunteer undergoing implant restoration of the maxillary central incisor were extracted from the database. Mimics 19.0 software was utilized to build the maxillary model, and the maxillary model was imported into Solidworks 2017 software to build the maxillary central incisor crown restoration model. Using ANSYS Workbench 17.0 software, three occlusal contact modes of end-to-end occlusion, normal occlusion, and deep overbite occlusion were loaded by simulating the distal middle edge of the crown, the midpoint of the implant diameter and the midpoint of the joint crown. The stress distribution of each structure and bone tissue in the implant restoration was analyzed under the influence of three kinds of occlusal relationship and three loading modes.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) In the end-to-end occlusion group, when the contact mode changed from the distal margin to the midpoint of the implant diameter and the midpoint of the crown, the stress of the internal structure, bone tissue and binder of the implant decreased accordingly. (2) In the normal group, when the contact mode changed from the distal margin to the midpoint of the implant diameter and the midpoint of the joint crown, the stress of the internal structure, bone tissue and binder of the implant decreased accordingly. (3) In the deep overbite group, when the contact mode changed from the distal margin to the midpoint of the implant diameter and the midpoint of the crown, the stress of the internal structure and bone tissue of the implant increased accordingly, while the stress of the binder gradually increased. (4) The results show that different occlusal contact modes and occlusal relationship affect the distribution of stress in each structure, bone tissue and binder of implant restoration. This conclusion may provide a reference basis for the adjustment of occlusal contact of implant restoration.

Key words: implant restoration, occlusal contact, occlusal, stress, biomechanics, three-dimensional finite element, finite element analysis, bone tissue

中图分类号:

白布加甫·叶力思, 热娜古丽·买合木提, 艾孜买提江·赛依提, 王俊祥, 尼加提·吐尔逊. 上颌中切牙联冠种植修复体在不同咬合方式中的应力分析[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(4): 567-572.

Baibujiafu·Yelisi, Renaguli·Maihemuti, Aizimaitijiang·Saiyiti, Wang Junxiang, Nijiati·Tuerxun. Stress analysis of maxillary central incisor crown implant restoration in different occlusal modes[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2022, 26(4): 567-572.

图/表（结果） 9

2.1 不同接触点对同类咬合关系中种植修复体及骨组织应力分布的影响见图3-5。

在对刃合组中，应力峰值随着咬合接触方式的改变而变化，此时应力主要集中在联冠修复体与固位螺丝处，各接触点之间应力峰值差值较小，变化不突出。随着接触点从远中缘到种植体中点、联冠中点的改变，种植修复体内部结构、骨组织、粘结剂的应力大小相应减小。力作用于远中缘时种植体各部件等效应力峰值最高，应力更集中，最大值位于固位螺丝处，见图3及图6。

在正常合组中，当接触点位于联冠中点时，修复体、修复基台、固位螺丝、种植体、骨组织及粘结剂的应力峰值相对与其他两种接触方式更低。力作用于远中缘时种植体各部件等效应力峰值最高，应力更集中，最大值位于联冠修复体处，见图4及图7。

在深覆合组中，随着接触点远中缘、种植体直径中点、联冠中点的改变，修复基台、固位螺丝、种植体及骨组织的应力大小增加，而粘结剂处的应力大小逐渐减小。当接触点位于联冠中点时，种植修复体内部结构、骨组织处的应力状况相较于其他两种接触方式应力更为集中，最大值位于固位螺丝处，见图5及图8。

2.2 同类接触点在不同咬合关系中种植修复体模型各部件应力最大值见表3-5。在接触点为联冠远中缘时，3组咬合关系应力分布不相同，各部件于对刃合组受力最大，深覆合组受力最小；其中在对刃合组和深覆合组中，等效应力峰值的最大值位于固位螺丝处；而正常合组中，修复体处的应力峰值相较于其他各部件应力更为集中，见表3。在接触点为种植体中点时，等效应力峰值的最大值也位于对刃合组固位螺丝处；正常合组中，修复体处的应力峰值相较于其他各部件应力更为集中；同时正常合组中修复体的应力峰值高于其他两组，见表4。在接触点为联冠中点时，对刃合组中种植修复体各部件、骨组织、粘结剂的应力峰值高于其他两组，见表5。

参考文献

[1] PRADO FB, ROSSI AC, FREIRE AR, et al. The application of finite element analysis in the skull biomechanics and dentistry Indian. J Dent Res. 2014; 253(3): 390-397.
[2] VAN STADEN RC, GUAN H, LOO YC. Application of the finite element method in dental implant research. Comput Methods Biomech Biomed Engin. 2006;9(4): 257-270.
[3] TRIVEDI S. Finite element analysis: A boon to dentistry. J Oral Biol Craniofac Res. 2014;4(3):200-203.
[4] 韩丽会,邱晓霞,邢旭娜,等.上颌前牙区种植方案中角度设计的三维有限元分析[J].上海口腔医学,2015,24(2):157-163.
[5] 王淑英,江青松,蒋向华,等.钛基台支持的CAD/CAM全瓷单冠不同载荷位置的三维有限元应力分析[J].北京口腔医学,2019,27(2):72-75.
[6] 魏玮,张寒,陈梦琦,等.钛材料仿生天然磨牙的三维有限元分析[J].南京医科大学学报(自然科学版),2019,39(7):1057-1061.
[7] SHURBAJI MOZAYEK R, ALLAF M, ABUHARB MB. Efficacy of adding a supporting implant in stress distribution of long-span fixed partial dentures: a 3D finite element analysis. J Dent Res Dent Clin Dent Prospects. 2016;10(2):81-86.
[8] 雍苓,黄仕禄,刘洪,等.不同骨缺损类型牙种植体的三维有限元分析[J].医用生物力学,2016,31(2):148-153.
[9] HUSSEIN FA, SALLOOMI KN, ABDULRAHMAN BY, et al. Effect of thread depth and implant shape on stress distribution in anterior and posterior regions of mandible bone: A finite element analysis. Dent Res J. 2019;16(3):200-207.
[10] OZAN O, KURTULMUS-YILMAZ S. Biomechanical comparison of different implant inclinations and cantilever lengths in all-on-4 treatment concept by three-dimensional finite element analysis. Int J Oral Maxillofac Implants. 2018;33(1):64-71.
[11] DU L, LI Z, CHANG X, et al. Effects of the screw-access hole diameter on the biomechanical behaviors of 4 types of cement-retained implant prosthodontic systems and their surrounding cortical bones: A 3D finite element analysis. Implant Dent. 2018;27(5):555-563.
[12] SHERIDAN RA, DECKER AM, PLONKA AB, et al. The role of occlusion in implant therapy: A comprehensive updated review. Implant Dent. 2016;25(6):829-838.
[13] NIROOMAND MR, ARABBEIKI M. Effect of the dimensions of implant body and thread on bone resorption and stability in trapezoidal threaded dental implants: a sensitivity analysis and optimization. Comput Methods Biomech Biomed Eng. 2020;(5):1-9.
[14] JIANG X, YAO Y, TANG W, et al. Design of dental implants at materials level: An overview. J Biomed Mater Res A. 2020;108(8):1634-1661.
[15] ROBERTS SD, KAPADIA H, GREENLEE G, et al. Midfacial and dental changes associated with nasal positive airway pressure in children with obstructive sleep apnea and craniofacial conditions. J Clin Sleep Med. 2016;12(4):469-475.
[16] 罗强,丁茜,张磊,等.后牙种植冠桥修复后局部咬合变化的定量分析[J].北京大学学报(医学版),2019,51(6):1119-1123.
[17] LEE DJ, LEE JM, KIM EJ, et al. Bio-implant as a novel restoration for tooth loss. Sci Rep. 2017; 7(1): 7414.
[18] 甘雪琦,肖宇,马瑞阳,等.种植体的生物力学研究[J].华西口腔医学杂志, 2019,37(2):115-123.
[19] 张永丽.四种不同形状种植体应力分布比较的三维有限元分析[D].济南:山东大学,2003.
[20] 赵宝红,张娇, 蔺增,等.种植体长度与直径对骨界面应力分布影响的三维有限元分析[J].口腔医学,2014,34(1):22-27.
[21] LIU ZY, ZHAO L, YANG LY, et al. Three-dimensional finite element analysis of different endodontic access methods and full crown restoration in the maxillary central incisor. West China Stomatol. 2019;37(6):642-647.
[22] BAYRAK A, YARAMANOLU P, KLARSLAN MA, et al. Biomechanical comparison of a new triple cylindrical implant design and a conventional cylindrical implant design on the mandible by three-dimensional finite element analysis. Int J Oral Maxillofac Implants. 2020;35(2):257-264.
[23] KANG X, LI Y, WANG Y, et al. Relationships of stresses on alveolar bone and abutment of dental implant from various bite forces by three-dimensional finite element analysis. BioMed Res Int. 2020;2020(2):1-9.
[24] MORITA J, WADA M, MAMENO T, et al. Ideal placement of an implant considering the positional relationship to an opposing tooth in the first molar region: a three-dimensional finite element analysis. Int J Implant Dent. 2020;6(1):31.
[25] TRIBST JPM, DAL PIVA AMO, BORGES APLS, et al. Does the prosthesis weight matter? 3D finite element analysis of a fixed implant-supported prosthesis at different weights and implant numbers. J Adv Prosthodont. 2020;12(2):67-74.
[26] 连颂峰,林敬凯,蔡坤灿,等.CAD/CAM纯钛烤瓷冠的抗疲劳性与抗折性分析[J].上海口腔医学,2019,28(2):118-122.
[27] AZCARATE-VELÁZQUEZ F, CASTILLO-OYAGÜE R, OLIVEROS-LÓPEZ LG, et al. Influence of bone quality on the mechanical interaction between implant and bone: A finite element analysis. J Dent. 2019;88:103161.
[28] TOIA M, STOCCHERO M, JINNO Y, et al. Effect of misfit at implant-level framework and supporting bone on internal connection implants: Mechanical and finite element analysis[J]. International J Oral Maxillofac Implants. 2019; 34(2): 320-328.
[29] 邹英楠,王屹博,丁超,等.动态载荷下双种植体单冠修复下颌磨牙的三维有限元分析[J].口腔医学,2019,39(12):1078-1081+1094.
[30] DELGADO-RUIZ RA, CALVO-GUIRADO JL, ROMANOS GE. Effects of occlusal forces on the peri‐implant‐bone interface stability. Periodontology. 2019;81(1):179-193.
[31] RODRIGUES EDS, BENETTI P, CARLI JP, et al. A Comparison of torque stress on abutment screw of external hexagon and morse taper implant. J Contemp Dent Pract. 2018;19(11):1306-1311.
[32] MANEA A, BACIUT G, BACIUT M, et al. New dental implant with 3D shock absorbers and tooth-like mobility—prototype development, finite element analysis (FEA), and mechanical testing. Materials. 2019;12(20):3444.

引言

在口腔种植中，颌骨通常对种植体表现出不可预测的生物力学反应，这使整个植入和整合过程复杂化。生物力学的理论基础解释了基于上颌骨的颅骨结构和下颌骨的应力消散轨迹，然而，没有科学证据表明咀嚼活动产生的咬合张力是如何转移到牙槽骨并从牙槽骨转移到颅骨[1]。骨是一种自适应材料，这意味着当周围的应力发生变化时，骨组织结构会自行调整以适应新的加载环境，这种重塑既包括骨密度的内部改变，也包括骨形状的外部改变。正常生物应力变化引起的骨改建是导致种植失败的重要因素之一，这就是所谓的应力遮挡效应。应用有限元法对植入物进行多参数优化，可以最大限度地减小应力遮挡效应，从而保证植入物的成功率[2]。此外，上颌中切牙的位置在整个牙弓形态中至关重要，其位置决定了种植体修复体所受的应力中包括非垂直向力，上颌中切牙唇、腭侧牙颈部所受的力不同，颊侧为压应力，腭侧为拉应力，因此上颌中切牙唇侧颈部更容易出现骨质吸收。咀嚼运动使种植体及种植修复体承担着巨大的机械应力，因此要充分考虑种植体和种植修复体所承受的应力。然而目前还没有基于证据的、植入物特有的咬合概念，这方面更多的研究进一步说明了咬合和种植成功之间的关系。现从力学角度探讨上颌中切牙联冠种植体在不同咬合接触方式中的应力分布，目的是找出种植体周围骨丢失的机械影响以及应力对修复体稳定性影响的风险，从而优化种植手术方案。
有限元分析是一种分析任何给定几何结构中的应力和变形数值的方法，它不影响被分析材料的物理特性，因此很容易重复，是研究生物力学和机械力对生物系统影响的一种无创性工具，已被广泛接受。有限元分析已被应用于研究种植体的生物力学特性，以及在临床条件下预测种植体的成功与否，三维建模技术也在一定程度上满足了模拟骨组织及其外加机械力的需求。有限元分析可以深入了解种植体中的应力分布，以及种植体周围骨中的应力大小[3]。

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

材料方法

1.1 设计 3D建模及三维有限元分析实验。
1.2 时间及地点于2019年3-9月在新疆医科大学第二附属医院口腔科完成。

1.3 材料选择1例2019-2020年在新疆医科大学第二附属医院口腔科行上颌中切牙区种植修复患者的资料为建模素材，男性，年龄27岁。患者骨质无缺损，无颌骨区域创伤史、病理性损伤，无X射线伪影影响颌骨识别，无双膦酸盐用药史以及其他影响骨质的因素。种植体类型为3.3×10 BL NC种植体，见表1。上部修复体为粘结固位，患者对此次研究知情同意。

1.4 实验方法
1.4.1 影像资料获取通过美国卡瓦公司Kavo 3D eXam三维影像系统获得患者原始影像资料，文件为DICOM格式，共301张。患者对此次研究知情同意。
1.4.2 颌骨三维模型的建立通过锥形束CT采集所得的人体组织数据，在Mimics 19.0软件中，根据灰度分割，可以提取出人体中包括正常颌骨、牙等硬组织。将提取的数据存为.STL格式。将该格式文件导入Geomagics studio 2013软件中，可以应用Mimics 19.0导出的数据对模型进行重画网格、去除特征、降噪和光顺化处理。通过精确曲面等构建顺滑的NURBS曲面，最终形成三维实体上颌骨模型。
1.4.3 种植修复体三维模型建立运用Solidworks软件建模，使用卡尺工具测绘种植体、固位螺丝、修复基台的尺寸。根据士卓曼公司产品目录，产品参数以及产品说明书，确定种植修复体各部件的尺寸信息。在Solidworks软件中通过草图绘制命令绘制出种植体各部件平面草图，然后再通过特征命令，旋转凸台/基体、拉伸切除、扫描切除等命令构建种植修复体各部件的零件几何体。通过工具栏中曲面命令中的等距曲面和放样曲面菜单命令在冠部修复体和修复基台之间构建粘结剂零件几何体，厚度为30 µm。在新建的装配体操作栏中，插入各部件的参考几何体生成布局，使用添加几何关系命令约束坐标系原点，使其与锥形束CT影像资料重合。在此基础上确定牙冠与颌骨的坐标原点，在装配操作界面中调整种植体在颌骨中的位置。在零件操作界面中，使用联合、相交、相减等菜单命令进行布尔运算去除各个零部件之间的干涉；种植修复体各零部件组装完成后，再通过菜单栏中的评估命令进行模型检查，排除错误及干涉。在ANSYS Workbench 17.0软件中导入已建好的三维模型后，搭建静力分析框架，设置分析材料后进入分析界面。在该操作平台赋予模型材料，给予接触关系，设置网格参数，见图1。划分结果：修复种植体总结点数672 002，总单元数434 763。

1.4.4 实验假设及边界约束材料特性：假设建模中使用的所有材料都是连续的、均匀的、线弹性的和各向同性的，材料的弹性性能均来自文献。种植体与骨组织之间骨结合类型为完全骨结合，且与骨组织之间无摩擦不移动；联冠修复体、修复基台、固位螺丝、种植体之间连接紧密无摩擦，设置接触类型为绑定接触，见图2。设置载荷类型为静态载荷，加载力值为每个牙位200 N。固定边界后设定载荷部位为对刃合冠修复体切缘正中点、正常合腭侧切1/3中点及深覆合腭侧颈部1/3中点，加载方向与牙长轴呈45°角。根据固定桥的力与力臂的关系，分别在联冠远中缘、种植体直径中点、联冠中点进行加载。牙冠参考三维模型研究对象中切牙形态，基台选用粘结固位15°基台及对应固位螺丝。与实验有关组织和材料的物理参数[4-11]，见表2。

1.5 主要观察指标观察3组咬合关系下9种组合情况中的联冠修复体、修复基台、固位螺丝、种植体、粘结剂、骨组织，得出骨组织、种植体、修复基台、固位螺丝以及3种不同咬合关系的等效应力最大值以及应力分布云图。

讨论

咬合和咬合创伤对天然牙的影响已被广泛研究，但有关种植修复咬合的文献有限，牙齿和种植体之间的生物生理学差异使得天然牙齿的咬合文献几乎不可能应用于种植体。此外，在研究种植体咬合方面还存在一些挑战，包括其可行性和在临床研究中咬合的伦理学问题，因此，大多数关于种植体咬合的现有信息都依赖于工程学和力学的原理来理解种植体咬合[12]。如今，有限元方法在解决许多科学和工业领域的工程问题中起着重要作用，并且还可以成功应用于生物力学系统和口腔植入物的仿真中，这也使研究种植修复体内部结构以及骨组织的受力分布情况更为广泛[13]。有限元在宏观尺度上的模拟能力，为复杂生物力学问题的分析提供了一种非常有用和有效的方法，可以应用于观察种植体的应力分布和材料研究[14]。此次研究通过这种方法建立了种植修复体的三维有限元模型，观察3组咬合关系下的9种组合情况中，联冠种植修复体各部件以及骨组织的应力大小和分布情况。
在天然牙列中，咬合面磨耗、牙周病、颞下颌关节病、正畸治疗、牙齿移位和继续萌出等多种因素均会影响咬合力分布和咬合接触[15]。有研究指出种植修复体由于缺少天然咬的牙周膜结构，不能随着邻近天然牙的位置变化而变化。局部种植修复后剩余天然牙咬合面的磨耗和继续萌出会导致种植修复体的咬合不断变化，表现为咬合力和咬合时间的变
化[16]。正常人的咬合接触在整个生命周期中可能是变化的，由于缺乏牙周膜，牙种植体容易由于咬合力不当而导致牙槽骨吸收[17]。如果种植修复体的咬合接触不协调，可能会发生咬合过载，咬合过载是指通过正常功能或副功能习惯对种植体施加的力，从而导致结构或生物损伤，咬合过载与修复体、种植体结构或周围牙槽骨的损伤有关。种植体咬合的目的应该是创造一个生理性的、稳定的咬合，避免咬合过载，并防止不必要的种植体并发症。咬合力，就像所有的力一样，可以用大小、持续时间、分布和方向4种方式来描述[12]。
以往有学者注重于种植修复体材料的研究并指出冠部使用不同的材料会影响应力的分布和传递。使用硬度较低的材料会减少施加在颌骨的应力，并且会吸收更多的外加负荷产生的能量，转移较少的能量到种植体-基台复合体和骨界面上[18]。张永丽[19]则注重于种植体形态结构的研究，比较了4种不同形状种植体(光滑圆柱形种植体、螺纹圆柱形种植体、光滑圆锥形种植体、螺纹圆锥形种植体)的应力分布差异，发现无论是否有螺纹，柱形种植体颈部的最大Von Mises应力均大于锥形种植体，而根端部位的最小Von Mises应力均小于锥形种植体，即锥形种植体的应力分布情况较柱形更合理。赵宝红等[20]的研究指出，在种植体长度与直径的选择中，直径与长度越大，种植体-骨界面的应力集中越小，但与长度相比直径的影响更加显著。然而目前口腔种植学领域涉及两种类型的有限元分析研究：即时间相关研究和时间无关研
究。时间相关研究有一个有效期，在该有效期内必须进行该过程；时间无关研究没有有效期，但只分析单个时间点的应力分布。近几年已经发表了几项独立于时间分析的生物力学研究[21-28]；此外，也有研究利用动态分析方法，更加准确地模拟了口腔咀嚼运动过程[29]。为了解释或分析生物现象中涉及的力学特性，例如咀嚼运动往往涉及到时间因素，涉及时间的有限元模型可能更接近临床实际。如果考虑到时间因素，则需要动态优化和边界条件，例如阐明肌肉骨骼结构对运动功能的影响，然而这就意味着必须建立一个包括许多参数和属性的、更复杂的模型，其中一些临床实际的生理数据是难以测量的，所以动态临床模型建立的困难可能解释了为什么有限元分析中涉及时间的咀嚼模型很少见。
此次研究通过在联冠修复体咬合接触面上的不同加载点来模拟力的不同分布，以了解可能导致应力集中的接触方式，从而预防咬合过载和可能的相关并发症。在前牙咬合关系中存在对刃合、正常合(浅覆合、浅覆盖)、深覆合、反合、开合、深覆盖这几类咬合关系，反合、开合、深覆盖不存在牙冠腭面受力的情况，故不做研究。此次实验建立了一个种植修复模型并通过模仿3种咬合状态建立了3个实验组：对刃合组、正常合组、深覆合组，通过观察分析联冠远中缘、种植体直径中点、联冠中点这3种不同咬合接触方式中模型各部件的应力分布情况和大小。实验结果显示，在咬合关系相同的情况下，不同的咬合接触方式，模型各部件应力分布云图较接近，但等效应力峰值不同，这表明不同咬合接触方式中应力集中的程度有区别，这一结果在临床种植修复完成后调整咬合时提示操作者，需谨慎处理咬合接触点，避免因不适宜的咬合接触点而造成应力集中影响种植体的使用寿命。在对刃合与正常合组中，加载点位于远中缘处的等效应力峰值大于加载点位于种植体中点、联冠中点处；当加载点位于联冠中点处
时，修复体、修复基台、固位螺丝、粘结剂、种植体颈部与骨组织处的等效应力峰值最小，其中修复体的等效应力峰值变化最显著，而固位螺丝的等效应力峰值最高，这提示临床操作者，咬合接触点位于联冠中点时，可能会达到减小应力集中的目的从而减少机械并发症发生的可能。实验结果中还提示，当为对刃合咬合关系时，除修复体外，各接触方式应力峰值变化不显著，这可以说明对刃合时咬合接触方式可能不是应力集中的主要原因，如果需要较大的减小应力可能需要尝试其他方法。而该种咬合关系下在加载点为远中缘时，出现了较高的应力集中，这可能是在模型处理过程中存在个别过锐利的尖角导致的；或者可能该处力臂较大离固位体支点较远，由于杠杆效应导致应力集中，如果是这样要尽可能避免临床中出现该咬合接触方式。当咬合关系为深覆合时，加载点位于远中缘处，修复体、固位螺丝、种植体、骨组织、粘结剂的等效应力峰值最小，但当加载点位于联冠中点处，各观察对象中固位螺丝处等效应力峰值最高。如果实际情况与该结果接近，说明深覆合时咬合接触点位于远中边缘可以达到减小应力的效果，这为咬合调整提供了参考，临床咬合关系检查中，该结果可能会帮助临床医生了解不同咬合接触方式的应力分布情况。而由于此次研究为静态加载，而实际咬合运动是包括时间在内动态变化的过程，而有限元模型反映的只是某一刻、某一特定范围的力学特征，难以完全模拟实际情况。在临床实际中许多生理数据难以测量、建模过程繁琐复杂、对材料以弹性模型和泊松比加以区分、没有进行术前和术后的对比研究、因资金和实验条件的限制因素没有对实验材料的弹性模量进行测量只是引用了以往的结果等因素，使实验结果与真实情况存在出入，因此还需与临床的随访结果相对比进一步完善模型。种植修复长期的成功取决于整个种植体修复组件上的应力分布，临床上很难评估这些应力分布，体外生物力学测试提供了材料疲劳、磨损和变形的证据。然而，临床和体外试验都是昂贵、耗时的，而且在控制某些变量方面有局限性。三维有限元分析最适合于评估种植体、修复体和牙槽骨的复杂几何形状，它可以提供更多的信息来支持和加强对种植体并发症机制的理解。此次研究是基于理想测试条件下的数值设置，在未来还需要更多的研究来进行比较，以及通过体外机械测试进行验证。未来的研究应该评估与咬合运动有关的静力分析及循环加载，进一步了解机械并发症的相关因素。
有研究认为，种植体-骨界面不具有能够减少咬合载荷影响的减震机制，所有的力都将被界面吸收，这些力产生的机械刺激已经被认为是维持骨整合或破坏骨整合的关键，一定大小的力可以随时间增加骨密度和骨强度。最近的研究证实，大约2.0 MPa的骨应力会导致骨形成，而超过4.0 MPa的应力会导致骨吸收[30]，均小于此次实验骨组织处的等效应力峰值，有理由认为此次实验3组咬合关系模型均发生了应力集中，造成这一结果可能是在建模过程中所做的假设和软件的局限性使结果不准确。在此次研究中，固位螺丝处等效应力峰值最高，大于文献报道的钛合金的屈服强度626-
860 MPa[31]，这是否提示需要对种植修复体各部件或某一部件进行改进，达到减小应力的效果。然而却有研究提出，一种新的、独创的种植体设计，它复制了天然牙齿的三维生理移动性，第一阶段的测试跟踪了植入物对机械应力的抵抗力以及周围骨骼的行为，在第一组结果出来之后，对设计进行了修改；在第二阶段，进行力学测试并结合有限元分析来检验改进后的种植体设计，证明了该概念的有效性[32]。实验结果可能在种植修复前建立咬合关系以及在种植修复完成后调整咬合接触点时，为临床医生提供减小应力集中的参考；同时也可以找出种植体周围骨吸收的机械影响以及应力对修复体稳定性影响的风险，从而优化种植手术方案。

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

上颌中切牙联冠种植修复体在不同咬合方式中的应力分析

Stress analysis of maxillary central incisor crown implant restoration in different occlusal modes

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表（结果） 9

参考文献

相关文章 15

引言

材料方法

讨论

文章快阅

延伸阅读

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	王建平, 张晓辉, 余进伟, 魏绍亮, 张新民, 许幸新, 曲海军. 三维图像配准及坐标变换膝关节运动分析在机构学中的应用[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(在线): 1-5.
[2]	魏国强, 李云峰, 王一, 牛晓芬, 车丽芳, 王海燕, 李志军, 史国鹏, 白灵, 莫凯, 张晨晨, 许阳阳, 李筱贺. 非均匀材料股骨在不同负荷情况下的生物力学分析[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(9): 1318-1322.
[3]	吕倩忆, 陈芯仪, 郑慧娥, 何灏龙, 李棋龙, 陈楚淘, 田浩梅. 不同角度肘按法对正常人腰椎椎体及后部结构的应力和位移分析[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(9): 1346-1350.
[4]	张玉芳, 吕蒙, 梅钊. 青少年脊柱侧弯全脊柱生物力学模型的构建及验证[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(9): 1351-1356.
[5]	张吉超, 董跃福, 牟志芳, 张震, 李冰言, 徐祥钧, 李佳意, 任梦, 董万鹏. 骨关节炎患者在不同步态角度下膝关节内部生物力学变化的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(9): 1357-1361.
[6]	白子兴, 曹旭含, 孙承颐, 杨艳军, 陈思, 温建民, 林新晓, 孙卫东. 步态周期中踝关节有限元模型的构建及生物力学分析[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(9): 1362-1366.
[7]	刘峰, 冯毅. 步态周期下不同克氏针张力带治疗髌骨横行骨折的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(9): 1367-1371.
[8]	姚晓玲, 彭建城, 许岳荣, 杨志东, 张顺聪. 可变角度零切迹前路椎间融合内固定系统治疗脊髓型颈椎病：30个月随访[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(9): 1377-1382.
[9]	肖豪, 刘静, 周君. 脉冲电磁场治疗绝经后骨质疏松症的研究进展[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(8): 1266-1271.
[10]	段超, 尚晓强, 段祥林, 杨平, 陶圣祥. 聚髌爪固定与袢钢板结合聚髌爪固定治疗髌骨下极粉碎性骨折的稳定性对比[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(6): 934-937.
[11]	李桂军, 方晓辉, 孔维峰, 袁晓庆, 金荣忠, 杨俊. 微型钢板联合超强缝线弹性固定治疗拇外翻畸形的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(6): 938-942.
[12]	温明韬, 梁学振, 李嘉程, 许波, 李刚 . 两种方式固定Sanders Ⅱ型跟骨骨折后的力学稳定性[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(6): 838-842.
[13]	王海龙, 李龙, 买合木提·亚库甫, 陈洪涛, 刘旭, 伊力哈木·托合提. 髋臼假体在Lewinnek 安全区内应力分布的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(6): 843-847.
[14]	黄浩, 洪嵩, 瓦庆德. 全膝关节置换过程中股骨假体旋转对髌股关节接触压影响的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(6): 848-852.
[15]	郑永泽, 郑利钦, 何兴鹏, 陈心敏, 李木生, 李鹏飞, 林梓凌. 基于ABAQUS软件股骨颈骨折的扩展有限元建模分析[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(6): 853-857.