三维有限元分析种植体支持平面型及弹性衬垫型磁性覆盖义齿在正常骨及骨质疏松状态下的应力

doi:10.12307/2022.254

中国组织工程研究 ›› 2022, Vol. 26 ›› Issue (16): 2540-2544.doi: 10.12307/2022.254

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三维有限元分析种植体支持平面型及弹性衬垫型磁性覆盖义齿在正常骨及骨质疏松状态下的应力

李元1，宋亮1，张建国2，胡凤玲1

1上海市第五人民医院口腔科，上海市 200240；2上海应用技术大学机械工程学院，上海市 201418

收稿日期:2021-04-30 修回日期:2021-05-11 接受日期:2021-06-28 出版日期:2022-06-08 发布日期:2021-12-23
通讯作者: 胡凤玲，主治医师，上海市第五人民医院口腔科，上海市 200240
作者简介:李元，男，1989年生，天津市人，朝鲜族，主治医师，主要从事口腔种植修复研究。
基金资助:
上海市自然科学基金面上资助项目(19ZR1455100)，项目负责人：张建国；上海市闵行区自然科学基金(2019MHZ039)，项目负责人：胡凤玲

Three-dimensional finite element analysis of stress distributions in osteoporosis and normal mandibular dental implant-supported overdentures with flat-type and cushion-type magnetic attachments

Li Yuan1, Song Liang1, Zhang Jianguo2, Hu Fengling1

1Department of Stomatology, Fifth People’s Hospital of Shanghai, Shanghai 200240, China; 2School of Mechanical Engineering, Shanghai Institute of Technology, Shanghai 201418, China

Received:2021-04-30 Revised:2021-05-11 Accepted:2021-06-28 Online:2022-06-08 Published:2021-12-23
Contact: Hu Fengling, Attending physician, Department of Stomatology, Fifth People’s Hospital of Shanghai, Shanghai 200240, China
About author:Li Yuan, Attending physician, Department of Stomatology, Fifth People’s Hospital of Shanghai, Shanghai 200240, China
Supported by:
the General Funding Project of Shanghai Natural Science Foundation, No. 19ZR1455100 (to ZJG); Natural Science Foundation of Minhang District, Shanghai, No. 2019MHZ039 (to HFL)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
全口种植覆盖义齿：一般在无牙颌中植入2-4枚种植体，借助于植入颌骨内并获得骨结合的种植体及附着于其上的附着体来为全口义齿提供固位、支持和稳定，且患者可以自行摘戴的修复体，其克服了全口义齿固位不良的缺点。而相对于全口种植固定义齿修复，其降低了对骨质、骨量的要求，减少了种植体的数量及费用，减少了手术创伤，降低了手术要求，制作技术相对简单，义齿在行使功能时使上下颌骨受力更均匀、合理，提高了患者的满意度。
磁性附着体：由嵌入义齿内的磁性固位体(磁铁)及固定于牙根或种植体内的磁性或可磁化材料(衔铁)作为固位装置的修复体。磁性附着体义齿在继承覆盖义齿原有优点和功能的情况下，在基牙和义齿间有一定的固位力，克服了传统覆盖义齿固位上的缺陷，使覆盖义齿的修复质量显著提高。

背景：种植磁性覆盖义齿借助种植体、磁性附着体及口腔黏膜为义齿提供固位、支持和稳定，因此种植磁性覆盖义齿对无牙颌患者特别是颌骨状况不理想的患者尤为合适。
目的：比较下颌骨种植体支持的平面型及弹性衬垫型磁性附着体义齿在正常骨质和骨质疏松状态下的生物力学特性。
方法：选取1例符合要求的无牙颌患者下颌骨、覆盖义齿CT数据，建立包含下颌骨、种植体、磁性附着体及覆盖义齿的三维有限元模型，其中骨质状态有正常骨质与骨质疏松两种情况，磁性附着体有平面型及弹性衬垫型两种。对每种模型的覆盖义齿施加4个加载力，分别为下颌切牙的垂直向加载力、右下尖牙的垂直向加载力、右下第一磨牙的垂直向和倾斜向(颊舌向倾斜45°)加载力，加载力大小均为100 N，分析皮质骨和松质骨的最大应力。
结果与结论：①在同一磁性附着体与加载力下，正常颌骨种植体周围皮质骨的最大应力大于骨质疏松状态下的皮质骨；当施加右下第一磨牙倾斜向加载力时，种植体周围的皮质骨应力值是垂直向加载的2倍以上；当加载条件相同时，无论是正常颌骨还是骨质疏松颌骨，平面型磁性附着体的应力值均高于弹性衬垫型磁性附着体。②在同一磁性附着体与加载力下，正常颌骨种植体周围松质骨的最大应力均大于骨质疏松状态下的松质骨；当施加右下第一磨牙倾斜向加载力时，种植体周围的松质骨应力值是垂直向加载的2倍以上；两种磁性附着体在垂直向力加载下，正常颌骨种植体周围松质骨的最大应力大于骨质疏松状态下的松质骨；当加载条件相同时，无论是正常颌骨还是骨质疏松颌骨，平面型磁性附着体的应力值均明显高于弹性衬垫型磁性附着体。③结果表明，在骨质疏松状态下，颌骨所受的低应力源于骨组织更大的弹性形变，不利于骨结合，侧向力会造成种植体周围更大的应力产生，不利于种植体的稳定性。

https://orcid.org/0000-0002-0010-2520 (李元)

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: 三维有限元分析, 骨质疏松症, 磁性附着体, 种植体, 生物力学, 覆盖义齿, 应力应变

Abstract: BACKGROUND: Implanting magnetic overdentures use implants, magnetic attachments, and oral mucosa to provide retention, support, and stability for the denture. Therefore, implanting magnetic overdentures are particularly suitable for edentulous patients, especially those with unsatisfactory jaw conditions.
OBJECTIVE: To compare the biomechanical response of normal mandible and osteoporosis mandible in two implants supported with flat-type and cushion-type magnetic attachments.
METHODS: The CT data of mandible and overdenture of one patient with edentulous jaw that met the requirements were selected. A three-dimensional finite element model of a two-implant-retained mandibular overdenture with flat-type and cushion-type magnetic attachments was developed and two types of bone quality (normal and osteoporosis) were prepared. Four types of load were applied to the overdenture in each model: 100 N vertical and oblique (buccal lingual inclination 45°) loads on the right first molar and a 100 N vertical load on the right canine and the lower incisors. The maximum equivalent stresses in cortical bone and cancellous bone of the models were analyzed.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) Under the same magnetic attachment and loading force, the maximum equivalent stress in normal cortical bone and cancellous bone was greater than in osteoporotic bone. When the lower right first molar was loaded with oblique loading force, the stress value of the cortical bone around the implant was more than twice that of the vertical loading. When the loading conditions were the same, whether it was normal jaw or osteoporotic jaw, the stress value of the flat-type magnetic attachment was higher than that of the cushion-type magnetic attachment. (2) Under the same magnetic attachment and loading force, the maximum stress of the cancellous bone around the normal jaw implant was greater than that of the cancellous bone in the osteoporotic state. When the right lower first molar was inclined to the loading force, the stress value of the cancellous bone around the implant was more than twice that of the vertical load. The maximum stress of the cancellous bone around the normal jaw implant was greater than that of the cancellous bone in the osteoporotic state under the vertical force of the two magnetic attachments. When the loading conditions were the same, whether it was a normal jaw or an osteoporotic jaw, the stress value of the flat-type magnetic attachment was significantly higher than that of the cushion-type magnetic attachment. (3) The results show that in the state of osteoporosis, the low stress on the jaw bone comes from greater elastic deformation of the bone tissue, which is not conducive to osseointegration, and lateral force will cause greater stress around the implant, which is not conducive to the stability of the implant.

Key words: three-dimensional finite element analysis, osteoporosis, magnetic attachments, implant, biomechanics, overdenture, stress and strain

中图分类号:

李元, 宋亮, 张建国, 胡凤玲. 三维有限元分析种植体支持平面型及弹性衬垫型磁性覆盖义齿在正常骨及骨质疏松状态下的应力[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(16): 2540-2544.

Li Yuan, Song Liang, Zhang Jianguo, Hu Fengling. Three-dimensional finite element analysis of stress distributions in osteoporosis and normal mandibular dental implant-supported overdentures with flat-type and cushion-type magnetic attachments[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2022, 26(16): 2540-2544.

图/表（结果） 2

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引言

材料方法

1.1 设计有限元分析不同类型种植磁性覆盖义齿的生物力学特点。
1.2 时间及地点实验于2019年 7月至 2020 年 10 月在上海应用技术大学完成。
1.3 材料选取收集1例符合要求的无牙颌患者下颌骨、覆盖义齿CT数据(DICOM格式)，该数据由上海市第五人民医院提供，并且受试者对实验知情同意；选取制造商提供的精确种植体和磁性附着体产品工程图(dwg格式)，具体介绍见表1。

1.4 实验方法
1.4.1 3D模型的建立采取基于CT医学图像的DICOM建模法建模，利用计算机软件图像处理系统，建立下颌骨及覆盖义齿的实体模型，步骤如下：①使用Mimics 10.01(鲁汶，比利时)打开获得的下颌骨和覆盖义齿的DICOM格式文件，设置阈值，生成蒙版，编辑蒙版；②计算并生成三维实体，以STL(Standard Template Library)格式输出实体模型；③使用制造商提供的精确种植体(直径为4.3 mm，长度为 10.0 mm；Nobel Replace，Sweden)和磁性附着体(IP-DXFL、IP-MCS；Aichi Steel Co.，Japan) 的产品结构，见图1。

使用SolidWorks有限元软件，将产品结构图中的数据转换为三维有限元模型，包括种植体和磁性附着体，并将两者的各部件结合在一起；④为得到种植体支持的磁性覆盖义齿，在参考临床上公认的种植物植入位置(下颌两侧的尖牙处)分别植入种植体，最后得到三维有限元模型，见图2，具体建模过程参考作者已发表的文章“种植磁性覆盖义齿的三维有限元模型的建立”[7]。

1.4.2 材料性质假定模型中的所有材料均为各向同性的线性弹性且为均质。各种材料的弹性模量，见表2。

松质骨的弹性模量比正常水平低66%及皮质骨的弹性模量比正常水平低33%，两者结合定义为骨质疏松模型[9]。假定下颌皮质骨和黏膜的表层厚度为2 mm[12-13]，种植体表面光滑，并且种植体与骨组织之间的骨结合度为100%[14-15]。
1.4.3 约束条件刚性处理包括种植体的参数及与磁性附着体的连接处，刚性约束的范围为下颌升支后缘到髁状突顶上，以牙槽骨模型的低端面作为固定面，所有节点在固定点上的每个方向上的平移和旋转均限制为零。覆盖义齿与口腔黏膜的摩擦系数假设为0.334[16-17]。
1.4.4 节点划分模型分别采用10节点的四面体和20节点的六面体进行划分，在种植体－骨界面的周围进一步细划，见图3。

平面型磁性附着体的模型分别由258 930单元和125 253节点组成，弹性衬垫型磁性附着体的模型分别由 302 538单元和154 453节点组成。
1.4.5 加载条件根据文献报道，种植覆盖义齿的中等咬合力和全口活动义齿的最大咬合力均为100 N[18-19]，为了模拟实际的咬合力，每种模型的覆盖义齿施加4个不同的加载力：下颌切牙的垂直向加载力，右下尖牙的垂直向加载力，右下第一磨牙的垂直向和倾斜向(颊舌向倾斜45°)加载力，4种加载力大小均为100 N。冯米斯应力(Vonmises)是一种等效应力，它用应力等值线来表示模型内部的应力分布情况，实验记录并分析了种植体周围皮质骨及松质骨上最大等效应力/应变值。
1.5 主要观察指标 ①种植体周围的皮质骨应力值：分成正常颌骨组和骨质疏松颌骨组，并分别记录正常4种加载力下两组平面型和弹性衬垫型磁性附着体模型的应力值；②种植体周围的松质骨应力值：分成正常颌骨组和骨质疏松颌骨组，并分别记录4种加载力下两组平面型和弹性衬垫型磁性附着体模型的应力值。

讨论

骨质疏松是一种以骨量减少和微结构改变为特征的疾病，可能导致骨骼脆弱和增加骨折风险[1]。骨质疏松的发病率高，并常伴有牙齿缺失、牙槽骨吸收、牙槽嵴狭窄或低平等特点，增加口腔修复难度，严重影响着老年人群的生活质量。种植磁性覆盖义齿借助种植体、磁性附着体及口腔黏膜为义齿提供固位、支持和稳定，因此种植磁性覆盖义齿对无牙颌患者特别是颌骨状况不理想的患者尤为合适[20-22]。
实验采用三维有限元方法比较骨质疏松条件下平面型与弹性衬垫型种植磁性附着体的骨内最大应力，结果显示种植体骨界面的皮质骨内应力远远大于松质骨内的应力；正常颌骨条件下，种植体周围皮质骨和松质骨的最大应力均大于骨质疏松状态，该实验结果符合既往研究得出的应力分布遮挡理论[23-25]，这是由于皮质骨的弹性模量比松质骨大，而骨质疏松颌骨的弹性模量比正常颌骨要小，故其承担的应力小于正常颌骨，但是颌骨产生的弹性形变更大，更不利于种植体周围骨结合。有研究发现，骨质疏松状态下种植体周围边缘骨的丧失明显大于正常骨条件[26]，因此在骨质疏松状态下进行种植修复时，作者主张延长颌骨愈合时间或者增加种植体数目。
在实际的咬合运动中，除了垂直轴向运动之外，还有近远中和颊舌向水平的运动，在这些力和运动方向的作用下，种植体会产生压力、拉力、剪切力、旋转力等力的作用[27-28]。实验结果显示无论是正常颌骨还是骨质疏松状态时，当施加磨牙倾斜加载力时，种植体周围皮质骨和松质骨上显示的应力值均为施加垂直向加载力的2倍多。在行使咀嚼功能时，垂直轴向力是最为理想的种植体附载形式，斜向力是对种植体作用力危害最大的一种[29-30]，故而口腔医师在为患者拟行种植体治疗时，应综合考虑并合理设计种植体及其上部结构。磁性附着体因具有缓冲作用能够在一定程度上避免斜向力对基牙或种植体的损伤[31-34]，是基牙或颌骨条件不良时的一个较优选择。
两种磁性附着体的应力传递方法不同，平面型磁性附着体可以提供最大固定力，但是由于其和衔铁之间的刚性接触，缺乏弹性缓冲而容易导致应力集中[35]；弹性衬垫型磁性附着体则通过弹性缓冲减少应力集中[15，36]。实验结果显示，无论是正常颌骨条件下还是骨质疏松时，当加载条件相同时，平面型磁性附着体组的应力值均大于弹性衬垫型磁性附着体组，与TAKESHITA等[37]的结果一致，即种植体周围支撑骨的应力受不同类型磁性附着体固定系统的影响[38]，因此选择弹性衬垫型磁性附着体可优化应力分布。
骨质疏松状态下行咀嚼运动时，颌骨所受的低应力源于骨组织更大的弹性形变，不利于骨结合；侧向力会造成种植体周围更大的应力产生，不利于种植体的稳定性；当咀嚼力过大时会对种植体长期稳定性造成影响。所以，作者建议骨质疏松患者进行种植覆盖义齿修复时延长种植体的骨结合时间，并尽量采用弹性衬垫型磁性附着体以尽量避免过大侧向力。实验采用的是三维有限元数值模拟法，通过建模模拟临床实例，从而获得相近的分析结果[39-40]，因此所获得的实验结果必须结合临床实际情况进行全面分析，以便为临床指导提供应用价值。
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

三维有限元分析种植体支持平面型及弹性衬垫型磁性覆盖义齿在正常骨及骨质疏松状态下的应力

Three-dimensional finite element analysis of stress distributions in osteoporosis and normal mandibular dental implant-supported overdentures with flat-type and cushion-type magnetic attachments

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