不同下颌骨密度对4颗种植体支持Locator式覆盖义齿的有限元生物力学分析

doi:10.12307/2022.276

中国组织工程研究 ›› 2022, Vol. 26 ›› Issue (22): 3492-3497.doi: 10.12307/2022.276

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不同下颌骨密度对4颗种植体支持Locator式覆盖义齿的有限元生物力学分析

王媛1，2，3，张杨1，2，3

1重庆医科大学附属口腔医院修复科，重庆市 400015；2口腔疾病与生物医学重庆市重点实验室，重庆市 400015；3重庆市高校市级口腔生物医学工程重点实验室，重庆市 400015

收稿日期:2021-01-30 修回日期:2021-03-10 接受日期:2021-06-05 出版日期:2022-08-08 发布日期:2022-01-12
通讯作者: 张杨，硕士，医师，重庆医科大学附属口腔医院修复科，重庆市 400015；口腔疾病与生物医学重庆市重点实验室，重庆市 400015；重庆市高校市级口腔生物医学工程重点实验室，重庆市 400015
作者简介:王媛，女，1992年生，四川省广安市人，汉族，2018年四川大学毕业，博士，助教，医师，主要从事口腔疾病的诊治与研究。

Finite element biomechanical analysis of various bone mineral densities on edentulous mandibular four-implant-supported overdentures fixed using Locator attachments

Wang Yuan1, 2, 3, Zhang Yang1, 2, 3

1Department of Prosthodontics, Stomatological Hospital of Chongqing Medical University, Chongqing 400015, China; 2Chongqing Key Laboratory of Oral Diseases and Biomedical Sciences, Chongqing 400015, China; 3Chongqing Municipal Key Laboratory of Oral Biomedical Engineering of Higher Education, Chongqing 400015, China

Received:2021-01-30 Revised:2021-03-10 Accepted:2021-06-05 Online:2022-08-08 Published:2022-01-12
Contact: Zhang Yang, Master, Physician, Department of Prosthodontics, Stomatological Hospital of Chongqing Medical University, Chongqing 400015, China; Chongqing Key Laboratory of Oral Diseases and Biomedical Sciences, Chongqing 400015, China; Chongqing Municipal Key Laboratory of Oral Biomedical Engineering of Higher Education, Chongqing 400015, China
About author:Wang Yuan, PhD, Teaching assistant, Physician, Department of Prosthodontics, Stomatological Hospital of Chongqing Medical University, Chongqing 400015, China; Chongqing Key Laboratory of Oral Diseases and Biomedical Sciences, Chongqing 400015, China; Chongqing Municipal Key Laboratory of Oral Biomedical Engineering of Higher Education, Chongqing 400015, China

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
牙槽骨骨密度分型：根据骨密质与骨松质之间的比例关系，以及骨松质内的骨质密度将牙槽骨的骨质密度分为4种类型：1型骨，颌骨几乎完全由均质的骨密质构成；2型骨，厚层的骨密质包绕骨小梁密集排列的骨松质；3型骨，薄层的骨密质包绕骨小梁密集排列的骨松质；4型骨，薄层的骨密质包绕骨小梁疏松排列的骨松质。
种植覆盖义齿：利用植入颌骨内形成骨结合的种植体上安装的附着体提供固位和支持，修复缺失牙及缺损组织的解剖形态和功能，且患者可以自行摘戴的修复体。

背景：四颗种植体支持的覆盖义齿是下颌牙列缺失的常用治疗方法，而下颌骨的骨密度会影响生物力学结果、种植体支持修复体的稳定和周围组织的健康，进而影响长期治疗效果。
目的：通过三维有限元分析评价骨密度对使用Locator附着体固定的四颗种植体支持的无牙下颌覆盖义齿应力分布的影响。
方法：选择4例无全身系统性疾病的男性下颌牙列缺失患者，建立三维有限元模型，4例患者均已安装四颗种植体支持的Locator式下颌种植覆盖义齿，基于其锥形束计算机断层扫描数据建立基于4种不同骨类型(类型1、2、3和4，对应骨松质的弹性模量依次为9.5，5.5，1.6，0.69 GPa)的4个无牙下颌骨模型(M1、M2、M3和M4)，均通过4颗种植体支持的Locator附着体种植覆盖义齿修复。在右下第一磨牙上施加3个方向120 N的力后，测量骨密质、骨松质和种植体上的von Mises应力。
结果与结论：①对于骨密质(或骨松质)，在模型M1、M2、M3和M4的种植体周围区域出现了最高的应力集中，主要在远端种植体的右侧(加载区域)，在3种载荷条件下，骨密质最大von Mises应力从模型M1逐渐增加到模型M4，骨松质的最大von Mises应力从模型M4逐渐增加到模型M1。②在种植体颈部、种植体和Locator附着体之间的接触区域观察到最高的应力集中，尤其是在远端种植体的加载侧，最高应力值出现在模型M4，最低值出现在模型M1。③结果表明，骨密度高的1型和2型骨最适合下颌种植覆盖义齿，骨密度低的4型骨可能会增加生物和机械并发症的风险。

https://orcid.org/0000-0001-6966-2537 (王媛)

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: 骨密度, 应力分布, 无牙下颌骨, 种植覆盖义齿, 三维有限元分析, Locator附着体

Abstract: BACKGROUND: The four-implant-supported overdenture is a commonly used treatment for the edentulous mandibular patient, while the bone mineral density affects the biomechanical outcome, the stability of the implant-supported prostheses, and the health of surrounding tissue, thus influences the long-term therapeutic effect.
OBJECTIVE: To evaluate the influence of bone mineral density on stress distribution of edentulous mandibular four-implant-supported overdentures via Locator attachments through a three-dimensional finite element analysis.
METHODS: Four edentulous mandibular male patients without systemic disease, who had worn four-implant-supported overdentures via Locator attachments, were selected to establish three-dimensional finite element models. Four edentulous mandible models (M1, M2, M3, and M4) made of four different bone types (type 1, 2, 3, and 4, corresponding to the order of cancellous bone whose modulus of elasticity is 9.5, 5.5, 1.6, 0.69 GPa) and embedded with four implants in the interforaminal region were established based on cone beam computerized tomography data. The mandibles were restored using four-implant-supported overdentures via Locator attachments. After 3 forces (F1, F2, and F3) of 120 N magnitudes from various directions applied on the right lower first molar, the von Mises stresses on the cortical and cancellous bones and the implants were determined.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) For the cortical bone or the cancellous bone, stress concentrations were found on the peri-implant area of models (M1, M2, M3, and M4), particularly on the loading side in all the models. The maximum von Mises stress increased progressively for the cortical bone and implants, but decreased progressively for the cancellous bone from type 1 (M1) to type 4 (M4) bones under three loading conditions. (2) For the implant, stress concentrations were found at the necks of implants and at the contact zones between implants and the Locator abutments, especially on the loading side. The highest maximum von Mises stress was found on M4, while the lowest maximum von Mises stress was found on M1. (3) Results indicate that compact bones (types 1 and 2) are the most suitable bones for edentulous mandibular implant-supported overdentures. Poor bone mineral density (type 4 bone) may increase the risk of biological and mechanical failures.

Key words: bone mineral density, stress distribution, edentulous mandible, implant-supported overdenture, three-dimensional finite element analysis, Locator attachments

中图分类号:

王媛, 张杨. 不同下颌骨密度对4颗种植体支持Locator式覆盖义齿的有限元生物力学分析[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(22): 3492-3497.

Wang Yuan, Zhang Yang. Finite element biomechanical analysis of various bone mineral densities on edentulous mandibular four-implant-supported overdentures fixed using Locator attachments[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2022, 26(22): 3492-3497.

图/表（结果） 6

参考文献

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引言

材料方法

1.1 设计三维有限元分析。
1.2 时间及地点于2020年4月在口腔疾病与生物医学重庆市重点实验室完成。
1.3 对象选择4例在重庆医科大学附属口腔医院就诊的40-60岁无全身系统性疾病的男性下颌牙列缺失患者，建立三维有限元模型，他们均已安装四颗种植体支持的Locator式下颌种植覆盖义齿。患者在接受锥形束CT前签署了知情同意书。

1.4 材料 Straumann公司软组织水平种植体介绍见表1 。

1.5 方法
1.5.1 模型设计将患者的锥形束CT数据保存为DICOM格式的文件，并导入到Mimics软件(比利时Materiallise公司)。随后，无牙下颌骨的初模型被导入Geomagic Studio软件(美国Gomagic公司)进行处理。将下颌覆盖义齿用FREEDOM 500数字扫描仪(韩国)扫描得到的文件(.STL格式)导入Geomagic Studio软件进行处理。在下颌双侧颏孔区的相同位置使用了4颗标准Straumann软组织水平种植体(螺纹状，长度10 mm，直径 4.1 mm，常规颈，颈部直径4.8 mm，穿龈高度2.8 mm)，并使用Locator附着体(瑞士Straumann公司；组织袖口高度2 mm)作为覆盖义齿固位体。基于锥形束CT数据重建骨密质(约2 mm)和骨松质，并且按照偏移的顺序获得黏膜(约2 mm)细节。正如FAVERANI等[14]和TADA等[15]的研究中所做的那样，在所有组中使用相同厚度的骨密质，通过改变骨松质的弹性模量(9.5，5.5，1.6和0.69 GPa)获得4种骨类型(1、2、3和4型)，以用于临床指导。使用SolidWorks软件(法国Dassault公司)重新组合了所有相关的几何模型。调整每个模型的位置后，使用多用途的ANSYS工作台软件包(美国ANSYS公司)执行一组布尔运算后，所有模型都被导入、组装和网格化。随后，重建了图1中4颗种植体支持的Locator式下颌种植覆盖义齿的4个三维有限元模型(M1、M2、M3和M4，分别对应的骨类型为1、2、3和4)。模型由一个四节点四面体单元构成。网格细化建立在收敛分析(5%)的基础上[16-17]。模型总共包含329 897个元素和536 277个节点，如图2所示。

1.5.2 材料的机械性能研究采用线性有限元分析进行分析。模型中除下颌骨外的所有材料和组织都被假定为均匀、连续和各向同性的线弹性材料。众所周知，下颌骨是非均质的[18]。Locator附着体系统包括一个基台、一个尼龙阳性部件和一个钛帽。与种植体一样，基台和钛帽是由钛合金制成的。骨密质和骨松质、黏膜、修复体、颞下颌关节的关节盘和阳性部件的机械性能从文献中获得，并列于表2中。

1.5.3 边界和装载条件种植体和骨之间的骨结合被认为是完全的。黏膜被固定在下颌骨上，功能期间覆盖义齿与黏膜的界面不固定，因此它们之间的接触关系被设定为不分离。为了逼真地模拟下颌骨的运动，并确保研究的准确性和可靠性，考虑了咬肌、颞肌、翼内肌、翼外肌和颞下颌关节对下颌骨支撑和固定的影响。此外，从文献[20-21]中获得咀嚼肌相对于下颌骨的位置，见图3。颞肌被插入下颌的喙突，咬肌被插入下颌支侧面的角和下半部，翼内肌被插入到下颌支内侧表面的下部和后部以及下颌角，翼外肌被插入下颌髁突的颈部。力的方向由余弦α、β和γ确定，它们分别代表每个力的x、y和z轴。对咬肌施加了59.23 N的力，对翼内肌施加了39.60 N的力，对翼外肌施加了34.44 N的力，对颞肌施加了34.09 N的力[21-22]。颞下颌关节相对有弹性，髁突撞击前部区域的纤维关节盘，后部区域的关节韧带[20]。为了模拟这种情况，建立了关节盘模型，并在髁突的关节面上设置了两块骨密质进行固定，来模拟下颌骨运动图3。

在右下第一磨牙牙合面上施加3个120 N的单侧力， F1为轴向力，平行于种植体的长轴；F2为从颊向舌方向的倾斜力(30°)；F3，为从舌向颊方向上的倾斜力(30°)[14]。如图3所示，通过确定骨密质和骨松质及种植体的最大von Mises应力值来分析骨密度对系统中应力分布的影响。
1.6 主要观察指标 4种不同骨密度下颌骨模型中的骨密质应力值和分布、骨松质应力值和分布，以及种植体的应力值和分布。

讨论

磨牙区的负荷将导致复杂的应力，包括口间区的拉伸、压缩、剪切和弯曲应力。此次实验结果显示，在4型骨(M4)中观察到骨密质和种植体中的最大von Mises应力。以前也有类似研究证明3型和4型骨在轴向、颊舌和舌颊载荷下产生的应力最高[3，7，15，17]，高应力导致植入低密度骨(4型骨)的种植体的失败率较高，这反过来是由于骨-种植体界面的稳定性不足、过早载荷、吸烟等[23-25]。然而此次实验结果表明，3型和4型骨松质的应力值较低，与TADA等[15]、DE ALMEIDA等[3]和PESSOA等[17]的结果相反，他们观察到低密度骨松质(4型骨)的应力值较高。在1型骨中，骨松质的弹性模量高于2型、3型和4型骨。弹性模量是对物体弹性变形的抵抗能力的度量，更高的弹性模量意味着更强的抗变形能力[26]。此外，骨密质具有传递应力的能力[27]，因此它可以承受比骨松质更大的应力[28]，这解释了此次实验结果。
在DE ALMEIDA等[3]进行的研究中，模型固定在底部；然而，实际上颞下颌关节对下颌运动有重要作用[29]，因此在该研究中建立了一个关节盘的模型，并在髁突的关节面上建立了两块骨密质来固定下颌骨，这使得下颌骨的偏转与临床观察到的相似[15]。
此外，DE ALMEIDA等[3]指出，不同的应力值可能是由研究组之间骨密质厚度的变化引起的。为了排除骨密质厚度对实验结果的影响，作者通过改变骨松质的弹性模量(9.5，5.5，1.6和0.69 GPa)来考虑4种骨类型(1、2、3和4型)，同时在所有组中保持相同的骨密质厚度。类似地，为了估计种植体和种植体周围骨组织的应力，TADA等[15]进行了有限元分析，包括4种骨类型，骨松质弹性模量不同(9.5，5.5，1.6和0.69 GPa)，但所有组的骨密质厚度相同。FAVERANI等[14]观察了骨密度对种植体支持的全牙弓固定修复体的生物力学行为的影响，他们考虑了具有不同骨松质弹性模量和相同骨密质厚度的4种骨类型。
影响种植体-骨界面载荷传递的因素之一是载荷类型[30]。此次实验结果表明，垂直载荷(F1)下骨密质、骨松质和种植体中的von Mises应力值小于倾斜载荷(F2和F3)，其中从舌向颊方向上的倾斜力(F3)下的应力值更大。作者对这一结果的解释是：种植体主要承受轴向力，在垂直载荷下剪切力较小，而轴向力通过螺纹和种植体底部传递到周围弹性模量较低的骨松质，导致较小的应力释放。但斜向加载时剪切力更大，剪应力主要通过种植体传递到种植体周围的骨密质，导致应力较大。因此，临床医生应考虑减少牙尖的倾斜度，消除咬合干扰，同时采取其他措施避免覆盖义齿受到过大的侧向力。基于先前对下第一磨牙施加单侧力的研究[3，26]，此次实验中单侧施加到右下第一磨牙的力为120 N，因此在所有模型的右侧观察到骨密质、种植体和骨松质中的高应力集中。根据PI[31]的研究，磨牙的真实咀嚼运动是通过以下方式发生的：工作侧同名牙的牙尖变得相对，随后下磨牙颊尖的颊斜面沿着上磨牙颊尖的舌斜面滑动，然后返回到牙尖交错位。在这个过程中，施加在下磨牙上的咬合力是从颊向舌和垂直的，而平衡侧下磨牙颊尖舌斜面沿上磨牙腭尖颊斜面滑动，施加在下磨牙上的咬合力为舌向颊方向，此时下磨牙受力最大。简而言之，下磨牙受到颊舌、垂直和舌上咬合力的作用。因此，此次实验中的加载模型是合理的。
GOTFREDSEN等[32]指出当应变值高于2 000-3 000 με(过载)时，种植体周围的骨发生高度变形。此外，当应变值超过4 000 με(病理性过载)时，超过了骨的生理极限，导致骨-种植体界面处的微骨折、种植体断裂、种植体系统部件松动和不希望的骨吸收。此次实验显示，在3种加载条件下，所有模型中骨密质的最大应变值均低于1 710 με，且均在骨密质的生理范围内，保证了研究的可靠性。已经表明，被咀嚼的食物的位置可以影响假牙的弯曲平面[33]。BARÃO 等[26]简单地阐述道，在咀嚼的早期阶段假牙只有一侧被加载。未来的研究应集中在研究不同加载位置对种植覆盖义齿应力分布的影响，并以双侧加载的方式进行研究，因为实际上咀嚼肌对覆盖义齿施加双侧力。
结论：骨密质和种植体中的应力随着骨密度的降低而增加，但骨松质的情况正好相反。骨密度高的1型和2型骨最适合下颌种植覆盖义齿，骨密度低的4型骨可能会增加生物和机械并发症的风险。在咀嚼运动中，无牙下颌种植覆盖义齿工作侧第一磨牙垂直向受力导致的骨和种植体中应力最小，从颊向舌侧受力导致的应力居中，而平衡侧受到的从舌向颊侧力导致的应力最大。
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

不同下颌骨密度对4颗种植体支持Locator式覆盖义齿的有限元生物力学分析

Finite element biomechanical analysis of various bone mineral densities on edentulous mandibular four-implant-supported overdentures fixed using Locator attachments

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