3种基台材料种植修复体受力时种植体周围骨应力上升幅度最大时间段均为0.025-0.05 s内，当加载力为0.1 s时，周围骨应力均达到最大值；钛基台种植修复体周围骨最大应力值(144.4 MPa)大于氧化锆(122.7 MPa)、氧化铝(116.5 MPa)基台种植修复体，见表3，图7。







2.2   15°组3种材料基台种植修复体动态载荷下周围骨应力变化情况   不同材料基台种植修复体动态载荷下周围骨应力分布变化云图，见图8-10。应力分布云图显示，当种植体偏腭侧15°植入时，3种基台材料种植修复体受力时各时间点种植周围骨应力最大值仍均位于种植体颈部骨组织，但应力最大值的分布区域范围大于0°组，且应力高值区域分布范围大于0°组；种植体颈部皮质骨应力均大于种植体根方皮质骨应力。

3种基台材料种植修复体受力时种植体周围骨应力上升幅度最大时间段均为0.025-0.05 s内，0.1 s时骨应力值达到最高，此时钛基台种植修复体骨最大应力值(131.2 MPa)稍大于氧化锆(120.1 MPa)、氧化铝(122.9 MPa)基台种植修复体，见表4，图11。







2.3    25°组3种材料基台种植修复体动态载荷下周围骨应力变化情况    不同材料基台种植修复体动态载荷下周围骨应力分布变化云图，见图12-14。

当种植体偏腭侧25°植入时，3种基台材料种植修复体受力后种植体周围骨应力最大值初始值明显高于另外两种角度组，且高应力分布范围更为集中。当加载停止后，其余两种角度组各基台材料种植修复体周围骨残留应力值趋近为0，但25°组3种基台材料种植修复体周围骨内仍残留较高应力。

3种基台材料种植修复体受力时种植体周围骨应力上升幅度最大时间段均在0.025-0.05 s内，0.1 s时骨应力值达到最高，氧化铝种植修复体骨最大应力值(200.9 MPa)稍大于氧化锆(194.5 MPa)、纯钛(192.5 MPa)基台种植修复体，见表5，图15。







2.4   总结   不同植入角度下，3种材料基台种植修复体在受咬合力时周围骨应力峰值分布一致，均位于种植体颈部骨皮质，各材料基台种植修复体周围骨应力上升幅度最快时间段均为0.025-0.05 s内，15°组骨皮质高应力值范围较0°组更大，25°组种植体骨皮质初始应力值明显高于其余两角度组，且加载结束后骨皮质残留较高应力值；钛基台种植修复体周围骨应力上升幅度最大，高应力值范围较为集中；在15°组中，3种材料基台种植修复体周围骨应力峰值均位于种植体颈部，应力上升幅度钛基台种植修复体周围骨应力上升幅度较大但并不明显，高应力分布范围较为一致。25°组相较于其余两角度组应力高值较为集中，应力起始值高且变化幅度更大，其中氧化铝基台种植修复体周围骨应力在0-0.1 s内上升幅度最大，在0.2 s时氧化锆基台种植修复体骨等效应力峰值降为0，其余两种材料基台种植修复体周围骨内均残留较高应力。

种植技术不断创新发展，由以往单纯的外科植入理念发展到如今以修复为导向的植入理念，因此随着数字化技术的不断发展，种植体的植入方向及位点会更加精确。临床上对于上颌前牙区单颗牙缺失的患者，缺牙区牙槽骨通常因各种原因导致不同程度的吸收、缺损，而骨增量手术会为患者带来较大的创伤并增加种植失败的风险，因此种植体往往需要倾斜植入，应用角度基台可在后期修复中帮助患者恢复正常的覆合覆盖关系。对于各角度修复基台材料的选择，由于不同材料的弹性模量不同，因此当牙冠在受到咬合力时，咬合力通过种植体的传导，周围颌骨应力变化趋势也并不相同，而颌骨应力随时间变化趋势越平缓，发生骨质破坏的概率越小，防止某一时间点过大应力刺激导致破骨细胞的产生[1]。此次实验就模拟3种植入角度的情况，在动态加载下分别比较应用3种基台材料对周围骨应力变化趋势的影响。
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

1.1   设计   3D建模及三维有限元动态分析实验。
1.2   时间及地点   实验于2021年3-9月在新疆医科大学第二附属医院口腔科及广州有道计算机科技公司完成。
1.3   材料   选择1例2020-2021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32岁，咬合为正常咬合，上颌前牙区骨量充足，骨质为Ⅲ类骨，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，无双膦酸盐用药史及其他影响骨质的因素。种植体类型为3.3×10BL.NC种植体，见表1。上部修复体为黏结固位。患者对实验过程完全知情同意，并签署了“知情同意书”。研究由新疆医科大学第二附属医院伦理委员会批准，批准号20160302-01。

1.4   实验方法   
1.4.1   影像资料获取   采用德国Siron Galileos口腔三维体层X射线影像系统获得DICOM格式患者原始影像资料。
1.4.2   颌骨三维模型的建立   将采集的影像资料数据导入Mimics 21.0软件中，根据灰度分割建立颌骨蒙版提取目标硬组织，去除噪点后，提取STL格式三维立体图像文件并导入Geomagics软件中。将STL文件导入Geomagic软件后，先用网格医生检查模型存在的问题，让软件自动处理部分问题，然后通过松弛、删除钉状物、去噪等命令将模型微调外表使得模型应有的特征保留，但表面稍微变得光滑，接着使用去除特征命令，手动进行细修，使得网格医生检查模型不存在任何问题并且模型符合实际。处理好的模型在Geomagic里启动精确曲面命令，首先使用“探索轮廓线”命令进行探索，为了让软件识别模型特征，在尖角处、曲折处绘制轮廓线，接着使用“构建曲面片”从轮廓线中绘制曲面片覆盖模型外表面，接着使用“修理曲面片”让曲面完全贴近模型外表，更好地识别特征，然后使用“构建格栅”在曲面片中生成格栅，最后使用“拟合曲面”将格栅与外表面拟合，另存为stp实体格式存放。        
1.4.3   种植修复体三维模型的建立   将保存后的stp文件导入SolidWorks 2018软件中，进行模型创建，然后对提取的目标实体预创建模型进行装配。根据士卓曼公司产品目录和产品参数，确定种植修复体各部件信息，并使用卡尺等工具绘制其尺寸。通过SolidWorks软件绘制出种植修复体各部件平面草图，再构建其零件几何体，包括种植体及0°，15°，25°角度基台(图1)、中央螺丝、二氧化锆全瓷冠等，最后通过工具栏中曲面命令构建粘接剂零件几何体，粘接剂厚度为30 μm。将种植体、颌骨、基台等部件进行装配，其中颌骨与种植体连接角度模拟植入角度，分别与原牙根长轴唇腭向呈0°，15°，25°，对应装配0°，15°，25°角度基台，始终模拟浅覆合浅覆盖咬合方式。种植修复体各部件及颌骨材料学参数均来自以往研究，见表2。

将建好的三维模型导入ANSYS Workbench 17.0中,搭建动态分析框架，将3种角度基台材料分别设置为氧化锆、氧化铝(均为一体式全瓷基台)及纯钛，进入分析界面，给予接触关系，均为固定接触，设立动态加载条件，设置网格参数，划分结果：0°组种植修复体总网格数1 464 244，总节点数2 044 516；15°组总网格879 851，总结点数1 299 101；25°组种植修复体总网格数888 832，总结点数1 311 642，见图2。

1.4.4   实验加载条件   假设此次实验的材料均为线性、弹性、同性、连续性的弹性材料，种植体和颌骨之间为完全骨结合，修复基台、单冠、种植体、颌骨、中央螺丝均为固定接触，动态加载条件为确定上、下中切牙在咬合过程中的接触关系为frictionless 接触[13]。边界条件设为对上颌中切牙种植体根部区域，在 X、Y、Z三个方向将其位移和旋转进行约束；下中切牙牙根部牙周膜附着区域，在垂直于上、下颌中切牙形成的平面方向上(Y 方向)对位移和旋转进行约束，加载点位于下颌中切牙牙根处，加载方向与下颌中切牙牙根长轴平行向上，使得下中切牙在上、下颌中切牙长轴形成的平面内发生相对运动，模拟咬合过程中的下颌运动。在动态咬合过程中上颌中切牙牙冠受力大小随时间变化而变化，根据张新春等[14]应用正弦变化的垂直变化加力模拟前牙动态咬合，所加载荷与时间关系见图3。动态加载模拟浅覆合浅覆盖咬合方式，初始条件设为上下中切牙不接触，加载时间为0.2 s。

1.5   主要观察指标    观察模拟上颌前牙咬合运动时，不同角度植入种植体的情况下，3种基台材料的种植体周围骨各时间点等效应力峰值(Von Mises)及应力云图，分析9种模型各时间点种植体周围骨应力分布情况。

现如今，种植技术已趋于日渐成熟的状态，成功率已达到95%以上，但对于种植体的晚期并发症仍然是有待研究和解决的问题，种植修复体的咬合及咬合创伤是其中尤为重要的因素之一。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，这就是所谓的骨骼重塑[15]。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[16]。在骨骼中，骨组织中的成骨细胞和破骨细胞通过感受力学刺激来对骨的生长或吸收进行调控。当骨的应变低于50-100微应变(微应变是用来表示形变的变化程度100个微应变是0.01%)、应力低于1.0-2.0 MPa(应力的单位     为Pa，1 MPa=106 Pa)时，骨组织发生吸收；当骨的应变高于1 000-1 500微应变、应力高于约20 MPa时，骨组织发生生长；而当骨的应变进一步高于约3 000微应变、应力高于约60 MPa时，骨组织发生损伤[17]。然而，目前还没有明确的指导原则：功能性和准功能性负载对牙种植体及其上部结构的损伤程度，哪些机械因素会降低此类修复的负载效应，以及应该避免的问题。上颌前牙的位置在整个牙弓形态中至关重要，而种植体所受的应力为非垂直向力，在上颌前牙区唇侧牙颈部所受的力为压应力，腭侧为拉应力，所以容易在前牙唇侧颈部区域出现骨质吸收。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。

种植修复体上部结构起力的传导作用，将力反馈至种植体周围骨，而过大的应力则会造成种植体颈部周围骨吸收，导致冠根比例失调、龈上皮向根方迁移、种植体牙周袋形成，从而又加快了骨质吸收。弹性模量是材料在弹性变形阶段内应力与应变的比值，它是材料力学性能中最稳定的指标[18]。有研究表明，在种植修复体上部结构中弹性模量的差异会导致种植体与种植体-骨界面应力值的差异，因此，通过有限元方法研究采用不同材料种植修复体上部结构是否在某一情况下对种植体-骨界面产生应力集中是分析的常用手段。安尼卡尔·安尼瓦尔等[19]利用三维有限元方法，构建上颌前牙区钴铬合金金属烤瓷冠种植修复体以及二氧化锆全瓷冠种植修复体两种模型，分别模拟对刃合、深覆合以及正常咬合关系，得出两种模型各部分应力分布及大小不同，证明种植上部结构不同影响应力在种植体及种植体-骨界面的大小及分布。

目前临床上常用基台材料为纯钛、氧化铝及氧化锆，3种材料在美观、机械性能、生物性能及力学性能上均具有差异。在美观方面，氧化锆、氧化铝全瓷基台比纯钛基台更接近天然美学的特点，而纯钛基台更易显金属色。在机械性能方面，纯钛基台抗折强度较氧化锆大，氧化铝抗折强度最低。生物性能方面，氧化锆材料表面上皮细胞与成纤维细胞的增殖速率与黏附能力与纯钛材料相近甚至更优，且氧化锆材料上表面细菌覆盖率低于纯钛材料[20]。该文重点从力学角度考虑3种基台材料传导咬合力对骨应力的影响，由于3种材料弹性模量的不同，在静态有限元分析已证实3种材料作为种植修复体基台时会导致各部件及种植体周围骨应力分布的差异，但对于动态分析3种材料是否会影响种植体周围骨应力变化趋势以及改变植入角度是否会影响3种材料传递咬合力对颌骨应力的变化趋势少有研究。以往有学者指出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。而对于基台材料不同是否会影响应力的分布及传递，杨炎忠等[21]通过建立颌骨、种植体、直基台及15°，20°氧化锆基台模型，通过轴向加载及斜向加载研究种植修复体周围骨壁应力大小及分布并与钛基台进行对比，发现随着基台角度增加周围骨壁应力增加，其中15°-20°时骨壁应力增加最为明显，而氧化锆与钛基台两组在基台角度变化时骨壁应力大小及分布并无显著差异。然而，在临床上通常是因为植入的角度改变从而应用不同角度基台，若仅仅只是改变基台角度而施加静态载荷不能充分体现临床实际。朱岩峰等[22]模拟上颌中切牙区平行牙根长轴植入及倾斜15°方向植入两种植入方式，分别装配直基台及15°角度基台，然后对牙冠施加静态载荷后，发现使用角度基台骨皮质应力峰值大于直基台骨皮质应力峰值，但并没有研究基台材料的不同是否会影响应力的传递。该文从临床实际出发，考虑不同患者上颌前牙区牙槽骨骨吸收程度的不同，模拟0°，15°，25°植入角度，分别观察采用3种基台材料种植修复体周围骨应力各时间点的等效应力峰值。

目前已经有许多研究通过动态有限元方法模拟口腔咀嚼的过程[23-30]。动态有限元法是指对物体施加外力后，在运动过程中分析物体移动和受力情况与加载方式、时间等因素的关系和变化规律。对于前牙区的动态分析，国内外学者多使用冲击载荷作为模拟咀嚼力的动态加载模式，但至今没有统一的标准。 GENVESEK等[31]、KAYABA等[32]以往的研究未能体现咀嚼过程的连续加载和作用部位、方向随时间的变化。张新春等[14]应用正弦变化的垂直变化加力模拟前牙动态咬合。李至睿等[33]通过Abaqus软件提前设置动态分析步确定载荷的时间历程，再将冲击载荷波形通过幅值曲线对种植体进行垂直、斜向、水平加载，观察种植体周围骨的应力分布。由于动态咬合的复杂性，许多实验均采用施加一某一物体的静态载荷，使受压物体发生形变从而完成力的传递，但未涉及到物体之间发生相对运动的关系，模拟前牙动态咬合过程是此次实验的主要设计思想。对于前牙咬合过程的分析，刘大军[34]根据前牙咬合运动的特点，确定为上颌中切牙不发生移动，下中切牙受闭口肌作用后发生运动，直至与上颌中切牙发生接触并在咬合力的持续作用下沿上颌中切牙舌面发生运动，完成前牙咬合作用时间，但并没有准确反映由于上下颌中切牙相对滑行过程中下颌中切牙对上颌中切牙施加载荷角度的改变，而且载荷也为定值，没有体现载荷随作用部位不同其大小也会发生改变的规律。因此，此次实验参考了刘大军等动态加载条件的设置，同时也根据张新春等应用正弦变化的垂直变化加力的方法，既满足上下颌中切牙间相互运动，也符合下颌中切牙在上颌中切牙功能面运动的过程中，其施力随作用部位不同而发生变化的特点。

此次实验结果显示，同一角度植入组内应用3种基台材料，其种植上部结构在承担咬合力时周围骨各时间点应力云图较为接近，但等效应力峰值不同，3种材料基台种植修复体周围骨应力峰值均位于种植体-骨界面处，最大应力值增长最快时间段均为0.025-0.05 s，0°组纯钛基台种植修复体周围骨界面应力峰值增长幅度大于其余两种材料基台种植修复体，这一结果表明在0°植入时应谨慎选择纯钛基台材料，防止患者在咬合过程中种植体-骨界面出现较大应力导致种植体颈部骨吸收，降低种植远期并发症的风险。从应力云图分布结果来看，15°组3种基台材料种植修复体周围骨应力高值范围大于0°组，且大部分分布于唇侧骨壁以及牙槽嵴顶处，这可以说明15°组相较于0°组来说，在受到过大应力时更容易发生唇侧骨质吸收的可能。从等效应力峰值来看，15°组3种材料基台种植修复体周围骨应力峰值变化幅度均无明显差别，这可以说明选择基台材料不是造成应力集中使种植体-骨界面吸收的主要原因，临床医师需要考虑其他因素降低发生远期并发症的概率，比如牙合干扰、早接触等。从应力云图上看，25°组相较于其余两角度组应力高值较为集中。从等效应力峰值来看，25°组应力起始值高且变化幅度更大，其中氧化铝基台种植修复体周围骨应力在0-0.1 s内上升幅度最大，根据材料学理论，无论何种应力状态下，应力越大破坏性越大，且氧化铝抗折强度及刚性较低，因此更容易发生种植体-骨界面吸收以及基台断裂的风险。在加载0.2 s时，氧化铝基台种植修复体周围骨应力降为0，这可能与氧化铝基台抗折强度有关，而其余两种材料基台种植修复体周围骨内均残留较高应力，说明相较于其余两角度组，25°组发生应力集中导致骨吸收的可能最大，在临床上植入角度不应超过25°。但从整体结果上看，不同植入角度下3种基台材料种植修复体周围骨应力峰值差距并不明显，说明不同植入角度下，上部修复体结构材料不同可能并非影响骨质应力的主要因素。实验不足之处在于由于前牙动态咬合运动过于复杂，并没有反映加载角度随时间变化的特点，只是结合以往研究尽可能模拟前牙咬合运动中力的加载方式，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多个样本进行模拟加载分析并统计实验数据结果等因素，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。

氧化锆基台具有优良的美学效果、良好的机械性能和生物学性能[35]。此次实验论证采用氧化锆基台种植修复体在3种不同种植体植入角度条件下，动态加载后其周围骨应力峰值维持在一个比较稳定的水准。氧化铝可能存在抗疲劳强度低、容易折断的风险，而纯钛基台种植修复体在0°植入时动态加载后对种植体周围骨应力增幅较大，可能出现应力集中导致种植体颈部骨吸收的风险，美观上具有显露金属色的缺陷。综上所述，临床上上颌前牙区种植修复应用氧化锆基台是优良的选择。
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

文题释义：
种植修复体：一种以植入骨组织内的下部结构为基础来支持、固位上部牙修复体的缺牙修复方式。它包括下部的支持种植体和上部的牙修复体两部分。它采用人工材料(如金属、陶瓷等)制成种植体(一般类似牙根形态)，经手术方法植入组织内(通常是上下颌)并获得骨组织牢固的固位支持，通过特殊的装置和方式连接支持上部的牙修复体。
动态加载：是指物体在运动过程中受到震动、环境等因素影响下所受的载荷，包括短时间快速作用的冲击载荷、随时间作周期性变化的周期载荷和非周期变化的随机载荷。

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

有限元方法是理论力学中的一个重要方法，依据模拟对象的状态不同可分为静态有限元与动态有限元方法。以往对于种植修复领域的分析中主要采用静态有限元法进行分析，但是口颌系统的咬合过程是动态咬合的过程，种植修复体以及颌骨的受力是随咬合时间和过程而变化的，本研究在建立种植修复体、上颌骨以及下前牙模型的基础上，使用动态有限元方法模拟下前牙与种植修复体的咬合过程，分析三种植入角度情况下咬合力通过不同材料基台传递对种植体周围骨的应力影响。

应用三维有限元法模拟口颌系统咬合过程，观察在不同角度植入情况下采用不同基台材料种植体修复是否影响应力在种植体-骨界面的大小及分布。  #br# 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