三维有限元分析不同特征骨组织中应力的分布规律

doi:10.12307/2024.214

中国组织工程研究 ›› 2024, Vol. 28 ›› Issue (8): 1277-1282.doi: 10.12307/2024.214

• 组织构建与生物力学 tissue construction and biomechanics • 上一篇下一篇

三维有限元分析不同特征骨组织中应力的分布规律

霞黑达·依拉尔江，尼加提·吐尔逊，热依拉·库尔班，白布加甫·叶力思，陈欣

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:2022-12-05 接受日期:2023-02-08 出版日期:2024-03-18 发布日期:2023-07-19
通讯作者: 尼加提·吐尔逊，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:霞黑达·依拉尔江，女，1994年生，新疆维吾尔自治区塔城市人，维吾尔族，新疆医科大学在读硕士，主要从事口腔种植修复学研究。
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-β1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

Three-dimensional finite element analysis of the distribution pattern of stress in bone tissues with different characteristics

Xiaheida·Yilaerjiang, Nijiati·Tuerxun, Reyila·Kuerban, Baibujiafu·Yelisi, Chen Xin

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

Received:2022-12-05 Accepted:2023-02-08 Online:2024-03-18 Published:2023-07-19
Contact: Nijiati·Tuerxun, Chief physician, Associate professor, Department of Stomatology, Second Affiliated Hospital of Xinjiang Medical University, Urumqi 830063, Xinjiang Uygur Autonomous Region, China
About author:Xiaheida·Yilaerjiang, Master candidate, Department of Stomatology, Second Affiliated Hospital of Xinjiang Medical University, Urumqi 830063, Xinjiang Uygur Autonomous Region, China
Supported by:
Natural Science Foundation of Xinjiang Uygur Autonomous Region, No. 2016D01C192 (to NT)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：

皮质骨：又称为骨密质，其质地致密，抗压强度、抗扭曲性能均较强，主要位于骨的外层，内层主要是松质骨；皮质骨中骨板呈同心圆排列，其包饶的小腔内环绕着中央哈佛管，其内包含血管及神经，骨组织从中得到营养。
位移：组织在力学环境下会发生空间位置的改变，任意一点位移是指该点从最初位置至最末位置的空间距离和方向，位移是矢量。

背景：关于皮质骨厚度的改变对位移值及等效应力值影响的三维有限元研究较少。

目的：通过三维有限元方法分析不同皮质骨厚度对种植体-骨界面位移及应力分布的影响，为口腔种植治疗提供一定的建议。
方法：选取1例拟行下颌第一磨牙种植修复男性患者(27岁)的锥形束CT影像资料，首先在Mimics 13.0软件建立下颌骨模型，然后导入Solid works 2022软件中，根据相关产品信息绘制出锥形种植体(4.1 mm×10 mm)及上部修复体模型，根据不同皮质骨厚度(2.5，2.0，1.5，1.0 mm)获得皮质骨模型，分别命名为D1，D2，D3，D4，将所有模型导入ANSYS Workbench 2021软件中并交叉组合，最后对4组模型静态载荷，分析各组模型受力后的应力分布。

结果与结论：①等效应力峰值在松质骨最小，在上部修复体即基台-种植体连接处最高；②整体等效应力峰值随着皮质骨厚度减小而增高；③基台处等效应力峰值会随着皮质骨厚度减小而增大，类似的解释也适用于其他种植修复部件；④骨组织和种植体中应力峰值随着皮质骨厚度的增加而增加，并且在D1，D2，D3中种植体应力峰值大于骨组织，D4相反。

https://orcid.org/0000-0002-7438-7450(霞黑达·依拉尔江)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

关键词: 锥形种植体, 有限元分析, 有限元模型, 骨密度, 皮质骨

Abstract: BACKGROUND: Less is reported on the influence of cortical bone thickness on displacement and equivalent stress.
OBJECTIVE: To analyze the influence of cortical bone thickness on the maximum displacement and equivalent stress at the implant-bone interface through a three-dimensional finite element method, thereby providing some suggestions for oral implantation.
METHODS: In this experiment, we selected the cone-shaped CT image data of a patient who was scheduled for mandibular first molar implant restoration. First, we established a mandibular model in Mimics13 software, and then imported it into Solid works 2022 software. According to the related product information, we drew the cone-shaped implant (4.1 mm×10 mm) and the upper prosthesis model. Cortical bone models were obtained according to different cortical bone thicknesses (2.5, 2.0, 1.5, 1.0 mm) and named D1, D2, D3, and D4, respectively. All the models were imported into ANSYS Workbench 2021 software and cross-combined. Finally, we applied vertical and oblique loads to the four groups of models, and analyzed the stress of the models in each group.
RESULTS AND CONCLUSION: The peak equivalent stress is lowest in the cancellous bone and highest in the upper prosthesis, that is, at the abutment-implant junction. The peak stress increases with the decrease of cortical bone thickness. The peak stress of the abutment increases with the decrease of cortical bone thickness, and a similar explanation can also be applied to the other implant restoration components. The peak stress in bone tissue and implants increases with the increase of cortical bone thickness. In models D1, D2, D3, the peak stress in implants is higher than that in bone tissue, but the results are reversed in D4.

Key words: conical implant, finite element analysis, finite element model, bone mineral density, cortical bone

中图分类号:

霞黑达·依拉尔江, 尼加提·吐尔逊, 热依拉·库尔班, 白布加甫·叶力思, 陈欣. 三维有限元分析不同特征骨组织中应力的分布规律[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(8): 1277-1282.

Xiaheida·Yilaerjiang, Nijiati·Tuerxun, Reyila·Kuerban, Baibujiafu·Yelisi, Chen Xin. Three-dimensional finite element analysis of the distribution pattern of stress in bone tissues with different characteristics[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2024, 28(8): 1277-1282.

图/表（结果） 11

2.1 各组模型的具体单元数和节点数见表4。

2.2 种植修复体整体应力分布情况在此次实验中通过将皮质骨的厚度设置到0.5，1.0，1.5，2.0 mm并保持相同的种植体直径4.1 mm和恒定的皮质骨模量区模量，进行了皮质骨厚度对2种种植体-骨界面应力分布的影响。整体等效应力峰值随着皮质骨厚度减小而呈增高趋势(图2)，且在D1-D4四种骨质模型整体应力峰值均为侧向载荷大于垂直载荷(图3)。图2，3显示了种植体-骨界面的轴向及侧向载荷时的应力分布，可以看出，在所有情况下，皮质骨处于高应力区，而松质骨处于低应力区，在D1-D4四种骨质模型中应力峰值集中在种植体-基台连接处。此外，种植体周围皮质骨可在种植体颈部周围观察到应力峰值且随着D1-D3应力峰值依次增大(图4，5)，但在D4骨质模型中皮质骨应力峰值小且分布范围很居中。在D1-D3松质骨von Mises应力值随着皮质骨厚度的增加也呈降低趋势，在D4骨质模型中可见增大，且在D3、D4中松质骨应力集中在根尖部。垂直应力加载时，种植体位于皮质骨厚度为2.5 mm的D1模型中等效应力最大值集中于种植体与基台连接处，从种植体底部至基台上部1/3应力分布均匀。侧向加载应力在种植体中部1/3至基台上部分布；种植体在皮质骨厚度为2 mm的D2模型中及1 mm的D3模型中等效应力分布于种植体上部1/3至基台，侧向加载分布范围相同，但是应力值要大于垂直加载；但在皮质骨厚度为0.5 mm的D4模型中种植体周围皮质骨中的应力峰值降低，而且应力分布动图可见应力均集中在种植体-基台连接处，其余部分所受到的应力值很小，侧向载荷时应力集中点更为集中；在其余修复体上部修复体部件中可观察到，D1-D4骨质模型中纯钛基台应力峰值增大趋势明显，固位螺丝、树脂粘接剂、氧化锆全冠在D1-D3骨质模型中的应力峰值呈逐渐增高趋势，D4中却减小；锥状种植体未发现明显规律(图6，7)。见表5，6。

2.3 种植体-骨界面微动情况在D1-D3骨质模型中种植体-皮质骨骨界面产生的微动峰值随着皮质骨厚度的减小而增加；垂直载荷下D1，D3种植体-骨界面的皮质骨微动峰值大于松质骨微动峰值；在D2，D4骨质模型中种植体-骨界面的松质骨微动峰值大于皮质骨微动峰值；侧向加载下D1，D4类骨质皮质骨微动峰值与松质骨模型，D2，D3类骨质模型中松质骨微动峰值大于皮质骨微动峰值；D1，D4骨质模型中皮质骨微动峰值侧向载荷大于垂直载荷，其余D2，D3骨质模型中均为垂直向载荷皮质骨微动峰值大于侧向载荷微动峰值；D1，D4骨质模型中松质骨微动峰值侧向载荷微动峰值与垂直加载微动峰值之间无明显差异；D2中松质骨微动峰值垂直载荷大于侧向载荷，D3相反。见图8及表7，8。

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引言

材料方法

1.1 设计三维有限元分析实验。
1.2 时间及地点实验于2021年9-12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例完成下颌第一磨牙区种植修复的27岁男性患者锥形束CT资料为建模素材，模拟植入种植体类型为4.1 mm×10 mm BLT RC(表1)。患者对此次实验知情同意，该研究方案的实施符合《赫尔辛基宣言》和新疆医科大学第二附属医院对研究的相关伦理要求。

1.4 实验方法
1.4.1 影像资料患者影像学资料通过德国Siron Galileos锥形束CT扫描获得并以标准DICOM格式保存导出。

1.4.2 颌骨三维模型的建立使用Mimics 13.0三维重建软件，点击New project选项导入DICOM格式文件建立新工程项目。点击阈值划分命令，建立最初蒙版。然后通过多层编辑工具分别对牙槽骨所在逐层进行处理，点击优化选项，选择3D计算最终可获得下颌骨及牙等硬组织模型，将对模型进行平滑处理并以STL格式导出。将该文件导入Geomagic studio 2014软件中，在重建之前有必要对模型进行去噪滤波处理，同时点击“统一化”命令将对数据点云进行均一化处理并且也要擦除多余不需要的部分，形成较为完整的三维平面之后，将要做的就是优化三角平面，优化内容包括打磨、孔洞填充、平滑等处理；再点击偏置命令在牙槽骨均匀偏置2.5，2.0，1.5，1.0 mm，获得皮质骨模型[6]，使用布尔运算获得松质骨模型，分别命名为D1，D2，D3，D4，见表2，并保存为STP格式文件。

1.4.3 三维模型的建立将文件导入Solid works 2022软件中，在零件建模环境下，建立一个圆形草图平面，再在此基础上建立一个螺旋线，梯形草图，点击拉伸、旋转、切除等命令建立各部件的三维模型。再将对绘制成功后的种植体、基台、固位螺丝等各部件移动到合适的位置对此进行装配，最终去除各部件之间的干扰后，完成实验模型的建立。最后将4组模型导入ANSYS Workbench 2021(ANSYS公司，美国)软件中(图1)，划分网格，定义材料属性、相互作用、边界条件后设定载荷，最后对结果进行分析。

1.4.4 载荷及边界条件模型中使用的所有材料都被认为是各向同性、均质和线性弹性材料。通过定义弹性模量，模拟各组成材料，如表3所示。垂直向载荷200 N作用点为中央窝，近远中边缘嵴；侧向载荷200 N作用点为近远中颊尖的舌斜面，与种植体长轴成45°角[7-9]。

1.5 主要观察指标在0.5，1.0，2.0，2.5 mm 4种皮质骨厚度骨质中，以位移作为初期稳定性观察指标，以等效应力值为应力观察指标。

讨论

在临床实践中，骨质类型是种植义齿是否成功的一个重要因素。GOIATO等[13]对3 937例接受了12 465次植牙的患者进行了分析，根据骨密度报告的种植体存活率：Ⅰ型97.6%，Ⅱ型96.2%，Ⅲ型96.5%，Ⅳ型88.8%，这些骨质中的区别点之一在于皮质骨厚度的不同。有文献指出，为在有限元软件中分析皮质骨厚度对应力分布的影响，研究者将2类模型皮质骨厚度分别设置为2 mm(D2)及1 mm(D3)，发现D3应力峰值高于D2[14]。李希光等[15]比较了皮质骨厚度对应力分布的影响，将皮质骨厚度设置为1 mm及0.5 mm，最终得到1 mm厚度的皮质骨应力峰值小于0.5 mm应力峰值；王媛等[16]在All-on-Four设计方案中发现随着皮质骨厚度的增加，种植体、皮质骨的等效应力值呈降低趋势。此次实验结果也得出相似结论，皮质骨厚度为0.5-2.5 mm，种植修复体整体等效应力呈增高趋势，其中对骨和种植体的分布有所不同，D1，D2中骨和种植体应力分布较小及均匀，但在D3，D4中种植体和骨组织中的应力分布较大，因此可以认为，当计划行种植修复时，皮质骨厚度是增加主要稳定性和均匀分布应力的宝贵资源[17]。SEVIMAY等[18]利用三维有限元分析软件分析不同骨密度对应力分布的影响，他们得出的结论是，D3和D4骨的应力强度更高，因为松质骨更弱，变形阻力比其他建模的骨质量小，此次实验证实了此说法。在此次实验D1皮质骨厚度为最厚，松质骨最致密，因此应力峰值为最小且均匀；在D3中皮质骨厚度最薄，松质骨最为疏松，因此应力峰值最大。说明皮质骨厚度及松质骨密度对于种植体初始稳定性和咬合负荷力向种植体周围骨组织的消散非常重要，而松质骨对于种植体周围的骨愈合非常重要[19-20]。在此次实验基台应力结果在4种骨质条件下也显示出显著差异，基台等效应力值也会随着皮质骨厚度的降低而呈增高趋势，说明皮质骨厚度改变对基台的应力分布也有影响。除此之外，皮质骨的厚度影响种植体应力分布，种植体在D1-D4骨质中的最大应力值依次增大，分散范围更加集中；除D4中种植体应力峰值小于骨组织中的应力峰值外,其余骨质中种植体应力峰值大于骨组织，说明皮质骨厚度厚时种植体能将所受牙合力均匀分散于周围骨组织中。
初期稳定性受多种因素的影响，其中重要的决定因素之一是种植部位的骨质量和数量[21]。目前的定量成像和生物力学评估清楚地表明，手术时种植体的稳定性受种植体长度的影响很小，但皮质骨厚度强烈地增加了人类种植体的稳定性。这一发现与一项实验研究相一致，该研究表明，在尸体的腓骨、髂骨和肩胛骨中植入物的移除扭矩与皮质骨厚度有关，而不是总骨厚度[22]。此外，该结果与体内实验的报道一致，即松质骨的数量并不能增加手术时种植体的稳定。动物、计算机模型实验研究发现皮质骨厚度的增加使位移峰值呈降低趋势[23]。O’SULLIVAN等[24]研究了5种不同几何形状和表面形貌的种植体系统的初级稳定性，得出结论：在2型和3型骨中表现出良好的初级稳定性，尽管MarkⅣ种植体似乎在4型骨中也保持了较高的初级稳定性，然而必须谨慎对待这样的结果。此次研究选取0.5，1.0，2.0，2.5 mm四种皮质骨厚度的骨质，发现微动峰值随着皮质骨厚度的增大而呈降低趋势；在D4中表现出较高的稳定性，或许是使用更大直径的种植体可以抵消对位移值的影响。此次实验结果中还发现，垂直载荷下微动峰值在皮质骨厚度为2.5，2.0，1.0，0.5 mm的骨质模型中均集中在皮质骨的原因可能是由于皮质骨和松质骨弹性模量之间有明显的差异，其值比例接近10∶1，模量越大，材料强度越硬，抗变形能力更大[25]，因此皮质骨因应力遮蔽效应承受更大的应力，从而导致种植体周围位移增大[26]，在D3，D4中表现的更为明显。
综上所述，对于临床医生来说充分了解未来种植部位的骨质量是很重要的。受植区皮质骨厚度越厚，松质骨越致密种植体初期稳定性越高，越有利于应力的分散和传递。若皮质骨厚度薄容易出现应力集中等问题，后期会引起边缘骨吸收导致种植失败[27]，因此临床中检测到骨质量较差的情况下特别是在皮质骨厚度薄时[28-30]，建议在低骨密度和骨高度不足的情况下进行骨增强术，而不是使用短种植体。在此次研究中，所有的模型都是均匀的、各向同性的，具有线弹性，然而在体内组织的情况下情况可能有所不同，因此，在确定边界条件时，不考虑肌肉附着，假设骨模型固定在每条边缘。此外，模拟了100%的种植体-骨界面，这在临床情况下是不可能的，因此有必要将这些结果与体外和体内研究结果进行对比。中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

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