2.1   0°基台应用在不同种植体间距模型中对种植修复体及骨组织应力的影响   0°基台修复组作为对照组，各部件等效应力峰值随着种植体植入间距的改变趋于平稳，并未发生明显的随着种植体植入间距改变而出现的应力变化，最大等效应力峰值出现在种植体与基台连接处，松质骨所受等效应力峰值为最低；种植体周围骨组织所受应力主要集中在皮质骨，并且随着植入间距的减小有小幅增长，松质骨所受应力改变并不突出，见表4。



2.2   不同角度基台对各种植体间距修复模型中种植修复体及骨组织应力的影响   在3.0，2.5，2.0 mm种植体间距修复模型中，各部件的等效应力峰值随着植入基台角度的增大而增大，每种种植体间距修复模型中30°基台修复时种植体及各部件所受等效应力峰值最高，最大等效应力峰值均出现在固位螺丝与角度基台连接处。各接触点之间的等效应力峰值增大差异较小，所发生的改变并不突出。在各种植体间距修复模型中，种植体与联冠修复体在不同角度基台修复时所受等效应力峰值增幅变化最为明显，在3.0 mm种植体间距修复模型中种植体所受等效应力峰值随基台角度增加的应力增幅为15.4%，在2.5 mm种植体间距修复模型中种植体等效应力峰值增幅为7.8%，在2.0 mm种植体间距修复模型中种植体等效应力峰值增幅为10.7%。种植体间距的改变对骨组织所受的等效应力峰值变化影响不明显，但是随着基台角度的增加，种植体周围骨所受等效应力峰值呈增长趋势，在应用30°基台修复时种植体周围骨组织所受等效应力最大，见表5，图6-8。















2.3   不同种植体间距及角度基台对种植体周围骨组织的应力分布趋势   图9显示各组模型种植体近远中界面上种植体周围骨组织的等效应力分布趋势。在所有模型组中，应力主要集中于皮质骨唇舌侧，两颗种植体远端等效应力分布大于种植体间骨区等效应力分布，无论修复基台角度如何，随着种植体间距的缩小，模型中种植体间骨处应力分布逐渐集中。图10显示不同种植体间距及角度基台修复模型种植体周围皮质骨最大主应力云图。随着基台角度的增加，模型中最大主应力更加集中在唇舌侧皮质骨，种植体间骨所受最大主应力也呈增长趋势。种植体唇侧骨受到压应力，舌侧骨受到拉应力，并且30°基台> 20°基台> 10°基台> 0°基台，见表6。 所有模型的应力分布的一般模式相似，应力主要集中在种植体装置颈部周围的皮质骨，有2个明确的应力集中部位，即唇侧皮质骨和腭侧皮质骨，等效应力峰值似乎总是位于皮质骨和种植体表面之间的界面；松质骨中的应力水平似乎相对较小，因为与皮质骨相比松质骨的弹性模量较低；所有模型中最大主应力分布主要表现为仅唇侧种植体周围骨组织受到压应力，舌侧骨组织、种植体远中端骨组织及种植体间骨受到拉应力。

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近年来，随着种植体材料性能的提高，种植体治疗已成为牙科不可或缺的治疗方法和重要修复选择[1]。种植牙作为一种常用的替代缺失牙齿的治疗方法，在功能加载过程中与天然牙齿存在不同的生物力学条件。尽管种植体和天然牙齿都能与周围软组织形成相似的附着关系，从而维持一个稳定的密封环境[2-3]，但种植体与软组织之间的附着力较弱，相比之下，在受到压力时软组织塌陷的风险更加显著。在天然牙齿系统中，咬合力主要通过牙周膜传递，牙周膜具备一定的减震保护作用；相反，在种植体系统中，咬合力直接作用于骨骼，没有牙周膜的缓冲作用。据报道，当种植体与基台连接后，如果周围应力过大可能导致种植体颈部周围发生骨吸收，引起种植体周围软组织退缩[4]，这一差异对于种植牙的设计和使用提出了特别的考虑要求，以确保既能承受必要的功能载荷，又能最大限度减少对周围骨结构的负面影响[5]。因此，种植牙可能无法应对某些修复情况和过重的咀嚼力，种植牙成功与否关键取决于骨质的好坏、患者的咀嚼习惯、修复设计及种植体选择[6]。种植修复牙的各个部分，包括支撑上部修复体的种植体数量、种植体直径和长度、连接方式和顶部结构以及修复体布局，都至关重要[7-8]。种植体周围骨吸收是在骨受到一定应力时发生微骨折引起的[9]。在种植治疗中，种植体周围骨吸收与上部结构通过基台-种植体连接向种植体周围骨组织负载过大咬合力密切相关。
临床上，上颌前牙缺失常常伴随着上颌区的骨质缺损，在满足种植条件中对骨量要求的同时，为了减少手术创伤和手术时长及植骨费用，当种植体植入未处于理想的轴向位置时，可以使用角度基台来恢复美学及功能的需求。因此，根据患者现有的骨质条件，对种植体植入方向做出适当调整[10]，修复上部结构时采用角度基台来调整轴向方向，成为了临床中解决此类问题的最终方案。
由于软组织萎缩常伴骨吸收，尤其是上颌前牙区域的美观性受到严重损害，牙龈乳头高度减少导致形成一个黑色三角形，降低了前牙美观性；此外，牙龈乳头缺损会导致食物嵌塞和牙菌斑积聚，进一步损害牙周健康[10]。牙间乳头的重建在美学上很重要，但这种种植体之间的重建被认为比种植体与天然牙之间或种植体与固位体之间的牙间乳头重建更困难[11]，因此必须抑制种植体之间的牙槽骨吸收，以维持种植体之间的牙间乳头，这表明必须防止种植体周围骨的过度应力[12]。种植体间骨的吸收受种植体间距离等条件的影响，种植体间距离小于3.0 mm会导致骨吸收量增加[13]，然而，在临床操作中种植体的准确放置仍然存在种植体位置和种植体间距离错误的可能性。
有限元分析是预测口腔模拟载荷环境下义齿治疗远期预后的有效方法，已被用于评估从种植体到骨的应力传递[14]。以往研究使用三维扫描仪和分析软件来分析应力，以重现尺寸小、形状复杂的种植体部件，但此类研究中分析模型较为复杂，由于数据量巨大不可避免地增加了计算成本，并且许多应力分析只对一个种植体进行且分析模型中不包括上部结构。有限元分析进行的生物力学研究具有耗时短、成本低、力学性能测试全面及可重复性优良等优点。有限元分析为无创测试，不会损坏实验模型的完整性，避免了复杂且繁琐的动物实验，为生物力学研究提供了强大的数据支持。
因此，此次研究采用三维有限元分析方法比较应用不同角度基台和种植体间距离时对上颌前区种植体周围骨组织及种植体组件力学的影响。

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建模及三维有限元分析实验。
1.2   时间及地点   实验于2023年3-9月在新疆医科大学第二附属医院口腔科完成。

1.3   对象   选取1例需行上颌中切牙区种植修复患者的影像资料为建模素材，该患者于2022-2023年就诊于新疆医科大学第二附属医院口腔科，患者上颌中切牙区骨质无缺损，无创伤史及其他影响骨质因素，骨质为Ⅱ类骨，植入种植体型号为3.3 mm×10 mm BL NC(表1)，上部修复体为联冠。患者对实验知情同意并签署了知情同意书。研究已通过新疆医科大学第二附属医院医学伦理委员会审批(伦理审批号：20160302-01)。

1.4   实验方法   
1.4.1   影像资料采集   使用德国西诺德Siron Galileos锥形束CT获取患者原始锥形束CT影像资料，保存为DICOM格式，共414张图像。
1.4.2   颌骨三维模型的建立   将获取的DICOM格式的影像资料导入Mimics 21.0软件中，通过灰度值的不同可以将人体骨骼及牙等硬组织提取出来。根据三维处理后的模型进行精确曲面构型，探测模型轮廓线，然后构造生成曲面片、构造格栅、拟合曲面等，生成高精度的NURBS曲面模型，将获得的实体模型使用偏移命令向内偏移1.5 mm获得松质骨模型，使用曲面模型删去松质骨模型获得皮质骨模型，最终获得上颌骨三维实体模型，并以stp格式导出。
1.4.3   种植体及冠部修复体模型的建立   运用SolidWorks 2021 SP4.0软件进行建模，使用草图命令在基准面画出种植体草图。根据士卓曼公司提供的产品目录、产品参数以及产品使用说明书，使用智能尺寸命令定义模型参数。使用特征命令中的拉伸凸台/基体、拉伸切除、扫描切除等命令将二维草图转变为种植修复体模型的三维几何体，调整基准面角度建立0°(对照)，10°，20°，30°角度基台，见图1。新建装配体，插入建立好的种植修复体模型各零部件，使用配合命令约束各零部件之间的空间关系，使用距离命令定义种植体间距为2.0，2.5，3.0 mm，并使其在正确的位置上就位，见图2。在零件操作界面，使用组合命令去除各零部件之间的干涉。种植修复体零部件组装完成后，使用评估命令进行零件干涉检查，确定模型各零部件之间没有干涉。将组装好的模型文件导入ANSYS Workbench 2022软件中，创建静态结构系统，编辑工程数据，在此系统中赋予模型材料特性，设置接触关系以及网格参数，见图3。网格划分数量见表2，网格质量分布情况见图4。

1.4.4   实验假设及边界约束   假设建模中使用的所有材料都是均匀连续的、线弹性的和各向同性的材料。实验中各材料的物理参数，均来自以往文献[15-17]，见表3。种植体与骨组织的骨结合类型为完全骨结合，并且与骨组织之间无摩擦不移动；种植修复体各零部件之间连接紧密无摩擦，设定接触类型为绑定接触，固定颌骨边界为约束条件。

1.4.5   加载条件   实验采用静态载荷，将载荷部位定于上部修复体腭侧切1/3和中1/3交界处，采用面接触，见图5A；设定加载力的大小为每牙175 N，加载方向与牙冠长轴呈 45°角[16]，见图5B。

1.5   主要观察指标   在3种不同种植体间距中，分析比较0°，10°，20°及30°种植修复体模型各部分(上部修复体、修复基台、种植体、皮质骨、松质骨)的等效应力峰值、种植体间骨(两种植体中心连线中点处)最大主应力值及应力分布云图。

上颌前牙区是美学修复的敏感区域，在此区进行种植修复治疗是非常具有挑战性的[18]。在美学区的种植义齿修复过程中，从手术前设计到种植体的定位、植入、二期手术与修复过程中的设计和操作都会对种植修复的最终效果产生影响，美学区的种植难度及复杂程度也因此是最高的[19]。美学区种植体作为一种人工植入物，其主要目的是替代丢失的牙齿，恢复患者美观的需求并能够承受正常咀嚼时产生的力量。合适的应力可以促进种植体与骨骼的良好整合，这种现象称为骨整合。当种植体表面受到适度的应力时，可以刺激周围骨组织的生长，从而加强种植体与骨的结合，使得种植体更加稳固；如果应力过大或分布不均，就可能导致种植体周围骨组织的损伤或过度吸收，进而影响种植体的稳定性和寿命[20]。因此在设计和放置种植体时，医生必须仔细考虑应力的分布和大小，以确保种植体能够成功地与骨骼整合并长期稳定地工作。近年来，有限元分析在评估种植体的应力方面发挥着重要作用[21]。种植修复体由多个部件构成，因此确定其生物力学行为有点困难，但有限元分析仍然是确定复杂结构中生物力学行为的合适分析方法。静态分析和动态分析是有限元分析中使用的2种不同技术。静态有限元分析能够计算恒定载荷下的应力、应变和变形，这在计算时间和成本方面通常是更快、更简单的方法[22]。等效应力又称Von Mises值，是塑性力学领域的一个重要概念，它综合考虑了材料强度理论中的压应力、拉应力和剪应力的不同分量，通过数学方法计算出反映物体破坏强度的应力值。最大主应力是材料力学和结构工程中的一个重要概念，它涉及到在一个点处材料所承受的最大正(拉伸)或负(压缩)应力值，可以得出某一点所受应力的方向及大小。此次研究通过等效应力和最大主应力来分析讨论基台角度与种植体间距对种植体周骨组织应力的影响。
上颌前牙缺失的患者常伴有骨缺损，导致在临床上对前牙区的种植修复充满了挑战。由于这种缺损导致的组织解剖形态以及种植位点的不理想，后期在行上部修复时常使用角度基台[23]。种植体基台角度是牙科生物力学中一个重要的变量。基台角度可以根据临床需要而有所不同，范围通常在5°-35°之间。不同种植修复系统配备的原装角度基台最大角度各不相同，对于角度基台的安全角度范围有不同的观点存在。以往有学者认为可以使用超过30°的角度基台进行种植修复[24]，也有学者通过有限元分析建议将最大角度控制在25°[25]，甚至更好地控制在20°以下[26]。一些临床研究表明，使用直基台和角度基台的种植体在骨丢失或基台存留率方面并没有显著差异[27]。PAPAVASILIOU等[28]研究也得出了相似的结论，认为应力更多地集中在皮质骨上，当施加咬合力于倾斜基台时，随着基台角度的增加，骨中产生的应力也增加，并且似乎集中在特定区域，主要是颊侧骨的皮质区域。与0°直基台相比，于种植体加载产生的等效应力在15°和25°基台角度下分别增加了12%和18%；垂直基台模型显示负荷均匀分布在植入体的颊侧和舌侧表面，而在倾斜基台模型中，负荷不沿着种植体的长轴传递。BROSH等[29]将应变片连接到种植体表面并将这些种植体嵌入光弹性丙烯酸树脂中，以研究角度基台的应力传递，发现当基台角度从0°增加到25°时，仅检测到11%的剪切应力增加，这与此次研究结果以及文献中其他相关研究的结果非常相似。HSU等[30]发现当施加非轴向负荷于种植体时，应力将增加3倍或更多。
此次研究结果表明，上颌骨前部的压应力和拉应力都随着种植体植入间距的减小以及基台角度的增加而增加。在应力(压缩或拉伸应力)的局部化以及基台角度对应力的影响方面，这些发现与KAO等[31]的结论一致。此次研究结果表明，所有模型中种植体周围骨壁的等效应力分布趋势是相似的，种植体与骨界面之间的等效应力主要集中在颈部皮质骨区域，这种现象可以通过应力遮挡原理来解释：当一个由不同弹性模量组成的系统受到负荷作用时，具有较高弹性模量的组分将承担更多的负荷。因此，在应力从种植体传导到骨界面的过程中，由于皮质骨的弹性模量明显高于松质骨，因此皮质骨会承受更大的应力[32]。此次研究的所有模型在皮质骨水平的骨-种植体界面处存在最大应力，这与ÖZIL等[33]的研究结果也一致。还有研究发现，种植体根尖区域的应力较小，这可以解释为与负载种植体的根尖表面直接接触的骨量远远小于种植体的剩余部分，因此松质骨内种植体的根尖区域受到的应力诱导刺激很少[34]。
根据BAYRAKTAR等[35]的研究，皮质骨在拉伸和压缩条件下的屈服强度分别为104，169 MPa，而松质骨在拉伸和压缩条件下的屈服强度分别为82，133 MPa。屈服强度被认为是骨皮质层微裂纹形成的阈值。微裂纹会刺激骨重塑，其中包括骨吸收和骨形成。合乎逻辑的推测是，在较短的时间间隔内，微裂纹形成的频率越高，骨的反应很可能更倾向于骨吸收。此次研究中3种不同种植间距模型采用30°角度基台修复时，皮质骨所受应力峰值接近或超过皮质骨压缩条件下的屈服强度，有理由认为30°角度基台会导致应力更加集中于皮质骨，并且加快种植体周围皮质骨的吸收；其余角度基台组中皮质骨所受应力峰值均已超过皮质骨拉伸条件下的屈服强度，也可能会导致主要受拉应力的腭侧皮质骨发生不同程度的吸收。
此次研究考察了应用角度基台后种植体间距离对种植体间骨的力学影响，就操作者的可选择性而言，种植体间距离与基台角度同样重要。随着种植体间距离的减小，种植体间骨体积减小，应力重叠范围增大，因此种植体间骨的应力增加。相比之下，随着种植体间距离的减小，使得上部联冠修复体体积相应缩小，导致了单位面积内受到的应力增加，牙冠受到的应力更加集中。有学者认为，在体内相邻种植两种植体时，种植体间距离小于3.0 mm时水平骨吸收重叠，种植体间牙槽骨和牙间乳头高度丢失[36]。2颗种植体植入间距过小，应力相互叠加，导致出现比单颗种植体更多的周围骨组织吸收，因此在2个相邻的种植体之间维持或产生龈乳头比在种植体和天然牙齿之间维持或形成龈乳头更困难。当将多个种植体放置在美学区域中时，在种植体-基牙界面处选择性地使用具有较小直径的种植体可能是有益的，从而使得在植入物基牙水平处可以在它们之间保留至少3.0 mm的骨，此次研究结果从压力的角度支持了这些发现。一项犬模型研究发现，种植体间距离小于2.0 mm时，种植体间骨的血管性明显低于3.0 mm[37]，导致了小于2.0 mm的植入间距时种植体间骨吸收多于3.0 mm间距。SIMSEK等[38]认为2种植体集中在颊侧和舌侧的应力远高于中侧和远侧。此次研究结果与SIMSEK等的相似，在静态载荷下，拉伸和压缩应力主要集中并分布在种植体颈部周围皮质骨的颊面和舌面，而不是种植体的中内侧和远端。SIMŞEK等[38]还得出种植体植入间距较小时两种载荷产生的应力场在一定程度上相互抵消，当植入间距为1.0 cm时应力分布最优。一种载荷可能具有压缩效应，而另一种载荷具有拉伸效应，结果应力值相互抵消，从而使应力在骨骼中更好地分布，在2.0 cm模型中，载荷之间距离较远，不存在相互作用，因此不存在抵消效应。此次研究结果显示，无论是2.0，2.5 mm还是3.0 mm种植间距组，骨组织模型在应力分布上都具有相似性，即种植体应力主要集中在颊侧及舌侧皮质骨，种植体间皮质骨的最大主应力随着种植间距的减小而增大，并且应力在种植体向远端分散，而在种植体间松质骨的应力相对较小，这可能是因为在种植体远中端区域，咬合力通过人工牙齿传递到种植体，然后再传递到邻近的骨组织；而在种植体之间的区域，咬合力可能在2颗种植体之间得到分散，从而减轻该区域的骨组织受力。以往有研究表明，通过连接牙冠可使应力分散，有效抑制骨吸收[16]。
综上所述，基台角度以及植入间距对种植体周围骨组织应力的分布有一定影响，当基台角度增加时，种植体受到轴向和斜向载荷[39]，种植体周围的应力模式上升，轴向载荷下Von Mises等效应力水平最高的部位为基台和皮质骨，而在斜向载荷下应力逐渐向这些部位迁移[40]。此次研究中30°基台种植修复体对骨组织应力的影响较大，达到了皮质骨的骨吸收阈值，10°和20°基台修复应力较小于30°基台，临床上选择基台修复时应慎重考虑大于20°基台修复。在临床环境中，种植体位置可能发生移位，种植体间距离可能小于常规的3.0 mm，即使在这种情况下，避免使用过大角度的基台进行上部修复可能会抑制种植体间骨的吸收，亦或者使用大角度基台进行冠部修复时应当注意种植间距的把控。此次研究进行的分析是线性和静态的，非线性和动态分析用于计算时变载荷下的应力、应变和变形，因此对于涉及时间或频率的临床情况(如咀嚼)，动态分析可能比静态分析更准确[22]，结果可能更接近于实际临床病例的环境，可能会更准确地评估种植体基台角度和种植体间距离差异的影响，因此还需要进一步完善动态载荷实验研究和长期随访的临床试验。

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

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

此次研究聚焦于上颌中切牙种植联冠应用角度基台在不同种植体间距下的应力分析，采用了有限元建模分析评估方法，旨在深入探讨种植体间距以及角度基台对种植体-骨界面应力分布的具体影响。研究通过这种创新性的方法揭示了较小种植体间距可能导致应力集中，从而对种植体的稳定性和寿命产生不利影响。进一步地，此次研究提出通过适当增加种植体间距或选用较小角度的角度基台可以有效降低应力集中，减少种植失败风险，这一发现为种植体设计和临床实践提供了重要的理论支持，有助于指导未来的种植牙设计优化，以提高种植牙的长期成功率。此次研究成果为临床医生在进行种植手术时提供了科学依据和实践指南，具有显著的临床应用价值和意义。通过对种植体设计参数的细致分析，此次研究促进了对种植牙稳定性和骨整合过程的理解，为种植牙领域的发展贡献了新的知识和见解。

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

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