减阻牵张成骨远移尖牙的三维有限元分析

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2014.11.018

中国组织工程研究 ›› 2014, Vol. 18 ›› Issue (11): 1749-1754.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2014.11.018

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减阻牵张成骨远移尖牙的三维有限元分析

舒林径¹，薛俊杰^2，3，王璟⁴，徐远志⁴，王飞宇¹，唐小山⁴

¹四川大学华西口腔医学院，四川省成都市 610041；²口腔疾病研究国家重点实验室，四川大学华西口腔医院正畸科，四川省成都市 610041；³新疆医科大学第一附属医院口腔正畸科，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市 830000；⁴同济大学附属第十人民医院口腔科，上海市 200072

修回日期:2014-01-12 出版日期:2014-03-12 发布日期:2014-03-12
通讯作者: 薛俊杰，在读博士，主治医师，口腔疾病研究国家重点实验室，四川大学华西口腔医院正畸科，四川省成都市 610041；新疆医科大学第一附属医院口腔正畸科，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市 830000
作者简介:舒林径，女，1992年生，重庆市人，汉族，四川大学华西口腔医学院在读硕士，主要从事口腔正畸及口腔种植的生物力学研究。
基金资助:
新疆维吾尔自治区自然科学基金青年基金项目支持(2011211B35)

Three-dimensional finite element analysis of canine distalization through reducing resistance and distraction osteogenesis

Shu Lin-jing¹, Xue Jun-jie^{2, 3}, Wang Jing⁴, Xu Yuan-zhi⁴, Wang Fei-yu¹, Tang Xiao-shan⁴

¹West China College of Stomatology, Sichuan University, Chengdu 610041, Sichuan Province, China; ²Department of Orthodontics, State Key Laboratory of Oral Disease, West China Hospital of Stomatology, Sichuan University, Chengdu 610041, Sichuan Province, China; ³Department of Orthodontics, First Affiliated Hospital of Xinjiang Medical University, Urumqi 830000, Xinjiang Uygur Autonomous Region, China; ⁴Department of Stomatology, Shanghai Tenth People’s Hospital, Tongji University School of Medicine, Shanghai 200072, China

Revised:2014-01-12 Online:2014-03-12 Published:2014-03-12
Contact: Xue Jun-jie, Studying for doctorate, Attending physician, Department of Orthodontics, State Key Laboratory of Oral Disease, West China Hospital of Stomatology, Sichuan University, Chengdu 610041, Sichuan Province, China; Department of Orthodontics, First Affiliated Hospital of Xinjiang Medical University, Urumqi 830000, Xinjiang Uygur Autonomous Region, China
About author:Shu Lin-jing, Studying for master’s degree, West China College of Stomatology, Sichuan University, Chengdu 610041, Sichuan Province, China
Supported by:
the Natural Science Foundation for the Youth of Xinjiang Uygur Autonomous Region, No. 2011211B35

摘要/Abstract

摘要：

背景：牙周膜牵张成骨通过力作用于牙周膜，带动牙齿移动；牙槽骨牵张成骨是通过整个骨盘的位移，达到牙齿移动的效果。
目的：建立基于健康成人的、3种不同状态下的上下颌三维有限元模型，采用三维有限元方法对比研究3种模型在力的加载下应力分布和瞬时位移情况。

方法：模型1通过多种软件结合建立常规状态下、模型2建立牙周膜减阻牵张成骨后、模型3建立牙槽骨减阻牵张成骨后移动尖牙的三维有限元模型，分别模拟力的加载。

结果与结论：3种模型的最大瞬时位移均发生在尖牙近中牙冠上1/3处，其值模型2 >模型 3 >模型1；最大等效应力均位于上颌尖牙远中侧牙槽嵴处，其值模型2<模型1<模型3。说明牙槽骨和牙周膜减阻牵张成骨均能有效减小牙移动阻力，增加尖牙瞬时位移，且去除尖牙远中骨质效果更为显著。两种方法成功避免了支抗丧失，但尖牙存在远中倾斜趋势，临床工作中应采取相应措施加以控制。

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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关键词: 组织构建, 组织工程, 牵张成骨, 牙齿移动, 三维有限元法, 错牙合畸形, 尖牙, 牙槽间隔减阻, 生物力学, 正畸治疗, 应力分析, 数字化口腔科技术, 新疆维吾尔自治区自然科学基金

Abstract:

BACKGROUND: Peridental membrane distraction osteogenesis exerts the functions at peridental membrane and leads to tooth movement. Alveolar bone distraction osteogenesis produces tooth movement through the displacement of the whole bone plate.

OBJECTIVE: To establish three-dimensional finite element model of upper and lower jaw of healthy adults under three different conditions, and to compare the stress distribution and distal movement of the models using three-dimensional finite element analysis method.

METHODS: Model 1: three-dimensional finite element model of the canine under normal conditions using a variety of software; Model 2: three-dimensional finite element model of the canine after distracting osteggenesis of the periodontal ligament; Model 3, three-dimensional finite element model of the canine after reducing resistance and distracting osteggenesis of the alveolar bone. The force loadings were stimulated among these models.

RESULTS AND CONCLUSION: The biggest displacements on those three models occurred in canine crown on 1/3, and the displacement quantity on canine was model 2 > model 3 > model 1. The biggest equivalent stress concentrated in distal alveolar crest, and the equivalent stress was model 2 < model 1 < model 3. In the process of canine distal movement, reducing bone resistance and distracting osteggenesis, especially distal alveolar crest of canine, can accelerate the tooth moving speed effectively. And the two ways successfully avoid the loss of anchorage. We should notice that the canine has distal motion tendency under the action of force, appropriate measures should be taken to control it in clinical work.

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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Key words: malocclusion, periodontal ligament, finite element analysis

中图分类号:

R318

舒林径，薛俊杰，王璟，徐远志，王飞宇，唐小山. 减阻牵张成骨远移尖牙的三维有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2014, 18(11): 1749-1754.

Shu Lin-jing, Xue Jun-jie, Wang Jing, Xu Yuan-zhi, Wang Fei-yu, Tang Xiao-shan. Three-dimensional finite element analysis of canine distalization through reducing resistance and distraction osteogenesis[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2014, 18(11): 1749-1754.

图/表（结果） 1

参考文献

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引言

错牙合畸形对广大患者的身心健康存在巨大危害，以往的研究表明，常规正畸牙齿移动速率约为1 mm/月^[1]，拔牙矫治患者仅尖牙后移即需6-8个月，整个错牙合畸形治疗时间长达2年左右。如果在拉尖牙向远中移动的过程中，支抗磨牙受到反作用力出现向前移动，则称为出现了“支抗丧失”现象。如何加快正畸牙移动速度，同时减少支抗丧失成为众多学者关注的焦点。

1998 年，“牙周膜牵张成骨”的概念首次由Liou等^[2]提出，他认为牙周膜可以看作是牙槽骨和牙齿间的“缝隙”，受矫治力作用的张力侧牙周膜因牵张而出现牙槽骨沉积现象。在临床试验中，他首先拔除患者第1前磨牙，为了减小尖牙远中移动的阻力，去除了尖牙远中的部分间隔骨，设计固位于牙齿的牵张装置，尖牙21 d内向拔牙窝移动的均值为6.5 mm，速度达到了0.5-1.0 mm/d，支抗未出现明显丧失。同时临床上未见明显的牙根吸收、牙髓坏死等不良反应。

Allgayer等^[3]对应用此方法的1例患者进行了2年的临床随访，结果显示美学效果和咬合稳定性俱佳。娄新田^[4]，陈曦^[5-8]，王爽等^[9-11]在Liou研究的基础上建立了牙周膜牵张成骨牙齿快速移动的动物实验模型，并通过组织学观察手段佐证了牙周膜牵张成骨的有效性和安全性^[12]。

2002年Ki?ni?ci等^[13]根据Liou的实验基础提出了牙槽骨减阻牵张成骨技术。该技术借鉴了输送盘的概念，首先拔除第1前磨牙，然后去除其颊侧骨板(舌侧骨板不去除)。于尖牙牙根颊侧垂直切牙骨皮质，于舌侧松解骨松质，形成可移动的包含尖牙及颊侧骨皮质的骨块。牵引此骨块，尖牙动度可达5.6 mm/周，而磨牙作为支抗，前移和伸长不明显。牙周膜牵张成骨通过力作用于牙周膜，带动牙齿移动；牙槽骨减阻牵张成骨技术是通过整个骨盘的位移，在骨盘的牵张部位形成新骨，达到牙齿移动的效果。

Kurt等^[14]、Kharkar等^[15]、Iseri等^[16]通过临床研究证实牙槽骨减阻牵张成骨技术可以显著减少正畸治疗时间，对牙周组织未见不良影响，且不需要其他方式加强支抗，是一种高效、可行的方式。

临床中为了最恰当地使用正畸力，避免不需要甚至有害力的干扰，保证正畸治疗快速、准确完成，必须对牙齿移动的生物力学和生物学进行全面的了解。为了深入了解这两种方式的生物力学特性，文章引入了三维有限元分析法对其进行分析。有限元分析法原理是将无限维空间转化到有限维空间，把连续系统转化为离散型结构，即通过将连续的具有弹性的物体视为若干个力学单元，用所分割的所有单元的整体代替原物体，依次剖析各个单元的性质，以此了解整个弹性体的力学特性的数值方法。它具有快速易行、安全无创的特点，并且可反复使用同一模型进行各种加载荷状况的计算，保证了模型的完全相似。此种方法不仅可以准确研究各种材料的性质和形态轮廓，还可以客观详细地了解到不同加载方式和复杂的支持条件下牙齿及牙周的应力分布情况，近年在口腔生物力学研究中发挥了重要作用^[17-24]。

这两种方式在试验中均明显提高了尖牙移动速度^{[6,7,14,25-30]}，为解决疗程较长这一临床难题提供了一条新的思路。实验于牙周膜牵张成骨和牙槽骨减阻牵张成骨作用状态下，首次揭示上颌牙受单侧力加载时移动的生物力学特征，避免不需要甚至有害力的干扰，文章借助先进的口腔影像学技术和大型通用有限元分析软件，建立了3种条件下移动尖牙的理想三维有限元模型，利用其分析不同条件下尖牙过程中尖牙及其牙周组织的生物力学行为，为临床工作的充分发挥提供可靠的依据。

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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材料方法

设计：建立上下颌三维有限元模型。
时间及地点：实验于2009年12月至2014年8月在新疆医科大学第一附属医院完成。
对象：成年男性志愿者1例，受试者对实验方法及目的知情同意，实验方案得到医院批准。

纳入标准：①安氏Ⅰ类磨牙关系，无正畸治疗史。②牙弓形态良好，无牙体缺损。③牙周组织健康。

排除标准：颞下颌关节疾病。

方法：

CT扫描：使用GE light speed VCT 64排螺旋CT，对志愿者进行头颅CT断层扫描。患者呈仰卧位，全身放松，头架固定头颅位置，扫描平面平行于地平面，从眼眶下缘最低点至颏部下缘最低点不间断扫描，共获得196层影像，每层厚度500 μm，将DICOM (Digitalimaging and Communications in Medicine) 数据导出。

建立3D模型：利用模块化结构软件(Materialise's interactive medical image control system, Mimics)提取颌面部形态的图像后，通过阈值设定，区分颌面部骨骼、牙齿和牙周组织。将3部分的3D实体以多面体形式分别再塑造。转为STL格式，应用逆向工程和三维检测软件(Geomagic Studio 8.0)修整、优化3D模型。将STP格式的模型导入三维CAD设计软件Unigraphics NX中^[31-32]。

三维有限元模型的建立：应用Ansys软件分别划分3种三维几何模型单元。假设本研究所涉及的材料均为线弹性体，材料内部均质、连续、各向同性。其泊松比、弹性模量均选自有关文献^[33-36](表1)。所建模型具有良好的几何相似性和力学相似性，可任意旋转或者加减组件，进行约束和加载分析。

力的加载：在模型1的第1磨牙和尖牙的颊侧临床冠中心施加向近远中方向上的力，力值的加载为0.75 N，时长为1 s(图2)。模型2、3力的加载同模型1。

主要观察指标：①不同工况下等效应力比较。②不同工况下瞬时位移比较。③不同工况下最大主应力比较。④不同工况下剪切应力比较。

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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讨论

实验中在力的加载下，3种模型尖牙的最大等效应力和剪切应力集中区都在尖牙远中牙槽嵴处，此处产生牙槽骨的吸收、沉积、改建，从而产生远中移位。尖牙的最大时位移量模型2 >模型3 >模型1，提示牙周膜牵张成骨与槽骨减阻牵张成骨的方法在相同的大小、相同作用时间的力作用下，尖牙移动量大于传统方法，且牙周膜牵张成骨速度更佳，这可能与两种术式去骨的部位和量不同有关^[37]。这与马文盛等^[38]的研究结果相一致，他对比发现牙周膜牵张成骨与牙槽骨减阻牵张成骨的移动距离明显大于拔牙固定矫治，加力第2周，牙周膜牵张成骨移动距离大于牙槽骨减阻牵张成骨。

传统的正畸牙移动是通过机械力刺激牙周组织，从而产生生物学反应。正畸力作用刺激牙齿受牵张处(即张力侧)沉积新生骨，受压处(即压力侧)破骨细胞吸收陈骨，牙周组织通过改建使得牙齿出现移动。研究表明，当牙齿受到较大的力后会在压力侧牙槽骨产生透明性变^[39]，使牙齿移动停滞，而人类的透明性变期通常持续两三周。当透明性变的骨组织未被完全吸收时，牙齿无法产生移动，这一现象无疑严重地限制了牙齿的移动速度。减阻牵张的方法同时解决了压力侧和张力侧的问题，压力侧应用使牙齿和压力侧的牙槽骨一起移动的方法，而张力侧的骨形成主要是靠牙周膜所受的张力，使牙齿快速移动成为可能。

临床研究和动物实验中均发现尖牙在远中移动过程中存在远中倾斜的趋势^[2,25-26,38]，Liou等^[2]报道对受试者尖牙进行牙周膜牵张成骨后形成约17°的远中倾斜。Sayin 等^[26]报道牙周膜牵张成骨远移尖牙后，尖牙呈11.47°远中倾斜。Sukurica等^[25]报道尖牙倾斜为9.1°。马文盛^[38]报道牙槽骨减阻牵张成骨方式远移尖牙，尖牙倾斜仅为3.97°，这可能因为相较于其他方式，牙槽骨减阻牵张成骨增加了包含移动牙的骨盘的动度，减小了其移动阻力。

实验也发现尖牙具有远中倾斜趋势。模型2和模型3云图显示最大瞬时位移量从尖牙牙冠到根尖逐渐减少，最大等效应力集中区都在在尖牙远中牙槽嵴处，提示尖牙受力初牙冠远中移动量更大。从应力的分布发现在尖牙牙颈部牙槽骨存在应力集中区，易产生较大的应力值。Liou^[2]和Sayin^[26]一致认为应该保留一定程度的倾斜移动。适当的倾斜移动可以防止机械力对根尖处的神经和血管的过分牵拉刺激，从而有利于减少对牙髓的刺激。在临床使用中可通过调整连接杆的高度使尽可能接近移动牙的阻力中心，充分去除牙槽间隔的阻力减少尖牙因为支点的存在而倾斜，从而达到适量减少远中倾斜的目的。

支抗可理解为“正畸过程中，牙齿为抵抗受力后的移动而产生的大小相等，方向相反反作用力”^[40]。支抗磨牙在远移尖牙过程中容易前移，这是临床中应该尽可能避免的情况。实验未发现支抗牙发生明显移位，这与Kumar等^[27]、马文盛^[38]、刘燕等^[41]的研究结果相一致。支抗的控制对正畸矫治效果起着决定性作用，这两种术式可有效节约支抗。一般认为，支抗的丢失是由于支抗牙受到超过迟滞期(约3周)的持续力量^[2]。因此理论而言，在支抗单位移动前完成移动牙的后退移动可有效避免支抗丧失。这两种术式在支抗控制上的优势，使得它特别适合于前牙重度拥挤、上牙槽严重前突等需要大支抗的患者。

综上所述，牙周膜牵张成骨和牙槽骨减阻牵张成骨技术可以大幅提高牙移动速度，并有效的节约支抗，在短期内未观察到严重副作用，是两种有效的快速牙移动方式。牙周膜减阻可在拔牙同期进行，创伤相对较小，耗时短。牙槽骨减阻需两次手术，在二次手术时进行牙龈翻瓣，创伤相对较大，耗时相对较长。

此研究仍存在一定局限性。三维有限元进行牙移动的分析仍为理想化模型，考虑的是瞬时作用力使单颗牙齿移动的情况，假设模型中各材料和组织均为各向同性线弹性材料，与临床实际情况存在一定差异。在实际治疗中，力的加载是一个连续的过程，且涉及多颗牙齿的移动，在其过程中不仅会有牙齿之间的相互作用，牙周膜状态不同，会还涉及血管、骨重建等过程。为使得三维有限元法能更好地模拟生物状况，得出更为准确的数据，还有待进一步研究。

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