金合金桩核冠修复下颌第一磨牙两壁缺损的三维有限元分析

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2014.43.008

中国组织工程研究 ›› 2014, Vol. 18 ›› Issue (43): 6935-6939.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2014.43.008

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金合金桩核冠修复下颌第一磨牙两壁缺损的三维有限元分析

刘涛¹，耿海霞¹，刘建彰²

1济宁医学院附属医院口腔科，山东省济宁市 272100；2北京大学口腔医院修复科，北京市 100081

收稿日期:2014-09-20 出版日期:2014-10-15 发布日期:2014-10-15
通讯作者: 刘建彰，副主任医师，北京大学口腔医院修复科，北京市 100081
作者简介:刘涛，2005年中南大学湘雅医学院毕业，主治医师，主要从事口腔修复研究。
基金资助:
济宁市科技发展计划项目(济科字[2011]57号)

Three-dimensional finite element analysis of gold alloy post-core in the repair of structure defects of the mandibular first molar

Liu Tao¹, Geng Hai-xia¹, Liu Jian-zhang²

1Department of Stomatology, Affiliated Hospital of Jining Medical College, Jining 272000, Shandong Province, China; 2Department of Prosthodontics, Peking University School of Stomatology, Beijing 100081, China

Received:2014-09-20 Online:2014-10-15 Published:2014-10-15
Contact: Liu Jian-zhang, Associate chief physician, Department of Prosthodontics, Peking University School of Stomatology, Beijing 100081, China
About author:Liu Tao, Attending physician, Department of Stomatology, Affiliated Hospital of Jining Medical College, Jining 272000, Shandong Province, China
Supported by:
the Science and Technology Development Plan of Jining City, No. [2011]57

摘要/Abstract

摘要：

背景：牙本质缺损的位置可能会影响牙根应力分布。
目的：对金合金桩核全瓷冠修复的根管治疗后两壁缺损下颌第一磨牙进行三维有限元应力分析，为临床治疗方案的选择提供理论指导。
方法：通过牙科CT扫描，提取数据，MINCIS软件进行三维重建，GEOMAGIC转换曲面，ANSYS布尔运算建立下颌第一磨牙两壁缺损金合金桩核全瓷冠修复6种模型。在4种载荷下，分别比较牙本质Mohr应力分布及牙本质最大Mohr值。
结果与结论：下颌第一磨牙6种缺损模型在金合金桩核全瓷冠修复时，牙根应力分布及最大应力差异无显著性意义。结果证实，金合金桩核全瓷冠修复时，下颌第一磨牙牙冠两壁缺损时，牙壁缺损的位置对修复效果无明显影响。

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

全文链接：

关键词: 生物材料, 口腔生物材料, 下颌第一磨牙, 牙体缺损, 桩核, 全瓷冠, 有限元, 修复体, 根管预备, 应力分析, 根管

Abstract:

BACKGROUND: The location of residual dentin may affect stress distribution of tooth root.
OBJECTIVE: To make a three-dimensional finite element analysis of gold alloy post-core and all-ceramic crown in the repair of structure defects of the mandibular first molar, and to provide a guideline for planning restoration for such kind of tooth structure defects.
METHODS: Three-dimensional finite element models of the restored first mandibular molars were constructed by CT image reconstruction technique. Then MIMICS software was used to separate the areas and finish the three-dimensional calculation. GEOMAGIC software was also applied to modify and generate a NURBS surface in each patch. All components of the models were assembled under the ANSYS preprocessor. The Mohr strength theory was applied for comparing the maximum Mohr stress value of dentin and stress concentration areas in six models under different simulating loads.
RESULTS AND CONCLUSION: The restoration effects in six models were compared, the maximum Mohr stress value of dentin and stress concentration areas were not obviously different. The location of residual dentin has little influence on the stress value and distribution, when restored by gold alloy post-core and and all-ceramic crown.

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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Key words: tissue engineering, tooth, mandible, dentin

中图分类号:

R318

刘涛，耿海霞，刘建彰. 金合金桩核冠修复下颌第一磨牙两壁缺损的三维有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2014, 18(43): 6935-6939.

Liu Tao, Geng Hai-xia, Liu Jian-zhang. Three-dimensional finite element analysis of gold alloy post-core in the repair of structure defects of the mandibular first molar[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2014, 18(43): 6935-6939.

图/表（结果） 4

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引言

材料方法

设计：材料学，计算机模拟实验。

时间和地点：于2014年1至8月在济宁医学院附属医院口腔科完成。

材料：

牙齿：根据《中国人牙体测量和统计资料表》，选择济宁医学院附属医院口腔科的一颗完整下颌第一磨牙离体牙，要求无缺损，双根，3个根管(近舌根管、近颊根管、远中根管)。

桩核：选用金合金铸造桩核。下颌第一恒磨牙远中根管为主根管，近颊及近舌根为辅根管，桩的长度是根长的2/3；桩的直径是根管截面直径的1/3；桩的形态与根管形态相适应为锥形；根尖区保留1/3根长的封闭区，核的形态与牙体缺损形态一致^[13]。

计算机：商用台式计算机(Intel(R) Core(TM)i5-2500K CPU^@双核3.30 GHz，内存容量8 GB、硬盘1 TB、操作系统Windows 7)。

方法：

下颌第一磨牙三维有限元模型的建立：蜡块包埋离体牙，锥形束CT(CBCT)扫描机(芬兰Planmeca)扫描，提取DICOM数据^[14-16]，利用MIMICS软件读取影像数据，重建牙体、牙本质、髓腔3部分，利用geomagic软件补洞，转换三角域Bezier曲面为NURBS曲面。将文件导入ANSYS软件，以釉-牙骨质分界线确定工作平面，通过布尔切分、加、减、删除、黏接等运算，形成牙根、牙周膜、牙槽骨、根尖牙胶、桩核、6种模式缺损的冠部牙本质(近中颊壁留存MB、近中舌壁留存ML、近远中壁留存MD、远中颊壁留存DB、远中舌壁留存DL、颊舌壁留存BL)和全瓷冠等各个部件。组织材料的力学参数见表1^[17-20]。

边界条件：假定固支约束牙槽骨两端，将牙槽骨两端完全固定，即3个方向上的位移和转角均为0。

载荷方式：根据代表性的咬合接触状态，选择4种载荷方式。与牙合面垂直方向作用于牙合面近远中边缘嵴、中央窝、近中颊及远中颊尖顶5个结点，共600 N(简称最大载荷F1)；在近中颊尖、远中颊尖和远中尖的颊斜面与牙长轴分别成0°，45°，90°作用于3个结点，共225 N(简称垂直载荷F2、斜向载荷F3、水平载荷F4)^[21]。

实验假设：实验中假设材料均质、连续、各向同性，受力变形为小变形的弹性材料，受力时模型各截面均不产生相互滑动，各单元间有足够的稳定性。

主要观察指标：比较4种载荷下6种两壁牙体缺损模型的牙本质Mohr应力分布及牙本质最大Mohr值。当牙本质最大Mohr值>牙本质拉伸极限强度40 MPa，认为牙体折断。实验使用Ansys作为有限元分析软件，观察的指标是牙本质Mohr应力分布及牙本质最大Mohr值.

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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讨论

3.1 不同载荷牙本质应力分析当桩核冠修复体受垂直向载荷时(F1，F2)时，牙本质应力集中区主要分布在近中根管口、牙颈部、根分叉及桩核末端对应牙本质区。应力一部分由内向外传道，通过桩核传递到桩尖对应根管内壁，通过牙本质再传递到根外牙周组织；一部分沿牙本质外壁传道，通过肩台处牙本质及牙本质肩领沿根外壁传递到牙周组织^[22]。

当桩核冠修复体受水平向载荷时(F3，F4)时，随着水平向应力的增加，牙本质应力集中区增大，且应力集中区向根方偏移。水平向载荷一部分通过桩核传递至周围剩余牙本质壁和根管周牙本质壁，再传递到牙周组织；一部分沿肩台上余留牙本质壁改变方向后传递到牙周组织^[22]。提示夜磨牙等口腔副功能状态时，牙本质应力普遍较正常咬合情况增加，最大应力分布出现在根部，牙根折裂的可能性较大^[13]。

3.2 缺损模式的牙本质应力分析以往的研究认为随着箍结构包绕度的减少，箍效应降低，仅保留舌侧箍结构，可获得一定的箍效应，对修复后牙体抗折强度影响不大，但是如果仅保留唇侧箍结构，抗折强度显著下降，且增加根折的概率，认为在临床上应尽量制备全包绕箍结构，至少应尽量保留舌侧牙体组织，而不应单独保留唇侧牙体组织^[23]。因此张新春等^[24]认为如果唇侧牙体不能获得足够的强度，不宜保留唇侧壁。

实验结果显示同一载荷下6种缺损模式，牙根应力分布区域及最大Mohr值无明显区别，提示牙壁缺损的位置对牙根的应力分布无明显影响，与以往的研究不同^[23-26]。以往的研究多是以上前牙为研究对象，前牙多为单根管，为避免牙根承受太大的拉应力出现折断，一般要求预备牙本质肩领。上前牙多受唇向侧向力，唇侧颈部牙体承受压应力，而舌侧颈部牙体抵抗拉应力，因此当舌侧牙体组织缺损时，牙根应力变化较大，易出现牙根折断。而磨牙解剖结构相对复杂^[27]，桩核髓腔段与髓底有3-5 mm²的接触面^[28]，有3个根管，且受力方式也与前牙不同。当磨牙承受轴向力时，应力沿牙本质肩领及桩核传递至髓室底及牙根，牙本质肩领及桩核多承受压应力，因此牙本质肩领的位置对牙根的拉应力分布影响不明显。当磨牙承受侧向力时，髓室底、髓室壁及牙本质肩领共同抵抗拉应力，因此当牙本质肩领位置变化时，牙根应力分布及极值变化不明显。

3.3 文章要点说明临床上多根据缺损的位置选择2个根管行桩核修复，因本次实验6种缺损模式差异较大，为避免桩的位置对实验结果的影响，选择3个根管均做桩。

本次实验4种载荷下牙本质最大Mohr值均小于牙本质拉伸极限强度，不会造成牙体折裂，但在水平载荷下牙本质最大Mohr值已非常接近牙本质拉伸极限强度，且本次实验为静态加载，在实际口腔环境中，牙齿会承受循环往复的咀嚼力，考虑到组织材料循环疲劳的情况，应力集中的部位也许已经断裂，因此临床上当存在较大的水平载荷时，应采取减轻牙合力的措施。

金合金桩核全瓷冠修复两壁缺损时，牙壁缺损的位置对修复效果无明显影响，无须因为牙本质肩领的不连续而磨除或降低牙本质肩领，但也应综合考虑临床等方面的问题，如牙本质肩领间断缺损时，印模制取及桩核制作较连续缺损困难，须根据情况修整牙本质肩领。

3.4 结论金合金桩核全瓷冠修复下颌第一磨牙两壁缺损时可获得较好的修复效果。当存在较大的水平载荷时，应采取减轻牙合力的措施。下颌第一磨牙两壁缺损金合金桩核全瓷冠修复时，牙壁缺损的位置对修复效果无明显影响，但也要综合考虑临床等方面的问题。

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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Three-dimensional finite element analysis of gold alloy post-core in the repair of structure defects of the mandibular first molar

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