种植体结构改变对种植体-骨界面皮质骨区应力影响的三维有限元分析

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2015.47.009

摘要/Abstract

摘要：

背景：种植体-骨界面的生物力学效应是骨吸收重要的影响因素之一。模仿天然牙周膜的新结构种植体或可改善其界面应力的分布情况。
目的：探讨不同的咬合负载条件下，改变传统种植体内部结构对种植体-骨界面皮质骨区应力分布、峰值的影响，为新结构种植体的优化设计及临床应用提供理论依据。
方法：用Pro/ENGINEER软件建立新结构的种植体(模型A)与无螺纹的传统柱状种植体(模型B)的数字模型，采用Ansys软件分析在相同骨质及相同受力环境下种植体-骨界面皮质骨区应力峰值、应力带分布的变化规律。
结果与结论：垂直加载时，模型A在不同受力大小时应力峰值均较模型B降低17.54%；45°加载时，模型A应力峰值较模型B降低(2.59%)，模型B的高应力区向颊侧集中趋势明显。咀嚼模拟加载时，模型A的应力峰值均较模型B低，其差值在施力方向与种植体轴向夹角(β)等于12°时最大(0.353 2 MPa)，在β > 12°后逐渐减小；并且模型A在促进骨组织生长最适应力峰值、维持骨组织健康应力峰值两个量化指标中，均比模型B适用角度范围大(A：0°-28°，0°-58°；B：0°-24°，0°-56°)。提示优化设计种植体结构的改变可改善种植体-骨界面皮质骨区的应力分布，降低应力峰值，可在更大范围内降低骨皮质吸收的风险。
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

关键词: 生物材料, 口腔生物材料, 种植体, 三维有限元, 应力分析, 种植体-骨界面, 骨皮质, 咬合负载, 化设计

Abstract:

BACKGROUND: The biomechanical effect of the implant-bone interface is one of the most important factors for bone resorption. The new structure of the periodontal-ligament-like implants may improve the distribution of the interfacial stress.

OBJECTIVE: To discuss the effect of the internal structure changes of traditional implants on the cortical bone stress distribution and peak at the implant-bone interface under different occlusal load conditions, so as to provide a theoretical basis for the optimization design and clinical application of new structure implants.

METHODS: Two kinds of digital models, new structure implant (model A) and non-threaded cylindrical implant (model B), were established by Pro/ENGINEER software. Variations of the stress peak and stress distribution of implant-bone interface cortical bone area under the same bone and force environment were analyzed using Ansys software.

RESULTS AND CONCLUSION: Under a vertical loading, the stress peak under different forces was reduced by 17.54% in model A compared with model B; under a 45° loading, the stress peak of model A was reduced by 2.59% compared with model B, and it showed an evident tendency of high stress area focusing to the buccal side of model B. Under the chew-simulation loading, the stress peak of model A was lower than that of model B. The biggest difference (0.353 2 MPa) appeared at β=12°(β is the angle of force direction and the implant axis), and it gradually reduced at β > 12°. At the same time, model A had a wider range of application degree compared with model B in two quantitative indicators, including optimal peak stress of promoting bone tissue growth and stress peak of maintaining healthy bone tissue. These results suggest that the optimized structure of implants contributes to improve the cortical bone stress distribution at the implant-bone interface, decrease the peak stress, and reduce the risk of cortical bone absorption in a wider range.
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

Key words: Dental Implants, Finite Element Analysis, Biomechanics, Stress, Mechanical, Tissue Engineering

童乘皓，吕晓飞，彭诚. 种植体结构改变对种植体-骨界面皮质骨区应力影响的三维有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2015, 19(47): 7597-7602.

Tong Cheng-hao, Lv Xiao-fei, Peng Cheng. Effect of implant structural changes on the cortical bone stress distribution and peak of the implant-bone interface: a three-dimensional finite element analysis[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2015, 19(47): 7597-7602.

图/表（结果） 4

参考文献

[1] Kitamura E,Stegaroiu R,Nomura S,et al．BiomechanicaI aspects of marginal bone resorption around osseointegrated implants:considerations based on a three.dimensional finite element analysis.Clin Oral Implants Res. 2004;15(4):401-412.

[2] Tada S,Stegaruiu R,Kitamura E,et al.Influenee of implant design and bone quality on stress/strain distribution in bone around implants:a 3-dimensional finite element analysis.Int J Oral Maxillofac Implants. 2003;18(3):357-368.

[3] Abuhussein H, Pagni G, Rebaudi A, et al. The effect of thread pattern upon implant osseointegration. Clin Oral Implants Res. 2010;21(2):129-136.

[4] 陈祖贤,王超,王立军. 上颌后牙区倾斜种植的三维有限元分析[J].中国组织工程研究,2013,17(33): 5957-5962.

[5] 高健,赵守亮,周成杰. 种植体直径-长度比的三维有限元应力分析[J]. 口腔颌面外科杂志,2014,24(5):364-369.

[6] Chen LJ, He H, Li YM, et al. Finite element analysis of stress at implant−bone interface of dental implants with different structures. Trans Nonferrous Met Soc. 2011;21:1602-1610.

[7] 赵静辉,周延民,李春艳. 种植体螺纹位置对应力分布影响的有限元研究[J]. 华西口腔医学杂志,2008,26(6):584-587.

[8] Kitamura E,Stegaroiu R,Nomura S,et al. Influence of marginal bone resorption on stress around an implant-a three-dimensional finite element analysis. J Oral Rehabil. 2005;32(4):279-286.

[9] Holmes DC,Diaz-Arnold AM,Leary JM. Influence of post dimension on stress distribution in dentin. J Prosthet Dent. 1996;75(2):140-147.

[10] Rho JY,Ashman RB,Turner CH. Young’s modulus of trabecular and cortical bone material: ultrasonic and microtensile measurements. J Biomech. 1993;26(2):111-119.

[11] 张强,李英. Ⅱ类骨质中平台转换种植体植入深度对周围骨应力影响的有限元分析[J]. 国际口腔医学杂志,2014,41(1): 31-35.

[12] 李英,焦艳军,张强,等. Ⅳ类骨质中平台转换种植体植入深度对周围骨应力的影响[J]. 现代口腔医学杂志,2014,28(4):218-221.

[13] 张嘉宇.Ⅰ、Ⅲ类下颌骨不同颊舌向骨量种植体有限元分析[D].新疆医科大学,2013.

[14] 夏琳,张志宏,刘红红,等.倾斜种植应用于不同质量颌骨的三维有限元分析[J].安徽医科大学学报,2015,50(5):695-698.

[15] 刘川.圆柱形、颈部锥度、末端锥度及膨胀式种植体生物力学比较的三维有限元分析[D].第四军医大学,2012.

[16] Bahrami B, Shahrbaf S, Mirzakouchaki B, et al. Effect of surface treatment on stress distribution in immediately loaded dental implants-A 3D finite element analysis. Dent Mater. 2014; 30(4): e89-e97.

[17] Ferreira MB, Barão VA, Faverani LP, et al. The role of superstructure material on the stress distribution in mandibular full-arch implant-supported fixed dentures. A CT-based 3D-FEA. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl. 2014;35: 92-99.

[18] 戴东晓,李伟,于静,等.种植体修复上部义齿不同面形态设计的三维有限元分析[J].河北医药,2012,34(9):1365-1366.

[19] 符策广,李智勇,王敏,等.骨吸收对平台转换种植体周围骨组织内部应力的影响[J].口腔医学研究,2012,28(9):872-874,879.

[20] 李恺,辛海涛,赵艳芳,等.种植体数目与分布对下颌种植覆盖义齿骨组织应力变化的影响[J].临床口腔医学杂志,2013,29(11): 643-645.

[21] 江鹭鹭.牙种植体生物力学研究进展[J].中国实用口腔科杂志, 2012,5(4):240-244.

[22] 樊文有,卢军,曹斌,等. 含牙种植体下颌骨三维有限元模型的建立[J].口腔颌面外科杂志, 2005,15(1):39-32.

[23] 赖红昌,熊焕国.不同长度种植体对骨界面应力影响的三维有限元分析[J].上海口腔医学,1997,6(1):20-22.

[24] 康宁,宫苹,李娟娟,等. 8 mm 种植体骨内应力分布的三维有限元研究[J].中华口腔医学研究杂志:电子版,2012,6(1):1-8.

[25] 谢蕾,袁小平,黄跃,等.种植体不同植入角度及不同骨皮质厚度对其稳定性影响的三维有限元分析[J].泸州医学院学报, 2012, 35(2):140-144.

[26] Aho AJ, Ekfors T, Dean PB, et al. Incorporation and clinicalresults of large allografts of the extremities and pelvis. Clin Orthop. 1994;(307):200.

[27] Smith EL,Gilligan C. Dose-response relationship between physical loading and mechanical competence of bone. Bone. 1996;18:455.

[28] Atwood DA. Bone loss of edentulous alveolar bone ridges. J Periodontol. 1979;50:11.

[29] Rieger MR, Adams WK, Kinzel GL. A finite element survey of eleven endosseous implants. J Prosthet Dent 1990;63(4): 457-465.

[30] 戴敬哲,单丽华,李晨曦,等.光滑柱状颈部构型的微型种植体-骨界面应力分布的三维有限元分析[J].口腔医学研究,2012,28(8):利时772-774.

[31] 牛金磊,陈建宇,陈贤帅,等. 种植体颈部微螺纹结构对种植稳定性影响的三维有限元分析[J]. 口腔颌面修复学杂志,2013,15(6): 344-348.

[32] 李翠,郭新程,韦艺,等.应用三维有限元法对不同骨质牙种植修复体生物力学的研究[J].口腔颌面外科杂志,2011,21(1):15-18.

[33] 张春秋,吴丹凯,郭玉香,等.骨的疲劳损伤和修复[J].生物医学工程学杂志,2003,20(1):180-186.

[34] 韩丽会,邱晓霞,邢旭娜,等.上颌前牙区种植方案中角度设计的三维有限元分析[J].上海口腔医学,2015,24(2):157-163.

[35] 戴敬哲,单丽华,李晨曦,等. 光滑柱状颈部构型的微型种植体——骨界面应力分布的三维有限元分析[J].口腔医学研究,2012, 8(28):779.

[36] 孙健,熊耀阳,李元超,等.功能梯度牙种植体三维有限元力学分析与结构优化[J].中国组织工程研究与临床康复,2011,15(48): 8960-8963.

[37] Sadollah A, Bahreininejad A.Optimum gradient material for a functionally graded dental implant using metaheuristic algorithms.J Mech Behav Biomed Mater. 2011;4(7): 1384-1395.

[38] 于长洋,李俊源, 彭伟,等.种植义齿缓冲单元材料特性对缓冲效果的影响[J].中国口腔种植学杂志,2014,19(1):18-21.

[39] 陈少武,肖微, 李智勇,等. 种植体上部不同结构对下颌游离端义齿应力分布的影响[J].实用口腔医学杂志, 2012, 28(3):294-297.

[40] 张丽,韩凉,鲁海鑫, 等.舌向集中牙合全口义齿在牙槽嵴重度吸收患者的临床修复效果观察[J].中华老年口腔医学杂志,2012, 10(3): 171-174.

引言

材料方法

1.1 设计三维有限元分析实验。

1.2 时间及地点于2015年1至3月在天津医科大学第二医院口腔科实验室完成。

1.3 材料计算机：Intel Core I 7 CPU，内存16G，WIN 8 操作系统；CAD/CAE 建模软件：Pro/ENGINEER 5.0；有限元分析软件：ANSYS 14.5；数据整理、图表制作软件：Excel 2010。

1.4 方法

1.4.1 有限元模型的建立实验组新结构种植体(模型A)尺寸设计为骨内段长13 mm、直径5.5 mm的光滑柱状种植体，其中外壳厚度为1 mm，缓冲层厚度为0.5 mm，内核直径为2.5 mm。

对照组为光滑无螺纹的传统柱状种植体(模型B)，骨内段长13 mm，直径5.5 mm。结合正常人体下颌骨的尺寸，设计一个8 mm(颊舌向)×16 mm(近远中)×20 mm(高度)的长方体颌骨块，内部为松质骨块，上下表面为3 mm的皮质骨^[7]。

下颌骨块的建模及与种植体的装配由Pro/E软件完成。Ansys软件自动划分网格、单元、节点，模型A、B单元数分别为977 615，1 001 838；节点数分别为1 461 287，1 466 914。

1.4.2 材料力学参数模型A外壳和内核为纯钛材料，缓冲层为物理性质已知的模拟材料。模型B为均一的纯钛材料。松质骨选择较适种植的B类松质骨。具体材料力学参数见表1。

1.4.3 实验条件假设种植体各部件及皮质骨、松质骨均假设为连续、均质和各向同性的线弹性材料；假设种植体与颌骨界面完全骨结合，载荷作用下两者无相对运动。模拟下颌骨骨块各外表面假设为刚性约束。约束位置为远离分析区的下层皮质骨区，对结果分析影响较小。

1.4.4 载荷加载对A、B两模型同次均施以相同载荷，施力于种植体顶面，均布载荷。按以下3种加载模式进行三维有限元模拟分析：①垂直加载：载荷大小200 N(正常咬合力)、250 N(较大咬合力)沿种植体轴线垂直向下^[8]。②45°加载：载荷大小100 N^[8]，方向为与种植体长轴呈45°夹角。③咀嚼模拟加载：载荷大小100 N，方向自β=0°开始，至β=88°，每2°施力1次，以简化模拟咀嚼中复杂的受力方向，共计44次。

应用EXCEL 2010中的SIN(RADIANS)和COS (RADIANS)函数计算各角度施力的Y、Z方向分力并输入ANSYS 14.5软件进行分析。

1.4.5 图像、数据处理提取各种载荷工况下的种植体-骨界面皮质骨区牙槽骨Von Mises应力分布云图，观察模型A和模型B应力分布的变化特点。

提取各种载荷工况下的种植体-骨界面皮质骨区牙槽骨界面应力峰值(Max EQV)，对模型A与模型B数据比较分析。

1.5 主要观察指标主要观察指标为Von Mises应力。

讨论

在使用种植体进行义齿修复的时候，遵循一定的生物力学原则对种植义齿的长期成功有重要的意义，种植体周围骨组织的吸收也是影响种植义齿长期成功的重要因素。口腔内咀嚼压力通过种植体传到周围骨组织而引起骨重建，所以种植体-骨界面的生物力学和组织学结构研究，即如何使种植体周围骨组织的受力分布最合理，是国内外口腔种植学者研究的重点领域。

目前，很多学者通过三维有限元分析技术对种植体周围骨组织的应力分布进行了模拟和分析，无论何种颌骨骨质^[11-14]、何种种植体形状^[15]、何种的表面处理方式^[16]、何种上部连接结构^[17-18]，在受到不同载荷载荷后，对于骨组织来讲，应力集中区域均分布在皮质骨区中；对于种植体来讲，应力集中分布在颈部。同时，临床工作中发现种植体周围骨的吸收也往往从颈部开始。研究证明种植体-骨界面上的应力是导致骨吸收的重要原因之一^[19-21]。相较种植体，天然牙的牙周膜可以通过其生物力学功能实现咀嚼力的分散。

新结构的种植体正是尝试使骨界面上的应力分布发生有利的改变，从而产生“类牙周膜效应”，以改良传统种植体，延长种植体的使用寿命。

3.1 建模方法在以往的三维有限元分析实验中，常以CT扫描得到的图像进行二次处理，即将CT获得的三维图像分散成二维的照片，再通过软件处理后，组合为三维数字图像^[22]。

但在本实验中，新结构种植体暂未有实体样本，因此决定采用pro/e软件直接进行新结构种植体和传统实心种植体以及牙槽骨的三维建模，以期简化实验模型，并获得最佳的对照实验效果，增加实验结果的可靠性和数据的准确性。对牙槽骨块模型的设计建立，Tada等^[2]认为由CT数据扫描而来的牙槽骨数据不具有广泛共性，因此选择了较适合种植义齿外科手术的Ⅱ类骨模型直接进行3D建模^[7^，^14]。

3.2 模型尺寸选择

3.2.1 模型长度赖红昌等^[23]的研究认为种植体长度对于种植体-骨界面的应力峰值影响较小，种植体长度增加两倍，种植体-骨界面上的应力峰值仅仅增加10%左右。因此，无需强调实验中的种植体模型的长度选择。

3.2.2 模型直径康宁等^[24]的研究发现种植体直径为3.3-5 mm时，最大应力值大小变化较为明显；种植体直径5.5-7.1 mm时，变化趋于平缓。本实验中选择直径为 5.5 mm的种植体模型为应力变化开始趋于平缓的转折点，其应力峰值较低，较适宜作为实验模型的直径选择。

3.3 应力对骨组织的影响本实验所检测的Von-Mises等效应力其实并不是实际应力，而是通过公式计算出的综合应力。通常用于非均质且力学性能较为复杂的物体。正常的骨组织生物力学性能非常复杂，适合使用Von-Mises等效应力对其进行分析^[25]。Aho等^[26]的研究证明，应力对骨组织保存和重建具有非常重要的作用。

Smith等^[27]的研究表明骨基质和骨强度均与应力加载的量有直接关系。Atwood等^[28]的研究表明过高的应力可以使骨组织内的血流供应量降低或造成骨内血液的局部淤积，应力或可直接激活牙槽骨内破骨细胞的相关感受器，从而造成骨局部坏死和吸收。因此牙槽骨维持正常的骨改建不可以没有应力刺激，但是更不能有过大的应力存在。Rieger等^[29]的研究量化定义了骨界面应力的范围，即促进骨组织生长的最适应力峰值为400 psi，约为2.75 MPa；维持骨组织健康的应力峰值450 psi，约为4.83 MPa。

本实验中在垂直施力工况情况下，模型B周围牙槽骨的应力集中于皮质骨区上表面，这与以往相关研究文献的结果相类似^[30-31]，模型A的结构改变同时也改变了其周围牙槽骨应力的分布情况：应力最集中的区域由皮质骨上表面下移至皮质骨下表面与松质骨接触的区域，有利于应力在牙槽骨皮质骨区域更合理的分散，或可延缓皮质骨表面的骨吸收；并且，在较大垂直咀嚼力的施力工况中(F=250 N)，模型A新结构种植体的骨界面应力峰值(2.494 8 MPa)位于促进骨组织生长的应力范围内，较模型B传统柱状种植体的应力峰值低约17.54%，且模型B(3.025 5 MPa)已超出此最适应力范围。在45°，100 N施力工况情况下，模型A (4.090 3 MPa)较模型B(4.198 9 MPa)应力峰值降低2.59%。在模拟咀嚼的各种工况中，模型A的应力峰值均较模型B低，其差值在β=12°时最大(0.353 2 MPa)，在β >12°后逐渐降低；并且，在促进骨组织生长的最适应力峰值、维持骨组织健康的应力峰值两个量化指标中，模型A均比模型B的适用角度范围更广(A：0°-28°，0°-58°；B：0°-24°，0°-56°)。基于对长骨的研究表明，将皮质骨认定为均质弹性材料，皮质骨的拉伸强度极限为70 MPa^[32]，压缩强度极限为140 MPa^[33]，意义为只要对皮质骨的拉伸或者压缩的最大应力不超过此数值，皮质骨就不会发生屈服，即发生不可逆的塑形形变。

本实验中皮质骨上最大等效应力值均未超过其强度极限，表明其具有临床应用的可能。但是，有研究已证实骨的应力集中区即使加载之后产生的应力明显低于皮质骨的强度极限，处于习惯性生理运动范围内的中等应力，亦可以造成不可逆的疲劳性骨损伤^[34]。

分别对比两模型在垂直和斜向45°受力的情况中，不难发现种植体斜向受力时，虽然受力值更小，但是种植体-皮质骨界面的应力值反而比垂直受力时更大，而且施力倾斜角度越趋于水平，应力值越大。这说明斜向受力对于种植体周围牙槽骨由应力带来的骨吸收风险更高，提示临床应用中应注意种植体植入角度的选择，同时在修复时结合上部结构的合理选择应用^[35]，降低骨吸收风险。

近年，还有学者提出不同材料相结合的功能梯度种植体^[36-37]，或可进一步改善种植体-骨界面应力的分布情况。与此同时，新结构种植体在所有工况的模拟中均较传统实心种植体的最大应力值低，说明夹心层的缓冲材料设计可在一定程度上促进应力吸收，改善应力分布，这与一些学者在种植体与基台之间的缓冲设计及缓冲型套筒冠的上部结构设计均有相似之处^[38-39]，都可降低种植体-骨界面上的最大应力值。

比较在模拟咀嚼的多角度模拟实验中两种植体最大等效应力值差值的变化情况，发现在垂直施力及施力方向与种植体轴向夹角等于12°时的差值最大说明在这个受力角度时，新结构种植体的应力缓冲效果最为明显。同时，结合差值变化曲线，二者的最大等效应力差值在β > 12°后逐渐降低，说明在接近垂直受力的载荷工况下，新结构种植体缓冲效果更好，新结构种植体在比较偏向垂直受力的非解剖型前磨牙及磨牙区人工义齿修复中的表现会更加出色^[40]。

由此可见，基于本实验设定的相同加载条件、相同骨质状况下，新结构种植体可改善种植体-骨界面皮质骨区应力分布，降低皮质骨区应力峰值。在垂直咬合力模拟中，新结构种植体改变了应力的分布情况，将应力最集中的区域下移至皮质骨下表面与松质骨接触区，可减缓由应力引起的皮质骨表面骨吸收。

在垂直施力及施力方向与种植体轴向夹角小于20°时，新结构种植体的应力峰值降低效果较为明显(> 10%)，可在更大范围内降低骨皮质吸收的风险，有望改善种植义齿的远期修复效果，具有一定的临床应用价值。
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