微型种植体直径和长度优化设计在Ⅳ类骨质中应力分布的三维有限元分析

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2016.12.021

中国组织工程研究 ›› 2016, Vol. 20 ›› Issue (12): 1812-1817.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2016.12.021

• 材料力学及表面改性 material mechanics and surface modification • 上一篇下一篇

微型种植体直径和长度优化设计在Ⅳ类骨质中应力分布的三维有限元分析

周冠军¹，李晨曦¹，焦晓丽²，刘一冰³，单丽华¹

¹河北医科大学第二医院口腔正畸科，河北省石家庄市 050000；²武警后勤学院附属医院口腔科，天津市 300161；³河北医科大学第三医院口腔科，河北省石家庄市 050000

收稿日期:2016-01-09 出版日期:2016-03-18 发布日期:2016-03-18
通讯作者: 单丽华，主任医师，河北医科大学第二医院口腔正畸科，河北省石家庄市 050000
作者简介:周冠军，男，1981年生，河北省邯郸市人，汉族，硕士，主治医师，主要从事微型种植体，成人矫治研究。

Optimized design of mini-implant diameter and length in IV osteoid through three-dimensional finite element analysis

Zhou Guan-jun¹, Li Chen-xi¹, Jiao Xiao-li², Liu Yi-bing³, Shan Li-hua¹

¹Department of Orthodontics, Second Hospital of Hebei Medical University, Shijiazhuang 050000, Hebei Province, China; ²Department of Stomatology, Affiliated Hospital of Logistics University of People’s Armed Police Force, Tianjin 300161, China; ³Department of Stomatology, Third Hospital of Hebei Medical University, Shijiazhuang 050000, Hebei Province, China

Received:2016-01-09 Online:2016-03-18 Published:2016-03-18
Contact: Shan Li-hua, Chief physician, Department of Orthodontics, Second Hospital of Hebei Medical University, Shijiazhuang 050000, Hebei Province, China
About author:Zhou Guan-jun, Master, Attending physician, Department of Orthodontics, Second Hospital of Hebei Medical University, Shijiazhuang 050000, Hebei Province, China

摘要/Abstract

摘要：

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文题释义：

种植体支抗：支抗控制是口腔正畸治疗过程中的关键问题，在传统治疗方案中，常用的控制支抗手段有口外弓、颌间牵引、横腭杆、Nance弓、唇挡、舌弓及用组牙作支抗移动单个牙齿等，这些方法需要患者配合，而且附加的口内装置增加了患者不适，不利于口腔功能的正常行使与口腔卫生的维持。近年来，应用种植体作为移动牙齿的支抗单位，将矫治力的反作用力施于颌骨上，完全避免了不必要的牙齿移动，也不必依赖于患者的配合，实现了常规方法较难达到的矫治效果。

微型种植体的稳定性：是微型种植体必须具有良好的稳定性才能发挥较好的支抗作用，其置入稳定性分为初期和长期稳定性，初期稳定性即物理学稳定性，为微型种植体和周围骨的机械嵌合；长期稳定性即生物学稳定性，为微型种植体与骨形成骨整合。

背景：为微型种植体的直径和长度影响其稳定性，目前相关研究多在Ⅰ和Ⅱ类骨质中进行，在Ⅳ类骨质中进行的研究较少。

目的：通过三维有限元研究微型种植体直径和长度在Ⅳ类骨质中优化设计。

方法：建立种植体-颌骨实体模型，在种植体顶部施加2 N的正畸力，方向垂直于种植体长轴，与远中轴成30°夹角，将种植体设计为不同的直径(直径为1.2-2.0 mm)和长度(骨内段长度为6-10 mm)，评估颌骨的应力峰值和位移峰值，并分析对应力值对变量的敏感度。

结果与结论：种植体的应力和位移主要集中在颈部，种植体-骨界面的应力主要集中在种植体-皮质骨骨界面的接触区，松质骨内的应力比较小，皮质骨内的应力减弱较快。在种植体长度恒定不变时，种植体直径对骨组织的应力影响比较大，骨组织的应力随种植体直径的增加而降低；在种植体直径恒定不变的情况下，种植体长度对骨组织的应力影响不明显；骨组织的应力及位移对种植体直径变化比较敏感，对种植体长度变化不敏感。结果表明，种植体直径对骨组织的应力分布影响比较大，其长度对骨组织的应力分布影响不大，种植体直径大于1.5 mm比较适合应用于Ⅳ类骨质。

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

ORCID: 0000-0001-5021-7417(单丽华)

关键词: 生物材料, 口腔生物材料, 微型种植体, 支抗, Ⅳ类骨质, 有限元分析法, 应力分布, 直径, 长度

Abstract:

BACKGROUND: Diameter and length of mini-implant have effects on its stability, which has been reported mostly in I and II osteoid, but less in IV osteoid. OBJECTIVE: To optimize the design of mini-implant diameter and length in IV osteoid by a three-dimensional finite element analysis.
METHODS: Implant-mandible solid model was established. A 2 N orthodontic force that was perpendicular to the long axis of the implant and at a 30° angle with the distal central axis was applied onto the top of the implant. The implant was designed for different diameters (1.2-2.0 mm) and lengths (6-10 mm). Peak stress and peak displacement of the mandible were mechanically assessed, and stress sensitivity variables were analyzed.
RESULTS AND CONCLUSION: The stress and displacement of the implant were mainly concentrated in the neck of the implant. The stress of implant-bone interface mainly focused on the contact area of the implant-cortical bone interface, and the stress of the cancellous bone was relatively small, but the stress of the cortical bone was weakened faster. When the implant length was constant, the implant diameter had a great effect on stress changes, and the stress of bone tissue was reduced with the increase of implant diameter. When the implant diameter was constant, the implant length had no significant effect on the stress of bone tissue. To sum up, the stress of bone tissue and displacement were sensitive to the change of implant diameter rather than the change of implant length. These findings indicate that implant diameter has a greater effect on stress distribution of bone tissue than the implant length, and the implants with > 1.5 mm in diameter are suitable for IV osteoid.

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

周冠军，李晨曦，焦晓丽，刘一冰，单丽华. 微型种植体直径和长度优化设计在Ⅳ类骨质中应力分布的三维有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2016, 20(12): 1812-1817.

Zhou Guan-jun, Li Chen-xi, Jiao Xiao-li, Liu Yi-bing, Shan Li-hua. Optimized design of mini-implant diameter and length in IV osteoid through three-dimensional finite element analysis[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2016, 20(12): 1812-1817.

图/表（结果） 1

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引言

支抗在临床正畸治疗的成败中起着重要作用，稳定的支抗对正畸治疗方案的确定与正畸装置的设计及应用有重要影响。支抗的增强和控制是口腔正畸治疗过程中具有挑战性的问题。在传统的治疗方案中，常用的支抗控制手段有有口外弓、头帽颏兜、Nance弓横腭杆等，因传统的方法舒适度差，需要患者配合，使其在临床中的应用受到一定限制。对于单纯的正畸患者来说，骨性结合种植体用于正畸支抗受到置入部位、术式、费用等方面的限制。因此，近些年专门为正畸支抗设计的种植体系统得到了进一步发展。其中微型种植体支抗系统的出现，受到了国内外学者的注意，微型种植体支抗的应用较好地解决了临床支抗存在的问题，改变了原来以牙齿作为抗基的情况，使矫治力的反作用力施于颌骨上，可完全避免牙齿的移动，实现了常规方法较难达到的矫治效果。微型种植体体积小巧，置入及去除手术简单，成本低廉，创伤较小，简化了复杂的正畸治疗，提供了稳定可靠的支抗，能作为稳定的骨性正畸支抗，代替口外力的使用，起到磨牙强支抗的效能，在口腔正畸中的应用越来越广泛。

种植支抗的成功关键在于其稳定性，在于能使目标牙移动合适距离而种植体无松动、无位移或位移较小。影响种植体稳定性的因素很多，主要有种植体材料、宿主反应情况和手术创伤情况等。微型种植体的研究和应用时间还比较短，在临床应用中常会出现微型种植体置入后稳定性欠佳，承受较大正畸力时容易脱落和折断、旋入扭力低等现象，同时微型种植体的移动有可能伤及邻近的重要组织结构，如牙根、神经或血管，使其临床应用受到影响。目前微型种植体的应用难点是如何提高微型种植体的稳定性。微型种植体的稳定性在Ⅰ类和Ⅱ类骨质中的研究比较多，在Ⅳ类骨中的研究比较少。

有限元分析法是依托高速电子计算机而发展起来的一种理论力学方法，将连续的弹性体分割成有限个单元，以其结合体来代替原弹性体并逐个研究每个单元的性质，最终获得整个弹性体性质。随着计算机技术三维影像技术的发展，三维有限元法已经成为口腔生物力学研究领域中一种有效的分析工具。近几年，三维有限元的建模方法和应用范围得到了极大拓展，由二维线性发展到三维线性，由静态响应过度到动态响应。随着计算机技术及生物力学进步，三维有限元法作为一种有效手段，可以逼真地建立三维牙体组织模型及牙槽骨牙周膜模型，而模型的精确度决定着采用有限元分析方法计算牙种植体生物力学数据的可靠度，只有提高模型的相似性才能保证实验结果的准确性。同时，三维有限元法赋予模型生物力学材料特性，使三维有限元成为口腔正畸学的重要理论与临床技术基础。

本实验通过三维有限元法研究不同直径和长度的微型种植体的应力和位移情况，探讨适合Ⅳ类骨质的微型种植体直径和长度的优化设计，为微型种植体在Ⅳ类骨质中的选择和应用提供依据。

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

材料方法

1.1 设计分析观察实验。

1.2 时间及地点实验于2014年2至12月在河北医科大学第二医院实验室完成。

1.3 实验方法

建立种植体模型：参照德国Medicon公司生产的螺纹型微型种植体(纯钛，Aarhus Screw Syst 1.6型)建立种植体模型，设定种植体模型螺距为0.5 mm，螺纹高度为 0.15 mm，长度为8 mm，顶角90°。变化参数设定种植体直径为1.2-2.0 mm，骨内段长度为6.0-10.0 mm。在work bench中绘制截面，建立种植体螺纹，取种植体长度8 mm、顶部直径1.6 mm、根部直径1.5 mm，建立种植体模型，见图1。

建立颌骨模型：根据上颌第二双尖牙和第一磨牙间的梯形骨断面形状，将颌骨模型设定为梯形。在work bench中模拟Ⅳ类骨质建立颌骨模型，模型内部为松质骨，表面为皮质骨。梯形颌骨模型的截面尺寸，上表面宽10.89 mm、高19.5 mm、下表面宽18.2 mm，皮质骨厚度设置为0.7 mm。用Ectrude命令得到颌骨模型。种植体垂直置入在距牙槽嵴顶端4 mm处，将皮质骨及松质骨模型导入微型种植体，通过旋转移动将模型调到合适位置，得到整个模型。将种植体的远中设为X轴，牙合方设为Y轴，种植体长轴设为Z轴，在种植体顶施加2 N的力，方向与X-Y平面平行，与X轴成30°夹角，见图2。

材料属性：松质骨、皮质骨和种植体均为线弹性材料，弹性模量分别为1 370，14 000，110 000 MPa，泊松比分别为0.3，0.3，0.35，种植体与骨界面没有移位，完全整合。

网络划分：将种植体-颌骨模型分为以下几部分，种植体尺寸0.2 mm，远离种植体的分尺寸为1 mm，靠近种植体的尺寸为0.5 mm，对其进行网络划分。

1.4 主要观察指标将松质骨和皮质骨固定，在种植体顶端施加正畸力2 N。设计对象为种植体长度和直径，对松质骨与皮质骨的应力和位移峰值进行评估和分析。

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讨论

支抗的控制是正畸成功的关键，可从加强和节省支抗两个方面进行支抗控制。在支抗加强方面：①在矢状方向上加强支抗：支抗的磨牙向前移位和前牙的过度唇倾是支抗矢状方向丧失的表现，为后续治疗造成困难，加强矢状方向支抗的类型有Nance弓^[1]、种植体支抗^[2]、口外弓^[3]、横腭杆^[4-5]、第一、二磨牙双带环^[6-7]、双腭弓等^[8]。②在垂直方向上加强支抗：磨牙的伸长及前牙覆牙合加深等为垂直方向上支抗丧失的表现，垂直方向上的支抗丧失常合并有水平方向上的支抗丧失，加强垂直方向的支抗，可改善面下1/3垂直方向的发育，也可影响唇齿的关系。常用的支抗加强方法有“J”钩，“J” 钩与其他方法联合也可以加强后牙支抗^[9]，口外弓可加强矢状方向上的支抗外，在垂直方向上对磨牙也有控制作用^[10]。③水平方向上加强支抗：为了防止上下牙弓的宽度改变、颊舌向移位及纠正中线位置不正或宽度不协调，常需进行水平方向上的支抗控制，常用的方法有内收或外展弯、横腭杆、种植体支抗等。垂直向支抗丧失常表现为磨牙伸长、前牙覆牙合加深或开牙合，且常合并有水平向的支抗丧失(如磨牙伸长伴前倾)。在节省支抗方面^[11-13]：①节省支抗治疗的理念：避免支抗损失的第一步是托槽准确黏结到牙冠中央，只有托槽黏结准确才能避免牙齿移动，减少后期调整的需求，有效的对牙齿进行三维控制，减少支抗损失的方法有：向后结扎尖牙：向后结扎尖牙可以减少治疗后期对磨牙支抗的消耗，保护后牙支抗；选择性入槽：对牙齿发生严重错位时可以进行选择性入槽；必要时拔出第三磨牙等。②节省支抗的细节：在正畸操作中注意一些细节也可以节省支抗，如增强支抗牙摩擦力、单独牵引尖牙移动等。③降低治疗中的摩擦力：弓丝和托槽槽沟之间有摩擦力，在治疗过程中减少两者之间的摩擦力可以使牙齿顺利移动。减少摩擦力的关键是牙弓排列整齐、托槽准确黏结，当牙齿倾斜或托槽黏结不准确是都会增加摩擦力^[14]，关闭牙列间隙也是减少摩擦力的一种方法^[15]。④矫治系统的选择：选择合适的矫治器也可以节省支抗，如SPEED矫治器能够比较好地控制上下牙弓前突的支抗^[16]；自锁托槽具有摩擦力小和对牙的三维控制特点，使其在临床也有较好的应用^[17-18]；种植体支抗能够在水平、垂直和矢状3个方向上增加支抗，并可以和其他支抗联合应用，属于一种新的三维支抗，为口腔正畸提供了新的支抗方法^[19-21]。因此在口腔的正畸治疗过程中，选择合适的支抗，避免支抗消耗，加强支抗控制是治疗成功的关键。

因传统的支抗需要患者配合，患者的配合程度影响治疗效果，微型种植体的出现解决了这一困难。最早的微型种植体骨性支抗系统由骨皮质固位螺钉和镍钛支抗板构成，因手术比较复杂，使其不能在临床工作中得到很好应用，后来出现了微型种植钉支抗，该支抗手术比较简单，费用较低，手术创伤比较小，患者痛苦较小，比较适合临床应用^[22-23]。在临床应用中：①控制矢状面：内收前牙并关闭牙间隙，以保护后牙支抗。远中移动牙列实现不用拔掉牙齿的矫治^[24-26]，效果较好，远中移动牙列是目前治疗轻重度Ⅱ类和Ⅲ类畸形的有效方法。近中移动磨牙可以前移第二磨牙，关闭第一磨牙缺失留下的间隙^[27]。②控制垂直面：口腔正畸治疗的难点即为垂直面上控制，随着微型种植体的成功应用，其在垂直面的控制优势被广泛关注，可通过压低磨牙的方法改善面型^[28]。为了避免临床上牙齿缺失而没有进行修复导致对颌牙伸长的现象，可通过微型种植体压低伸长磨牙，取得了良好效果^[29-30]。临床上正畸治疗的难题之一是开唇露齿的治疗，以往的方法因有不良反应，在临床应用中有一定的局限性，近年来通过微型种植体压低上前牙使开唇露齿得到有效改善^[31-33]。③解决后牙锁牙合：微型种植体可纠正单颌牙基本正常而对颌牙倾斜的正牙合^[34]，常在患牙腭中缝放入微型种植体，压低患牙，控制面型垂直高度^[35]。④解决中线不齐的问题：在第一和第二磨牙牙间颧牙槽嵴区内置入微型种植体来解决牙列中线不齐的问题。

微型种植体的稳定性是微型种植体置入成功的关键。现在多数微型种植体趋向“即刻负载”，也就是在没有骨结合时就开始负载，但并不表示不需要骨结合。即刻负载能够显著改善周围牙槽骨的密度和改建，但不改变其骨结合^[36-37]。

微型种植体必须具有良好的稳定性才能发挥较好的支抗作用，其置入稳定性分为初期和长期稳定性，初期稳定性即物理学稳定性，为微型种植体和周围骨的机械嵌合；长期稳定性即生物学稳定性，为微型种植体与骨形成骨整合。微型种植体的稳定性与多种因素有关：①微型种植体的直径和长度：大多数研究发现，微型种植体的稳定性和其直径有相关性，姜琳^[38]认为直径在1.5 mm以上微型种植体的稳定性较好，且直径对其稳定性的影响大于长度的影响，戴敬哲^[39]发现光滑柱状微型种植体颈部可以降低骨界面的应力以及位移峰值。②骨密度：微型种植体的置入成功率与骨密度也有关系，骨密度是影响微型种植体稳定性的主要因素，皮质骨厚度对微型种植体的稳定性起到一定作用，皮质骨厚度在1.0 mm以上的置入成功率高于厚度在 1.0 mm以下的置入成功率，松质骨的应力随皮质骨厚度的增加而下降^[40]，微型种植体的置入扭力与置入区骨密度呈正相关，微型种植体的置入力应适中，过高过低都影响其置入成功率。③置入角度：微型种植体的稳定性也受置入角度的影响。微型种植体的最佳置入角度为与骨面呈60°-70°角，也有人认为垂直骨面置入的稳定性较斜面置入好，目前对于微型种植体的置入角度仍有争议。④患者因素：微型种植体的稳定性还与患者的性别、年龄等因素有关，对于年轻女性、口腔卫生状况欠佳、骨质疏松患者种植体脱落及发生并发症的概率较大，成年患者微型种植体置入的稳定性高于儿童。

Ⅳ类骨质为较薄皮质骨包绕低密度松质骨构成，因种植体的初期稳定性与松质骨强度和皮质骨厚度有关，薄的皮质骨有引起种植体丧失的可能，因此在Ⅳ类骨中置入微型种植体的成功率较Ⅰ-Ⅲ类骨质低。

微型种植体的直径和长度影响其稳定性，直径和长度对微型种植体稳定性的影响在Ⅰ和Ⅱ类骨质中的研究较多，在Ⅳ类骨质中的研究较少。本实验建立Ⅳ类骨质模型，发现种植体和骨界面交界的皮质骨为骨组织的应力集中部位，松质骨的应力较皮质骨小，由此可见松质骨对微型种植体初期稳定性的影响较小，微型种植体的初期稳定性主要受皮质骨厚度的影响；种植体颈部是其应力的主要集中部位，这也是种植体容易在颈部折断的原因，种植体的位移主要在种植体的顶部；皮质骨和松质骨的应力和位移峰值随种植体的直径增大而明显降低，表明种植体直径对骨组织应力的影响比较明显，直径在1.5 mm以上对更适合Ⅳ类；而皮质骨和松质骨的应力和位移峰值与种植体长度无太大相关性；敏感度分析结果也表明，皮质骨及松质骨的应力和位移对种植体直径变化较敏感，对其长度变化不敏感。

综上所述，微型种植体直径对Ⅳ类骨质颌骨模型的应力分布影响比较明显，直径在1.5 mm以上更适合Ⅳ类骨质颌骨，而其长度对应力分布的影响不明显。

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