不同种植体平台位置磨牙联冠修复的三维有限元分析

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.0894

摘要/Abstract

摘要：

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文题释义：

种植体平台：是种植体颈部最冠方平面，用于连接基台和(或)修复体。

三维有限元分析：是一种与计算机技术相结合的数值分析方法，通过将要分析的构件划分为一组有限个且按一定方式互相联结在一起的单元组合体，通过对各个单元进行分析，把单元分析结果组合就能得到对整个构件诸多方面的分析，是种植体生物力学的常用研究手段。

三维有限元法的优势：可以准确表达复杂的几何形状；可以在同一模型模型上对不同性质的材料进行力学分析；模型的转换较为简便；对应力的内部状态及其他内部力学性能定量测定的代表性好等，正被越来越多的学者应用到口腔种植生物力学的研究当中。

背景：相邻牙位牙槽嵴高度的不同导致植入各种植体的种植体平台位置存在高度差，国内外对种植体支持联冠修复的研究普遍将种植体植入同一水平高度，未模拟不同程度骨缺损时两种植体颈部冠根向位置的差异。

目的：研究具有不同种植体平台位置的两个种植体采用联冠修复时种植体-骨界面的应力分布，并对比单冠修复，分析何种修复方式更具有生物力学优势。

方法：建立4种颌骨模型，每种模型含有2个相同种植体，4种模型种植体平台位置高度差分别为0，1，2，3 mm(分别记为1，2，3，4组)，每种模型中的2个种植体再分别采用单冠修复和联冠修复(分别记为A组、B组)，共得到8组模型。应用三维有限元法分析各模型种植体-骨界面的应力分布。

结果与结论：①在轴向载荷下A组或是B组，各模型的最大等效应力值均集中于种植体颈部皮质骨区域，应力分布情况无明显差异，随着种植体平台位置高度差的增大，最大等效应力值并未呈现出增大趋势；对比A组与B组的最大等效应力值，A1组 < B1组，A2组< B2组，A3组> B3组，A4组< B4组；②在侧向载荷下，A组和B组各模型的最大等效应力值均集中于种植体颈部皮质骨区域，应力分布情况无明显差异，随着种植体平台位置高度差的增大，最大等效应力值并未呈现出增大趋势；最大等效应力值对比，A1组> B1组，A2组> B2组，A3组> B3组，A4组> B4组；③结果表明在轴向载荷作用下，除种植体平台位置高度差相差2 mm时联冠修复更佳外，种植体支持单冠修复的应力分布更优；在侧向载荷作用下，种植体支持联冠修复的应力分布较单冠修复更有优势。，无论是

ORCID: 0000-0001-7897-7397(林奕)

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: 种植体平台, 联冠修复, 有限元分析, 生物力学, 生物材料, 口腔材料

Abstract:

BACKGROUND: Different adjacent alveolar crest heights result in different positions of implant platforms, but implant supported splinted crowns are generally implanted at the same level. To date, studies on different positions of two implants due to the severity of bone defects have not been well documented.

OBJECTIVE: To investigate the stress distribution at the implant-bone interface of two implants with different implant platform positions and to analyze which method of dental restoration has more biomechanical advantages compared with single crown restoration.

METHODS: We prepared four kinds of mandibular models with two same kinds of implants that had different positions of implant platforms. The height difference between implant platforms was 0, 1, 2, 3 mm. Finally eight models were obtained by combinatorial arrangement of splinted crown restoration or single crown restoration. The stress distribution at the implant-bone interface was analyzed by a three-dimensional finite element method.

RESULTS AND CONCLUSION: From the nephogram of Von Mises stress distribution, there was no significant difference in the stress distribution of the crown restoration with different implant platform positions. The maximum equivalent stress of each model was concentrated in the cortical bone region of the neck of the implant. With the increase of the height difference of the implant platforms, the maximum equivalent stress did not increase significantly. Under an axial load, the maximum equivalent stress was ranked as follows: A1 < B1, A2 < B2, A3 > B3, A4 < B4, while under a lateral load, the maximum equivalent stress was ranked as follows: A1 > B1, A2 > B2, A3 > B3, A4 > B4. By comparing the eight models, we found that under the axial load, the stress distribution of implant supported single crown restoration was better than that of implant supported splinted crown restoration, and the optimal height difference was 2 mm. However, under the lateral load, the stress distribution of implant supported splinted crown restoration was better than that of single crown restoration.

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, Dental Stress Analysis, Finite Element Analysis, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

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图/表（结果） 3

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引言

材料方法

1.1 设计三维有限元分析。

1.2 时间及地点 实验于2016年10月至2017年5月在哈尔滨工业大学计算机学院完成。

1.3 材料计算机：CPU AMD A8-7100，内存4 GB，Windows 7操作系统；CAD软件：SolidWorks 2013，有限元分析软件：ANSYS Workbench 15.0。

1.4 实验方法

三维实体模型的建立：运用SolidWorks软件生成种植体及基台模型。种植体尺寸参考straumann种植体系统，直径设定为4.1 mm，长度为10 mm，颈部高度为1.8 mm。模拟牙槽骨质量分类的Ⅱ级骨，将下颌骨骨块简化为具有较厚皮质骨(2 mm)及密度较高松质骨的立方体，近远中未被骨皮质包绕^[6-7]。结合下颌骨尺寸统计均值^[8]，设定几何参数：颊舌向宽16 mm，近远中长25 mm，第一磨牙对应位置骨块高度为28 mm，第二磨牙对应位置骨块高度见表1。将修复体简化为立方体瓷块。第一磨牙位置修复体的长、宽、高均为 8 mm，第二磨牙位置修复体的长、宽为8 mm^[9]，由于牙槽嵴高度不同，为使第二磨牙位置的修复体达到咬合平面高度，按表1设定不同瓷块高度。将建好的种植体基台一体模型、下颌骨模型、修复体模型经过布尔运算后装配，并分组。

建立三维有限元模型及材料属性设置：将实体模型导入ANSYS Workbench 15.0软件，假设模型中的各材料和组织为连续、均匀、各向同性的小变形线弹性材料，将种植体及基台材质设定为纯钛，颌骨设定为内部松质骨，外层2 mm为密质骨，修复体材质设定为陶瓷。材料力学参数见表2。

网格划分：对模型进行四面体网格划分，并对单元进行自动优化。各模型的划分结果见表3。

模型的假设条件及边界约束：种植体与骨组织界面均考虑为100%的骨性结合，设定下颌骨、种植体、基台、修复体之间为固定接触，确保载荷作用下，各部件之间不发生相对滑动。将模型侧面和底面完全约束。

加载方式：根据已有文献报道，正常人一般情况下日常进食的咬合力为30-300 N^[11]。对模型咬合面分别加载垂直方向及45°斜向各100 N的力。

1.5 主要观察指标 观察各模型种植体-骨界面的Von Mises等效应力分布。

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

讨论

有限元法是力学研究中的重要手段，其原理是将连续的弹性体分割成有限个力学单元，以结合体来代替原弹性体，并逐个研究多个单元的性质，从而获得整个弹性体的性质。因其可以对结构、形状、载荷和材料力学性能等极其复杂的构建进行应力分析，并借助计算机快速而准确地求解，所以近年来被广泛应用于口腔生物力学的研究中。三维有限元法因其诸多优势，如可以准确表达复杂的几何形状；可以在同一模型模型上对不同性质的材料进行力学分析；模型的转换较为简便；对应力的内部状态及其他内部力学性能定量测定的代表性好等，正被越来越多的学者应用到口腔种植生物力学的研究当中^[12]。

应用有限元法进行种植体应力分析的前提是建立精确的有限元模型。已往建模通常需要通过仪器采集实物信息^[13-24]，转化为数字信号时往往出现误差及数据丢失等问题。已有研究报道，建立部分下颌骨模型与建立全下颌骨模型得出的分析结果差异极小，而在模型建立及计算方面节省了大量时间^[25]。故此次实验使用Solidworks软件直接建模，采用局部骨块模型来替代完整的颌骨模型，与传统建模方法相比，不存在数据丢失、数据繁杂和难以控制误差等问题。在模拟修复体时，采用立方体瓷块能简化模型，减少运算量，并能防止由于不同高度的联冠修复体存在形态、邻接点等个体差异而导致组间纵向对比变量过多。为了充分模拟咀嚼过程中牙尖斜度对受力方向的影响，此次实验对模型咬合面加载了45°斜向力，通过调整受力方向，贴近咀嚼运动中冠修复体真实的受力情况，同样具有良好的仿真效果。

另外，结果的有效性还与模型相关的材料性能设定密切相关。口腔材料虽属于黏弹性材料，但大量研究证明在进行小变形、静力分析时，简化成连续、均匀、各向同性的线弹性材料，所获取的应力仍能与实际情况保持较好的力学相似性^[26]，故此次实验假设所有的材料为连续、均质、各向同性的线弹性材料，在此基础上得出的结果仍具有参考意义。

临床操作过程中在不采用骨增量技术的情况下，种植体植入位置受到骨高度的限制，种植体一经植入，种植体平台位置确定，冠根比也随之基本确定^[27-28]。故在此实验中，为使第二磨牙位置的修复体达到咬合平面高度，设定不同组之间冠根比不同，种植体长度始终固定。而冠根比不同归根究底是由于种植体平台高度差的存在，实验设计仍然为单一变量。

此次实验中，种植体平台位置高度差的存在没有对联冠修复的应力分布造成显著差异，最大等效应力值也并未随着种植体平台位置高度差增大而出现连续性增大。所有模型在两种载荷下，最大等效应力值都集中在种植体颈部皮质骨处和根尖松质骨区，这与临床中种植体颈部周围骨组织易发生吸收是一致的^[29-34]。种植体颈部骨吸收的原因是皮质骨的弹性模量高于松质骨，在相同形变位移时，弹性模量越大应力就越大^[35]。应力集中在根尖松质骨区与力的传递作用及种植体周围没有牙周膜的应力缓冲作用有关。

对于多颗牙连续缺失的种植义齿修复，国内外主流观点认为，联冠修复能有效分散咬合力，抵抗旋转力，减少骨丧失。然而，仍有部分学者并不支持联冠修复，Glantz等^[36]的研究表明，在咀嚼时联冠修复会产生较高的功能性弯矩。此次实验结果可见，在轴向载荷作用下，除种植体平台位置高度差相差2 mm时联冠修复更具优势外，种植体支持单冠修复的最大等效应力值均小于联冠修复，与Nissan等^[37]的研究结果较一致。然而，在侧向载荷作用下，种植体支持单冠修复的最大等效应力值均大于联冠修复，较符合国内外当前主流观点^[38-43]，即种植体支持联冠修复更能有效的对抗侧向咬合力。由此可见，无论何种修复设计都各有利弊。两害相权取其轻，由于侧向力对骨结合更具破坏性，因此在种植修复设计时，更建议采取联冠修复。

考虑到临床中两种种植体平台位置高度相差甚远的情况并不多见，此次实验分析的最大高度差为3 mm，已涵盖了临床中相邻牙位牙槽嵴高度不同的绝大多数情况。由于临床中对骨高度测量的单位通常是毫米(mm)，此次实验设计各组平台位置高度差递增变化的梯度为1 mm，便于临床观测，较符合临床实际。

根据此项研究，临床工作中面对两颗磨牙连续缺失，相邻牙位牙槽嵴高度不同甚至相差较大的情况，在种植体植入后可随即对两种植体平台位置高度差进行测量，若在3 mm以内，日后种植上修复考虑采用联冠修复，以抵抗侧向力对骨结合的破坏，提高种植远期成功率。三维有限元分析为纯力学研究方法，因此获得的实验结果必须与临床实际相结合并进行综合分析，从而对指导临床实践提供参考。

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