All-on-Four种植方案中，5号位点种植体及皮质骨von Mises值最大；相同松质骨密度下，对比3种不同皮质骨厚度下的模型数据，发现随着皮质骨厚度的增加，种植体、皮质骨的von Mises应力值及钛支架的变形量均呈降低趋势。当皮质骨厚度从1 mm增加到2 mm时，综合两种骨密度比较，5号位点种植体及皮质骨von Mises应力值分别下降了42.04%，56.31%，钛支架变形量下降了21.52%。高密度组5号位点种植体、皮质骨von Mises应力值及钛支架变形量分别比低密度组降低33.90%，44.31%，48.53%。

翼上颌种植方案中，7号位点种植体及皮质骨von Mises值最大，相同松质骨密度下，对比3种不同骨厚度下的模型数据，发现随着皮质骨厚度的增加，种植体、皮质骨von Mises应力值及钛支架的变形量整体呈降低趋势。当皮质骨厚度从1 mm增加到2 mm时，综合两种骨密度比较，7号位点种植体及皮质骨von Mises应力值分别下降了32.78%，28.51%，钛支架变形量下降了19.51%。高密度组7号位点种植体、皮质骨von Mises应力值及钛支架变形量分别比低密度组降低16.79%，28.85%，29.26%。

以上结果提示，厚层皮质骨及高密度松质骨有利于种植体及上部修复体的整体应力分散，且皮质骨厚度及松质骨密度改变对All-on-Four种植方案的影响相较于翼上颌种植方案更为显著。
2.3   不同种植方案的应力分布    将两组种植方案下前部位点及后部位点的种植体、皮质骨von Mises应力值及钛支架变形量进行比较分析，All-on-Four组前部位点及后部位点下种植体、皮质骨的von Mises应力值及钛支架变形量均大于翼上颌种植组(P < 0.05)，见表5。

由于上颌窦腔气化[1]、骨质条件差[2]、牙槽嵴萎缩等原因，上颌后牙骨量不足无牙颌患者的种植固定修复一直是临床医生面临的难题。上颌窦提升技术是解决此问题的方案之一，但其常需要延期种植和修复，并有窦底黏膜穿孔的风险[3-4]。为缩短缺牙期，即刻修复已成为患者更期望的一种治疗方式[5]。因此，临床上出现了许多替代方案，如穿颧种植、All-on-Four、翼上颌种植等[6-8]。

穿颧种植因手术难度大、术后创伤重，目前尚未被普及[9]。All-on-Four通过在前牙区放置2枚轴向种植体，同时在后牙区放置2枚倾斜植体来完成种植体植入，术后行固定修复恢复至第一磨牙区。该方案可以最大限度利用患者自身骨量，避免骨移植程序，降低患者诊疗次数，提高患者满意度[10-11]。然而，长期观察发现All-on-Four仍存在许多不足及修复并发症[12]，其中最常见的是基台和螺丝松动、饰面材料的折裂甚至上部修复体的折断，说明此方案在生物力学领域仍需进一步研究。翼上颌种植技术通过将种植体依次穿过上颌结节、腭骨锥突及蝶骨翼板构成的骨性支柱，从而获得一定长度的皮质骨锚定，以有效避免悬臂并改善种植方案的整体力学性能[13]。但其作为一项全口种植技术，技术敏感性高，可获得的资料较为有限，且因随访时间短，高质量的临床证据尚未见报道。

种植体种植成功在很大程度上与咬合力的大小和方向、植体数量和骨质类型有关[14-16]。有临床研究指出种植失败主要发生在低密度骨质患者[17]，较差的骨质及骨量会导致种植体周围骨应力过载，影响种植体的长期稳定性，因此术前选择适合患者骨质条件并遵循生物力学原则的种植方案以维持远期预后非常重要。目前许多研究人员对All-on-Four远端种植体倾斜角度及悬臂长度做出了报道[18-19]。然而，对不同骨质条件下All-on-Four种植体周围的应力分布研究较少，且在不同骨质条件下与翼上颌种植方案的对比分析尚未见报道。此次实验拟采用三维有限元分析法研究不同骨质条件下两种种植技术方案应力分布的差异，以期为骨量不足无牙颌患者种植方案的选择提供一定的参考依据。
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

1.1    设计   三维有限元分析，组间比较进行t检验。
1.2    时间及地点    实验于2020年6月至2021年11月在南京医科大学完成。
1.3    材料    选择1例骨量严重不足无牙颌患者的锥形束CT数据(DICOM格式)，锥形束CT数据由南京医科大学附属口腔医院提供，数据的获取及使用符合相关伦理要求。

软硬件设备：锥形束CT机，电子计算机，Mimics 20.0，Geomagic Studio 2012，Solidworks 2014，Abaqus 2020。
1.4    实验方法
1.4.1    原始上颌骨模型的建立    将选取的锥形束CT数据以DICOM格式导入Mimics 20.0中，分层提取皮质骨、松质骨的点云数据，并在Geomagic Studio 2012中将各点云数据优化处理后拟合成NURBS曲面，建立原始上颌皮质骨、松质骨的实体模型，并将拟合后的曲面保存为IGES格式。
1.4.2    不同皮质骨厚度及松质骨密度上颌骨模型的建立    将原始上颌松质骨实体模型在Geomagic Studio 2012软件中使用加厚功能分别获得1.0，1.5，2.0 mm的骨块，并导入Solidiworks 2014软件进行不同厚度骨块与原始皮质骨模型的切割、组合。再将组合后的骨块导入Geomagic Studio 2012软件中进行光滑以消除组合界面形成的台阶，获得厚度分别为1.0，1.5，2.0 mm的上颌皮质骨骨块。参照WANG等[20]、YALÇıN等[21]的方法，通过改变松质骨的弹性模量(1 370，231 MPa)获得2种不同松质骨密度(高、低)。
1.4.3    种植体、基台及支架模型的建立    在Solidiworks 2014软件中参照NobelReplace Conical Connection系统4.3 mm×10 mm、4.3 mm×13 mm、4.3 mm×16 mm的种植体及1.5 mm穿龈高度的直基台和4.5 mm穿龈高度的30°复合基台数据，建立种植体及基台模型，并对种植体及基台螺丝处螺纹做简化处理。支架高度及宽度设为8 mm，弧度与上颌骨形态保持一致。All-on-Four组咬合面恢复至双侧第一磨牙(此时支架悬臂长度为10 mm)，翼上颌种植组咬合面恢复至双侧第二磨牙(此时支架悬臂长度为0 mm)。
1.4.4    实验设计及模型装配    实验分为All-on-Four(A)和翼上颌种植(Y)两种种植方案，每个方案有1.0，1.5，2.0 mm 3种皮质骨厚度及2种松质骨密度，共计12个模型。两种方案下种植体、基台位点及属性见表1。将各部件导入Abaqus 2020软件中，通过布尔运算减去各部件相交的干扰区域，共获得12个装配后的模型，见图1。

1.4.5    网格划分及材料属性设置    在Abaqus软件中进行自动化网格划分，网格类型为四面体单元。手动细化研究的关键区域网格大小。种植体及其周围骨的网格大小设为0.4 mm，不与种植体直接接触的皮质骨及松质骨网格大小设为0.8 mm，钛支架设为1.6 mm，见图2。模型的材料特性为均匀、线弹性及各向同性。相关材料的弹性模量及泊松比，见表2[20，25]。



1.4.6    载荷和约束条件    实验假定咀嚼力一致，为评估2种种植方案应力分布的差异，将200 N载荷按Nelson制定的合力分配比值垂直加载于双侧后牙位点[26-27]。All-on-Four组载荷在第一前磨牙、第二前磨牙和第一磨牙分配，翼上颌种植组载荷第一前磨牙、第二前磨牙、第一磨牙和第二磨牙分配。密质骨-松质骨、种植体-骨界面被认为完全骨结合，在上颌骨颧弓、顶部施加固支约束，见图3。

1.5   主要观察指标   使用有限元分析软件Abaqus 2020计算各个模型内种植体、皮质骨von Mises应力值及钛支架变形量。
1.6   统计学分析   应用SPSS 23.0软件对数据进行统计学分析。经Shapiro-Wilk正态性检验，数据符合正态分布，采用t检验比较各组计算值之间的差异，P < 0.05为差异有显著性意义。该文统计学方法已经通过南京医科大学生物统计学专家审核。

有限元分析法是继电阻应变片测试法、光弹法、机械法等传统生物力学分析法后的一种数值模拟方法，通过精确的建模获得可预测的力学结果，在口腔医学领域中被广泛应用[28-29]。此次实验采用自动化划分网格及布尔运算，保持了模型间原有的几何逻辑关系，可以很好地反映原始颌骨形态。SCHULLER-GÖTZBURG等[30]发现种植体有无螺纹对应力分布的影响没有显著差异，基于计算效率等考量，此次实验采用了简化螺纹的种植体模型。

皮质骨厚度以及松质骨密度是影响骨和种植体应力分布的关键因素[31]。MIYAMOTO等[32]对上颌骨皮质骨厚度进行测量及统计，发现上颌骨皮质骨平均厚度为(1.49±0.34) mm，且萎缩上颌骨主要以D3、D4类为主[2]，根据Lekholm和Zarb分类法[33]，D3类骨为薄层皮质骨包绕高密度骨小梁，D4类骨为薄层皮质骨包绕低密度骨小梁。因此，此次实验结合临床设定了1.0，1.5，2.0 mm 3种皮质骨厚度，两种松质骨密度使研究更全面。

此次实验结果显示，两种种植方案在1 mm皮质骨厚度下种植体及周围皮质骨von Mises应力值均为最大，随着皮质骨厚度的增加，种植体、皮质骨的von Mises应力值均呈降低趋势。此外，将2种不同骨密度的模型数据进行比较，发现在两种种植方案下，骨密度增大均会使种植体及周围皮质骨von Mises应力值降低，这与OKUMURA等[34]、SUGIURA等[35]对单颗种植体的研究结果相一致。虽然以上研究对象为单颗植体，此次实验研究对象为整体式修复，但皮质骨厚度及松质骨密度增大均能改善种植体及其周围骨的应力分布，这一规律是比较明确的。种植体周围应力集中会导致边缘骨吸收，从而影响种植体的长期稳定性[36]。BECKER等[37]的研究发现，相较于厚层皮质骨种植，薄层皮质骨种植可使患者丧失至少一个种植体的概率增加130%。HAKIM等[38]、KIM等[2]认为，通过术前CT评估种植体放置部位的骨质和骨量来预测种植体的预后是可行的，当术前发现患者皮质骨厚度较薄或松质骨密度较低时，应行植骨或骨挤压术以提高种植体的远期成功率。

除对种植体和周围骨组织的von Mises应力进行对比研究外，实验还对钛支架变形量进行了计算和分析，发现所有模型支架变形最大处均在最远端，这也解释了为何在临床实践中上部修复体的折裂位置主要发生在靠近悬臂的末端植体或最远端悬臂处[39-40]。结合皮质骨厚度及松质骨密度的变化，研究者发现当皮质骨厚度从1 mm增加到2 mm时，All-on-Four组钛支架变形量下降了21.52%，翼上颌种植组钛支架变形量下降了19.51%。All-on-Four种植方案下高密度松质骨组钛支架变形量比低密度组下降了48.53%，翼上颌种植方案下高密度组钛支架变形量比低密度组下降了29.26%。该结果表明相较于皮质骨厚度的改变，松质骨密度的改变对上部支架的变形影响更大。FISCHERD等[41]临床研究指出，无牙颌上部修复体的10年生存率仅为82%，在全口固定义齿修复中，使用大跨度义齿时会产生更多的并发症。种植体及上部修复体的折裂、松动等是种植修复后常见的机械并发症。从力学角度分析，上部修复体的折裂与材料受力后的疲劳变形有关。在咬合力作用下，金属支架会发生一定的变形，当变形量处于弹性形变范围内，解除受力则可以恢复到原本的形状，若受力超出弹性极限时，金属支架将会发生永久变形甚至断裂[42-43]。频繁的维修处理不仅降低患者对医生的信任度，也会影响患者自身生活质量。因此结合此次实验，在临床上对于松质骨密度较低的患者，上部修复体牙尖形态更应低平，以避免产生过大的侧向力影响修复体的远期预后。

种植设计方案是医生和患者尤为关注的问题。All-on-Four和翼上颌种植即刻修复术后种植体的累计成活率均处于较高水平[44-45]。由于翼上颌种植需要术者进行一段距离的盲视操作，涉及的解剖结构更为复杂，因此手术风险也更大。当可以使用All-on-Four种植技术恢复患者缺失牙列时，是否有必要使用翼上颌种植体一直是很多医生及患者的疑问。此次实验结果显示，翼上颌种植设计在同种骨质条件下种植体和周围骨von Mises应力值及钛支架变形量均低于All-on-Four组(P < 0.05)。咬合负荷引起的应力传递主要发生在种植体与周围骨接触的区域，接触面积越小发生咬合过载的可能性越大[46]。在翼上颌种植中存在6颗种植体，并且翼上颌种植体穿过上颌牙槽嵴顶至腭骨锥突及蝶骨翼突获得了多层皮质骨固位，有效避免悬臂，从而使力更好地传递到骨组织。但All-on-Four种植方案仅有4颗种植体且倾斜植体仅通过牙槽嵴顶一层皮质骨，导致种植体与骨的接触面积小并存在悬臂，可能是以上结果出现的原因。一项系统性综述表明，种植体数量影响修复体的远期成功率，6颗或更多种植体支持的修复体预后优于6颗以下的种植体数目[47]，与此次实验结果相符合。因为上颌窦的气化及上颌骨的萎缩，All-on-Four种植设计中悬臂的存在可能是不可避免的，这会增加种植体周围骨吸收及上部修复体机械并发症的风险。BRÅNEMARK等[48]对采用4颗及6颗种植体修复的无牙颌患者进行10年的回顾性研究，发现两组个体种植体及修复体的存活率表现相同，并对无牙颌患者是否应尽可能多的安放种植体提出质疑。此次实验结果证实，All-on-Four种植设计中种植体及周围骨von Mises应力和上部修复体变形量均比翼上颌种植方案大(P < 0.05)。BALAJI等[49]临床报告指出，翼上颌种植体在骨结合后可以更好地抵抗咀嚼力，与此次实验结果相互印证。

综上，在此次实验研究范围内，从生物力学角度看，厚层皮质骨及高密度松质骨更有利于种植固定修复的应力分布，建议术前对种植位点的皮质骨厚度及松质骨密度进行仔细评估。不同种植方案在相同骨质下的应力表现有所不同，结合实验结果，翼上颌种植方案较All-on-Four种植方案表现出更为合理的力学行为，是无牙颌患者固定种植修复更为有效的种植方案。由于实验是基于离散化的仿真模拟研究，不能完全代表临床实际情况，后期仍需结合临床对照试验及长期随访进一步验证，但仍可为临床医师面临骨量不足无牙颌患者基于生物力学原则建立以终为始、未来可期的种植方案提供一定的参考价值。
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

文题释义：
三维有限元分析：本质上是一种通过微分方程的数值求解研究方法，该方法通过将研究对象连续的区域离散为由有限单元构成的组件，且组件中各单元通过节点连接，利用函数方程计算出各个单元的节点的状态，从而推算出研究对象的整体特性，获得复杂力学问题的求解。
全口固定种植修复：无牙颌患者恢复缺失牙齿的修复方法，完全由种植体提供支持与固位，不需要患者每日摘戴修复体进行清洁及维护，具有较高的舒适度，并且固位力高、修复体体积小、咀嚼效能接近天然牙列。

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

实验在保持颌骨形态一致的条件下，通过精确的建模，构建了1.0，1.5，2.0 mm 3种不同皮质骨厚度及两种不同松质骨密度的上颌骨模型，每种模型同时设计All-on-Four和翼上颌种植两种种植方案，共计12个模型，分别计算出种植体及周围骨组织的应力值及上部支架变形量，并且将数据进行统计学分析，得出比较可靠的研究结论。

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