不同螺纹种植体修复下颌第一磨牙即刻负荷的初始稳定性比较

doi:10.12307/2024.538

中国组织工程研究 ›› 2024, Vol. 28 ›› Issue (22): 3445-3450.doi: 10.12307/2024.538

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不同螺纹种植体修复下颌第一磨牙即刻负荷的初始稳定性比较

李昕茹，赵文博，纪妍，滕微微，王一茗，周立波

佳木斯大学附属口腔医院，黑龙江省口腔生物医学材料及临床应用重点实验室，口腔医学工程实验中心，黑龙江省佳木斯市 154000

收稿日期:2023-10-25 接受日期:2023-11-27 出版日期:2024-08-08 发布日期:2024-01-19
通讯作者: 周立波，主治医师，佳木斯大学附属口腔医院，黑龙江省口腔生物医学材料及临床应用重点实验室，口腔医学工程实验中心，黑龙江省佳木斯市 154000
作者简介:李昕茹，女，1997年生，黑龙江省鹤岗市人，汉族，佳木斯大学在读硕士，执业医师，主要从事数字化口腔种植方向的研究。
基金资助:
黑龙江省自然科学基金项目(LH2021H108)，项目负责人：周立波；黑龙江省普通高等学校青年创新人才培养计划项目(UNPYSCT-2020057)，项目负责人：周立波；黑龙江省高等教育教学改革项目(SJGZ20220124)，项目负责人：周立波

Comparison of initial stability of mandibular first molar repaired with different threaded implants under immediate loading

Li Xinru, Zhao Wenbo, Ji Yan, Teng Weiwei, Wang Yiming, Zhou Libo

Affiliated Stomatological Hospital, Jiamusi University, Heilongjiang Key Lab of Oral Biomedicine Materials and Clinical Application, Experimental Center for Stomatology Engineering, Jiamusi 154000, Heilongjiang Province, China

Received:2023-10-25 Accepted:2023-11-27 Online:2024-08-08 Published:2024-01-19
Contact: Zhou Libo, Attending physician, Affiliated Stomatological Hospital, Jiamusi University, Heilongjiang Key Lab of Oral Biomedicine Materials and Clinical Application, Experimental Center for Stomatology Engineering, Jiamusi 154000, Heilongjiang Province, China
About author:Li Xinru, Master candidate, Physician, Affiliated Stomatological Hospital, Jiamusi University, Heilongjiang Key Lab of Oral Biomedicine Materials and Clinical Application, Experimental Center for Stomatology Engineering, Jiamusi 154000, Heilongjiang Province, China
Supported by:
Natural Science Foundation Project of Heilongjiang Province, No. LH2021H108 (to ZLB); Training Program for Young Innovative Talents in General Higher Education Institution of Heilongjiang Province, No. UNPYSCT-2020057 (to ZLB); Heilongjiang Province Higher Education Teaching Reform Project, No. SJGZ20220124 (to ZLB)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：

即刻种植即刻负荷：牙拔除同期植入修复体并于1周之内戴入临时修复体，修复体与对颌存在功能性牙合接触。
初始稳定性：种植体植入种植窝之后与种植窝骨壁机械啮合(初始骨接触)所获得的种植体稳定性，随着时间的推移和骨改建的发生，种植体的初始稳定性逐渐降低、继发稳定性逐渐升高。

背景：螺纹结构的锥形种植体具有良好控制微动的能力，有利于即刻负荷，但有关双螺纹锥柱状和锥形柱状锥形种植体对即刻负荷后种植体-骨界面应力分布和初始稳定性的影响尚未见文献报道。

目的：探讨双螺纹锥柱状和锥形柱状种植体在下颌磨牙区即刻负荷时对种植体及周围骨界面生物力学分布的影响。
方法：①三维有限元分析：利用锥形束CT扫描1名志愿者下颌骨及第一磨牙，建立下颌骨基准模型，将双螺纹锥柱状和锥形柱状种植体分别与下颌骨模型组装，建立下颌第一磨牙即刻种植(或延期种植)即刻负荷种植体模型(共4组模型)，对每个模型牙冠中央窝处分别加载轴向、舌颊45°向、近远中向、颊舌4个方向的载荷(100 N)，利用三维有限元分析种植体位移和种植体-骨界面应力分布情况。②体外实验：在口腔种植机器人的辅助下，将双螺纹锥柱状和锥形柱状种植体分别植入相同的人工骨块上，建立种植体即刻种植(或延期种植)即刻负荷体外模型(共4组模型)，用Osstell共振频率分析仪及配套的SmartPeg传感器测量前、后、左、右4个垂直方向的种植体稳定系数值，评估其初始稳定性，验证有限元分析结果。

结果与结论：①延期种植即刻负荷时，锥形柱状种植体和双螺纹锥柱状种植体的位移相差较小，但锥形柱状种植体-骨界面最大应力值大于双螺纹锥柱状种植体-骨界面；即刻种植即刻负荷时，种植体周围骨的最大应力值和最大位移量均出现在近远中向施加载荷时，其中锥形柱状种植体应力值达到了298.84 MPa，最大位移量为0.31 mm，均大于双螺纹锥柱状种植体；②体外实验结果显示，双螺纹锥柱状种植体的种植体稳定系数值均大于锥形柱状种植体；③与锥形柱状种植体相比，双螺纹锥柱状种植体在即刻负荷时具有较高的初始稳定性，提示临床上即刻负荷时可优先考虑使用双螺纹锥柱状种植体。

https://orcid.org/0009-0000-9663-3088(李昕茹)

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: 种植修复, 种植体, 即刻负荷, 螺纹设计, 三维有限元分析, 初始稳定性

Abstract: BACKGROUND: The threaded conical implant has a good ability to control micro movements and is conducive to immediate loading. However, the effects of double-threaded conical cylindrical implants and conical cylindrical implants on stress distribution and initial stability of implant-bone interface after immediate loading have not been reported.
OBJECTIVE: To investigate the impact of double-threaded conical cylindrical implants and conical cylindrical implants on the biological distribution of the implant and the surrounding bone interface during immediate loading in the mandibular molar region.
METHODS: (1) Three-dimensional finite element analysis: Conical beam CT scans of the mandible and first molar of a volunteer were used to develop a basal model of the mandible. The double-threaded conical cylindrical implants and conical cylindrical implants were assembled with the mandibular models, and an immediate-load (or delayed implantation) implant model (a total of four models) for the first mandibular molar was established. Loads in four directions (100 N): axial, lingual and buccal 45°, mesial and distal, and buccal and lingual, were applied to the central fossa of each model’s crown. Three-dimensional finite element method was used to analyze the implant displacement and the stress distribution at the implant-bone interface. (2) In vitro experiment: With the assistance of the oral implant robot, the double-threaded conical cylindrical implants and conical cylindrical implants were implanted on the same artificial bone pieces, separately, and the immediate load model of immediate implant implantation (or delayed implantation) was established in vitro (a total of four groups of models). Osstell resonance frequency analyzer and SmartPeg sensor were used to measure the implant stability coefficient in four vertical directions: front, rear, left, and right measurements, evaluate the initial stability, and verify the finite element analysis results.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) The displacement difference between double-threaded conical cylindrical implants and conical cylindrical implants was small when the immediate loading of delayed implantation was applied, but the maximum stress value of conical cylindrical implant-bone interface was greater than that of double-threaded conical cylindrical implant-bone interface. When the immediate loading of immediate implantation was applied, the maximum stress value and the maximum displacement of bone around the implant appeared when the load was applied in mesiodistal direction. The stress value of the conical cylindrical implant reached 298.84 MPa and the maximum displacement was 0.31 mm, both of which were larger than that of the double-threaded conical cylindrical implant. (2) The results of in vitro experiments showed that the stability coefficient of the double-threaded conical cylindrical implant was greater than that of the conical cylindrical implant. (3) Compared with the conical cylindrical implant, the double-threaded conical cylindrical implant has higher initial stability under immediate loading, suggesting that the use of double-threaded conical cylindrical implant should be given priority in clinical immediate loading.

Key words: implant restoration, implant, immediate loading, threaded design, three-dimensional finite element analysis, initial stability

中图分类号:

李昕茹, 赵文博, 纪妍, 滕微微, 王一茗, 周立波. 不同螺纹种植体修复下颌第一磨牙即刻负荷的初始稳定性比较[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(22): 3445-3450.

Li Xinru, Zhao Wenbo, Ji Yan, Teng Weiwei, Wang Yiming, Zhou Libo. Comparison of initial stability of mandibular first molar repaired with different threaded implants under immediate loading[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2024, 28(22): 3445-3450.

图/表（结果） 5

2.1 三维有限元分析结果
2.1.1 延期种植即刻负荷时各模型种植体位移和周围骨质应力分布延期种植即刻负荷时两种种植体的位移情况和周围骨组织应力分布，见图4，5及表4。

在延期种植即刻负荷模型中4个方向上施加载荷时，双螺纹锥柱状种植体周围骨质最大应力值均小于锥形柱状种植体围骨质最大应力值；在颊舌向加载载荷时，两种种植体的位移量均最大但相差较小，最大位移量均小于0.06 mm；在颊舌向加载载荷时，种植体周围骨质的应力最大，应力集中在种植体窝的颈部，锥形柱状种植体周围骨质最大应力为463.52 MPa，显著大于双螺纹锥柱状种植体周围骨质最大应力(376.32 MPa)；舌颊45°加载载荷时，两种种植体周围骨质最大应力最小，双螺纹锥柱状种植体周围骨质最大应力为284.65 MPa，显著低于锥形柱状种植体周围骨质最大应力(448.97 MPa)。
2.1.2 即刻种植即刻负荷时各模型种植体位移和周围骨质应力分布即刻种植即刻负荷时两种种植体的位移情况和周围骨质应力分布，见图4，5及表5。

在即刻种植即刻负荷中4个方向上施加载荷时，双螺纹锥柱状种植体周围骨质最大应力值在3个方向上小于锥形柱状种植体周围骨质最大应力值，仅在舌颊45°时双螺纹锥柱状种植体周围骨质最大应力值大于锥形柱状种植体围骨质最大应力值；在近远中向加载载荷时，锥形柱状种植体位移量达到了0.31 mm、周围骨质最大应力值为298.84 MPa，双螺纹锥柱状种植体位移量和周围骨质最大应力值分别为 0.21 mm和250.08 MPa。由表5可以看出，在进行即刻种植即刻负荷时，轴向施加载荷时两种植体的最大位移量最小，均为0.01 mm左右；锥形柱状种植体周围骨质最大应力值出现在近远中与颊舌方向施加载荷时(298.84 MPa)，双螺纹锥柱状种植体周围骨质最大应力值出现在近远中与颊舌方向施加载荷时(250.08 MPa)。
2.2 体外实验验证结果在延期种植即刻负荷时，双螺纹锥柱状种植体各个方向的种植体稳定系数值均大于锥形柱状种植体(P < 0.001)；在即刻种植即刻负荷时，双螺纹锥柱状种植体各个方向的种植体稳定系数值均大于锥形柱状种植体(P≤0.05)，见表6。

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引言

材料方法

1.1 设计三维有限元分析实验及体外模型实验，正态分布数据组间比较采用独立样本t检验，非正态分布数据组间比较采用非参数检验。
1.2 时间及地点实验于2022年12月至2023年9月在佳木斯大学口腔医学实验中心完成。
1.3 对象选择1名健牙列完整的康成年人作为受试者。该受试者对此次实验知情同意。研究方案的实施符合《赫尔辛基誓言》和佳木斯大学附属口腔医院对研究的相关伦理要求(伦理审批件号：2022-KQYY-XS-07)。
1.4 实验方法
1.4.1 三维有限元分析
影像资料：应用锥形束CT(OrthophosSL3D口腔三维体层X射线影像系统，Sirona公司，德国)对受试者进行扫描采集，层厚为0.125 mm，扫描数据以DICOM格式输出。

下颌骨及第一磨牙模型的建立：将锥形束CT数据扫描图像导入三维影像处理软件Mimics 21.0(Materialise公司，比利时)，分别提取出下颌骨、右侧下颌第一磨牙模型，进行初步优化，并以STL格式保存输出。将STL文件导入Geomagic Wrap(3D Systems公司，美国)软件中进行降噪和光顺化处理，截取下颌第一磨牙处的骨块，通过偏移整体和实体转化成功建立下颌骨的皮质骨和松质骨三维模型，保存为STEP格式。随后采用Solidworks软件(Solidworks公司，美国)，通过实体化等操作获取包含下颌骨(皮质骨、松质骨)、下颌第一磨牙实体模型(图1)。

种植体模型：参照士卓曼研究院股份公司的种植体信息(表1)，利用Solidworks软件对种植体进行建模，并按照其实际尺寸分别进行拟合。两种锥形种植体设计：锥形柱状种植体，长12 mm、直径4.1 mm；双螺纹锥柱状种植体，长12 mm、直径4.0 mm。通过布尔运算，将种植体和修复基台通过固位螺丝连接成一整体(图1)。

建立下颌第一磨牙即刻负荷种植体模型：采用Solidworks软件对下颌第一磨牙模型进行处理，选取合适的位置进行分割、调整，获取下颌第一磨牙冠部修复体模型。随后通过布尔运算等操作，将下颌骨块、种植体、冠部修复体进行装配，成功建立下颌第一磨牙即刻种植(或延期种植)即刻负荷模型(共4组模型)(图1)，保存为X-T格式。实验中即刻种植模型创建时，牙齿和颌骨之间进行了布尔运算，因此得到了拔牙窝，模拟了即刻种植前的拔牙效果；延期种植模型创建时，牙齿与颌骨之间没有进行布尔运算，因此得到的是平整颌骨，模拟了延期种植效果。

材料属性和网格划分：模型材料均为均质且各向同性的线弹性材料，各结构的弹性模量和泊松比如表2所示[10]。将X-T格式文件导入Ansys Workbench 17.0(ANSYS公司，美国)软件中进行有限元分析。采取四面体十节点结果对各部件进行网格划分，模型中的单元数和节点数见表3。此外，假设植入物完全骨整合到骨中，骨和植入物之间的整个界面都有紧密连接，所有其他接触被认为是刚性结合，其中种植体与皮质骨、松质骨之间的接触关系设为摩擦接触，摩擦系数为0.3[11-13]。为了验证网格划分的合理性，进行了网格划分收敛实验，当节点数量约为当前节点数量的1.5倍与2倍时，种植体骨界面的微动结果与当前节点数量下的结果差距都小于2%。

加载方式：4组模型的加载条件、植入位置和上部结构均相同，于牙冠中央窝处从轴向、舌颊45°向、近远中向、颊舌向4个方向施加100 N的载荷[14-17]，见图2，采用Ansys 17.0软件进行应力分析，比较即刻种植和延期种植即刻负荷时两组种植体的位移和周围骨质应力分布情况。

1.4.2 体外实验为了模拟真实的骨-种植体连接，采用共振频率分析技术检测种植体稳定系数，以评估其初始稳定性。种植体稳定系数值越高、稳定性越好[6]。

选用锥形柱状种植体和双螺纹锥柱状种植体，种植部位采用相同的实心刚性聚氨酯块(Sawbones，美国，仿骨材料密度为0.24 g/cm3，宽2 mm，高6 mm)，均符合美国材料实验协会(American society of testing materials，ASTM)1839标准，分别模拟延期种植即刻负荷和即刻种植即刻负荷(图3)，延期种植模型为平整的聚氨酯块，即刻种植模型为经切削后的聚氨酯块。在每块聚氨酯中插入3个种植体，钻孔过程在口腔种植机器人(北京瑞医博，中国)的辅助下进行。随后用Osstell共振频率分析仪(Osstell AB公司，瑞典)及配套的SmartPeg传感器测量每个种植体在4个垂直方向(左、右、上、下)的种植体稳定系数值，所有测量均重复3次，计算出平均种植体稳定系数值。

1.5 主要观察指标在三维有限元分析中，比较即刻种植和延期种植即刻负荷时两组种植体的位移和周围骨质应力分布情况；在体外实验中，通过测量并比较两种种植体稳定系数验证有限元分析结果。
1.6 统计学分析将种植体稳定系数值测量数据导入SPSS 25.0 软件(IBM，USA)进行统计学分析。使用 Shapiro-Wilk 检验探索数据是否符合正态分布。如果数据符合正态分布则使用x±s表示，组间比较采用独立样本t检验；如果不符合正态分布则使用“中位数(四分位数间距)”表示，组间比较采用非参数检验。P≤0.05认为差异有显著性意义。该文统计学方法已经佳木斯大学统计学专家审核。

讨论

多项研究表明磨牙区即刻种植具有诸多优点，如减少手术程序、缩短缺牙时间、尽早恢复咀嚼功能等，植体生存率较高，具有较高的可实施性[18-20]，但由于磨牙窝比常规种植体宽、骨量不足等多种因素导致磨牙区即刻种植获得良好的初始稳定性较为困难[21-22]，而良好的初始稳定性是即刻负荷成功的关键[23-24]。近年来，临床上多采用三维有限元分析法来评估种植体的位移量和种植体-骨界面应力分布，以此来评估种植体的初始稳定性[25-26]。体外实验中可以通过测量种植体的扭矩和种植体稳定系数值来评估种植体的初始稳定性[27]。目前大多数研究都集中在种植体的直径和长度，虽然一些研究开始意识到种植体的螺纹几何形状对种植体的生物力学有显著影响，但关注种植体螺纹参数对即刻负荷后对种植体初始稳定性的研究比较有限[28]。PAMMER[29]通过有限元力学模拟(微动)分析及体外仿真实验测量了多种类型种植体的种植体稳定系数值，证实了任何类型植入物的种植体稳定系数值都可以通过有限元分析力学模拟(微动)来确定。因此，此次研究通过三维有限元分析方法比较了两种螺纹设计种植体的位移及周围骨质应力分布差异，评估两种螺纹设计种植体的初始稳定性差异，初步探讨螺纹形态对种植体初始稳定性的影响。
锥形柱状和双螺纹锥柱状种植体之间的区别主要在于种植体的螺纹设计，其中双螺纹锥柱状种植体呈圆锥形，具有渐进式、可变的双螺纹设计，允许种植体在植入过程中自切割、自攻丝和自体移植[30]。已有研究比较了不同几何形状种植体的初始稳定性，发现与具有锥柱状形状种植体相比，拥有双螺旋锥形设计种植体具有优越的初始稳定性[31-32]。KIM等[16]通过共振频率分析比较评估不同设计Strauman种植体的初始稳定性，结果显示双螺纹锥柱状种植体具有较高的初始稳定性，即使在皮质骨缺乏和骨质量差的情况下，双螺纹锥柱状种植体仍然是一个合适的选择。LEBLEBICIOĞLU等[33]通过有限元分析对比不同骨质条件下双螺纹锥柱状和锥形柱状种植体的初始稳定性，结果显示双螺纹锥柱状种植体的初始稳定性优于锥形柱状种植体。体外实验还发现种植体螺纹间距大可以增加其初始稳定性[8]，而双螺纹锥柱状种植体的螺纹间距明显大于锥形柱状种植体，这可能也是造成双螺纹锥柱状种植体初始稳定性优于锥形柱状种植体的原因之一。此次通过三维有限元分析种植体位移和种植体-骨界面的应力分布，发现延期种植即刻负荷时，双螺纹锥柱状和锥形柱状种植体的最大位移量相差不大，但锥形柱状种植体周围骨质的最大应力显著高于双螺纹锥柱状种植体周围骨质；在即刻种植即刻负荷时，锥形柱状种植体最大位移量及周围骨应力值均大于双螺纹锥柱状种植体最大位移量及周围骨质最大应力。因此即刻负荷时，双螺纹锥柱状种植体的位移量及周围骨应力均较小，提示与锥形柱状种植体相比，双螺纹设计双螺纹锥柱状种植体可以增大种植体与周围骨的接触，具有良好的初始稳定性，在即刻负荷时更具有优势。
但值得注意的是，在进行下颌磨牙区即刻种植即刻负荷时，两种种植体在近远中向施加载荷时的最大位移量均超过了0.15 mm，根据BRUNSKI[34]提出的微动理论，种植体发生的微动过大可能会导致种植体周围产生纤维包绕，形成纤维性愈合，最终引发种植失败。因此在进行即刻种植即刻负荷时，应该尽量避免让修复体受到近远中方向的作用力，减小舌颊向的咬合力。此外，在磨牙区进行即刻种植即刻负荷时，还可能会存在拔牙窝周围牙槽骨厚度不足、骨质相对较差、根尖下方重要解剖结构(如上颌窦、下颌神经管等)的限制等问题[35]。大多数情况下磨牙区可利用的骨量主要是多根牙牙根间隔处骨和融合根的拔牙窝骨壁，而即刻种植时通常要求种植体的顶点至少有4 mm的天然骨接合，同时避免伤及根尖下方的其他解剖结构[36]，因此准确地进行种植体植入显得尤为重要。介于此，此次实验在口腔种植机器人的辅助下进行体外模型实验的钻孔及种植体放置，尽量避免由于其他因素引起的误差，提高实验数据的准确性及可靠性。
由于三维有限元分析对材料和组织的性质进行了简化，因此该研究存在局限性。由于各种临床情况的差异，可能导致种植失败而影响即刻负荷结果。种植体的精准植入是避免手术操作对周围解剖结构造成损伤、提高种植体存留率、实现理想的修复效果以及获得软硬组织长期稳定性的关键[37]，因此种植体的精准植入也会影响即刻负荷的结果。临床上，特殊的解剖结构及神经走行、骨结合情况等都会影响即刻负荷的结果，种植体稳定系数同样受到物体刚性、材料弹性模量等因素的影响。尽管在限制范围内获得的位移与应力值提供了所用植入物的概况，但仍需种植体螺距、螺纹倾斜角度等相关数据的对比分析以及大量的临床试验来研究螺纹形状对即刻负荷的长期影响。
综上所述，在即刻种植即刻负荷的种植牙中应注意种植牙的螺纹形状选择，双螺纹锥柱状种植体的初始稳定性优于锥形柱状种植体，在即刻负荷中更具有优势。随着静态导板、动态导航、机器人辅助种植的应用，微创拔牙和精准种植技术的不断普及，双螺纹锥柱状种植体更有利于即刻负荷的优势发展，具有可观的应用前景。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

不同螺纹种植体修复下颌第一磨牙即刻负荷的初始稳定性比较

Comparison of initial stability of mandibular first molar repaired with different threaded implants under immediate loading

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