2.1   应力分布   基台和螺丝的结构部位见图4。



2.1.1   von Mises 应力特征   各组模型的应力分布云图呈现出相似的规律性特征，具体表现为：应力主要集中在基台的颈部和底部、种植体的顶部、中央螺丝的头部与体部转折处，以及骨组织中种植体与骨界面周围的接触区域。各组模型各部分的应力分布云图见图5-8所示。



















2.1.2   主应力应力特征   基台模型最大主应力(拉应力)和最小主应力(压应力)出现在基台两侧颈部的种植体肩台水平(图9A)；种植体模型拉应力出现在种植体顶部，应力从顶部向下逐渐降低，直至内部螺纹部分，应力转变为压应力，出现在种植体内部螺纹底部(图9B)；中央螺丝模型拉应力出现在中央螺丝头部与体部转折处，应力从上至下逐渐降低，直至螺纹部分，应力转变为压应力，出现在中央螺丝螺纹底部(图9C)；骨组织模型拉应力和压应力交界线位于皮质骨与松质骨交汇线上(图9D)。



2.3   各组模型的观察指标分析   随着机械磨损程度的增加，种植体系统的力学参数发生显著变化。基台和种植体的最大von Mises应力逐渐增大，在MW100模型中，基台的最大von Mises应力达到612.94 MPa，而种植体的变化幅度较小，略增至442.31 MPa。中央螺丝的最大von Mises应力则显著下降，尤其在MW100模型中降至11.54 MPa。相比之下，骨组织的最大von Mises应力变化幅度较小，始终保持稳定(图10，表2)。基台的最大拉应力和压应力随着磨损程度的增加均有上升趋势，在MW100模型中分别达到357.42 MPa和-267.22 MPa。中央螺丝的拉应力变化尤为明显，随磨损增加逐步下降，特别是在MW10至MW100阶段，拉应力显著降低至11.04 MPa。同时，该阶段中央螺丝的压应力也大幅下降至-2.70 MPa，而种植体的拉应力和压应力变化较小，始终保持相对稳定。骨组织的拉应力和压应力数值较低，且变化幅度较小(图11，表3)。基台和种植体的等效应变随着机械磨损的增加呈上升趋势，而中央螺丝的等效应变则逐步下降，特别是在MW10至MW100阶段，应变明显降低至0.000 1(图12，表4)。基台和中央螺丝的最大位移均随磨损程度的增加而增大，MW100模型中基台和中央螺丝的最大位移分别为0.118 mm和0.048 mm(图13，表5)。系统疲劳寿命分析显示，基台和种植体的疲劳寿命次数随着磨损程度的增加而降低，在MW10模型中种植系统的疲劳寿命下降约30%，而在MW100模型中进一步降低约63%。与此相反，中央螺丝的疲劳寿命次数随着磨损程度的增加而显著上升，尤其在MW10至MW100阶段达到最高的20 000 000次，超出了疲劳曲线的最高值(图14，表6)。

[1]	石前会, 伍 超, 周 倩, 程余婷, 李 芳, 霍 花, 齐昱晗, 黄晓林, 王 永, 廖 健. 种植体根尖病变的预防与治疗[J]. 中国组织工程研究, 2020, 24(34): 5434-5440.

科技发展与材料革新推动了种植体在口腔修复领域的广泛运用，随之而来的机械并发症的频繁发生对种植体的治疗效果和长期稳定性带来一系列挑战。中央螺丝松动作为种植修复后最常见的机械并发症之一，5年发生率为5.8-12.7%[1-2]，影响因素较多，其中多数直接或间接与种植体内部螺纹连接的机械磨损相关[3]。因此，深入探讨螺纹连接的机械磨损及力学机制，对提高种植修复的长期疗效具有重要意义。

种植体内部结构的机械磨损普遍存在且难以避免[4]。一方面，在技工加工、临床使用及维护过程中，因操作需求可能导致一定程度的机械磨损[5]。加载前后反复施加扭力，种植体-基台内连接和外连接均会出现中央螺丝螺纹的损伤[3，6]。另一方面，由于口腔环境复杂多变，种植体在长期使用过程中可能逐渐受到各种潜在影响因素(如非轴向力、化学腐蚀等)的综合作用，从而产生不同程度的机械磨损[7， 8]。

莫氏锥度连接作为一种独特的固位方式，被广泛应用于现代口腔种植领域[9]。相比于内六角连接等主要依靠中央螺丝固位的系统，莫氏锥度设计在固位机制、受力特性及连接界面表现上具有显著差异[10]。具体而言，莫氏锥度系统通过过盈配合实现基台与种植体的稳定连接，而中央螺丝仅起到辅助作用，确保基台与种植体完全嵌合[11]，它承载的力学应力相对较小且受力路径单一。这一特性使莫氏锥度系统在减少种植体-基台界面的微动和微间隙方面表现优异，从而降低微生物渗漏风险并显著提高种植成功率[12]，同时也为研究中央螺丝螺纹的机械磨损及对系统性能的影响提供了更理想的实验条件。此外，研究表明，在动态载荷和长期使用条件下，莫氏锥度系统的应力集中通常出现在基台-种植体连接界面，同时外界较小的载荷可能在界面引发较大的压应力，而较大的载荷则可能导致基台和中央螺丝的过载，从而对疲劳性能产生潜在的不利影响[13-14]。为此，该研究聚焦于单冠修复条件下莫氏锥度种植系统，通过模拟中央螺丝在不同机械磨损程度下的力学行为，深入探讨动态载荷对系统应力分布、疲劳寿命及位移的影响。尽管已有研究表明中央螺丝的机械磨损可能影响种植系统的长期稳定性，但相关力学机制尚未得到系统性分析。该研究通过三维有限元分析，揭示莫氏锥度种植系统在不同磨损条件下的力学特性，以期为优化种植体设计、评估种植体长期稳定性及改善临床应用提供理论依据。

1.1    设计   针对中央螺丝机械磨损对莫氏锥度种植系统力学性能的影响，采用三维有限元分析方法，建立涵盖不同磨损程度的多组有限元模型。实验设计注重系统性和精确性，通过提取关键力学参数(如von Mises 应力、主应力、最大位移和疲劳寿命)，结合相对变化率对比分析，定量评估不同磨损条件对系统力学响应的影响，并以直观方式展示各力学参数的变化趋势。
1.2   时间及地点   实验于2021年12月至2023年12月在南部战区总医院口腔科完成。
1.3   材料   计算机：Intel(R)Xeon CPU 4.8 GHz，56核112线程、内存64 G、硬盘4 T(Intel，美国)；三维建模处理软件：Solidworks 2017(Dassault公司，法国)；有限元模拟计算软件：Ansys Workbench 17.0(Ansys公司，美国)；三维测量软件：ScanViewer(武汉惟景三维科技有限公司，中国)；自动化逆向工程软件：Geomagic(Geomagic公司，美国)；手持式3D扫描仪：KSCAN-magicⅡ[思看科技(杭州)股份有限公司，中国]；种植体：ANKYLOS C/X Ø3.5×11 mm (3101 0410)(Dentsply Sirona公司，美国)；基台、中央螺丝：C/ Abutment G/H 1.5 (3102 1630)(Dentsply Sirona，美国)。
1.4   方法   
1.4.1   种植体模型的建立   利用Scanviewer软件使用手持式KSCAN-magic Ⅱ扫描[15]，种植体(ANKYLOS C/X；Dentsply Sirona；3101 0410)规格(3.5 mm×11 mm)，C型基台(牙龈高度=1.5 mm)，再用Geomagic软件修复模型，建立种植系统模型零件。通过SolidWorks软件进行装配、模型检查和曲面优化，重建种植体参数模型。针对临床常见Ⅱ类骨条件，构建人工骨块模型，尺寸为长15 mm、宽15 mm、高20 mm，外层皮质骨厚度为2 mm，内层为松质骨，用以模拟种植体的骨支持组织，并将单一种植体模型植入人工骨块内(图1)。 

1.4.2   样本模型的建立与分组   基于扫描电子显微镜下的磨损情况[5，16]，依据ASTM标准对材料表面的磨损程度进行分级[17-18]，使用微米(μm)作为量度单位。对中央螺丝螺纹磨损程度的具体分级如下：①无磨损(0 μm)：表面无明显磨损或变化，表面保持原始状态；②微观磨损(<1 μm)：微观级别的表面变化，可能包括微小的划痕或磨损，通常只能通过扫描电子显微镜观察；③轻微磨损(1-10 μm)：微观级别的磨损更为明显，可能包括划痕或表面质地的改变，但只能在扫描电镜下观察，这些变化仍然较难用肉眼观察到；④中等磨损(>10-100 μm)：宏观级别的磨损，大体可见的划痕和磨损，表面损伤越发明显；⑤显著磨损(>100 μm)：严重的表面磨损，可能导致材料表面有大面积的剥落或形状改变，损伤程度容易被肉眼识别。为简化模型假设、便于控制变量，并集中研究磨损深度对力学性能的影响，该研究采用均匀磨损模型，假定中央螺丝螺纹的所有接触表面在不同磨损程度下均匀减少。利用SolidWorks软件，根据上述分级建立5组三维有限元模型，分别设置中央螺丝螺纹连接表面的机械磨损程度为0，0.1，1，10，100 μm(图1B蓝箭头示)，每组模型分别命名为MW0、MW0.1、MW1.0、MW10、MW100，以统一研究不同磨损条件下的力学性能变化。
1.4.3   材料属性设定   三维有限元分析实验所用材料的力学参数见表1，即弹性模量、泊松比和屈服强度，假设钛(等级5和2)的切线模量为弹性模量的2%[19]。

1.4.4   实验条件假设与约束   为了简化模型分析过程，假设骨的材料性质是线性弹性、各向同性和均质的，而种植体、基台和中央螺丝材料是塑性(双线性各向同性硬化)、各向同性和均质的，基台和种植体之间的界面以及基台和中央螺丝头的摩擦接触系数为0.36，除此所有接触界面均为黏结界面[19-20]。此外，固定皮质骨两端的外表面(近中和远中切面)，并且剩余皮质骨给予这两端外表面无摩擦支持以补偿缺失的骨结构，避免了因骨质量差异引起的变量干扰。
1.4.5   网格划分   采用四节点四面体单元划分，数量以实际模型特征而定，并对种植体-基台连接处进行局部网格细化，划分后单元总数为31 338-31 610，节点总数为55829-56286，见图2。

1.4.6   参数设定与加载方式   通过经验公式M=KDP[21]计算中央螺丝的预负荷，其中M为拧紧扭矩，设定为15 Ncm(根据种植体设计的推荐值)；K为综合系数，用于综合考虑螺纹摩擦系数、螺纹直径和螺距等因素，其取值与相关文献研究中针对相似螺纹几何特性和摩擦条件基本一致，便于计算，采用常用值K=0.2[21-22]；D为中央螺丝螺纹直径，测量值为1.75 mm；P为施加在中央螺丝上的轴向预负荷(N)。根据上述公式，代入已知参数：

计算得出，中央螺丝需施加430 N的轴向预负荷。在此基础上，模拟15 Ncm的扭力拧紧中央螺丝过程，设定中央螺丝预负荷推动基台向下，将种植体与基台压入配合。此外，在基台与种植体的接触区域施加过盈配合，模拟莫氏锥度连接系统中基台与种植体的紧密嵌合状态。

动态模拟咬合力，向基台顶部(咬合中心面)分别施加300 N与种植体基台长轴呈30°的颊斜向舌斜向力F1和舌斜向颊斜向力F2，脉冲载荷0.2 s，先F1再F2为一次循环加载，每次循环加载间隔0.6 s，循环至种植体失效，见图3。

1.5   主要观察指标   利用Ansys Workbench软件对不同工况进行计算，以种植体、基台、中央螺丝及骨组织为主要观测对象，重点分析各组模型的应力分布云图，并提取关键力学参数，包括最大von Mises应力、主应力、位移及疲劳寿命等。通过计算相对变化率和绘制折线统计图，从定量和直观的角度展示不同磨损条件下关键力学参数的变化趋势，全面揭示机械磨损对种植系统力学性能的影响。

该研究基于三维有限元方法，探讨了莫氏锥度连接种植系统中央螺丝在不同机械磨损程度下对种植体系统应力分布和疲劳性能的影响。SAMMOUR等[23]和BARREIROS等[24]研究指出，中央螺丝在长期承受超过其屈服强度的应力时，松动和折断的风险率显著增加。该研究支持这一结论，并通过有限元模拟量化了不同磨损条件下的疲劳寿命变化趋势。随着中央螺丝螺纹磨损的增加，种植系统的von Mises应力、主应力、位移和疲劳寿命均发生显著变化，尤其当螺纹磨损达到10 μm及以上时，种植系统的疲劳寿命明显下降。这一结果为理解螺丝磨损对莫氏锥度系统稳定性的影响提供了重要的力学证据。需要指出的是，莫氏锥度连接的设计在临床中通常使螺丝承受较小应力，短期影响有限。然而相关疲劳实验表明，锥度连接种植系统在载荷疲劳累积后期，中央螺丝可能发生疲劳损坏[24-25]。该研究进一步揭示了在外界长期高载荷的条件下，螺丝磨损可能导致预负荷下降、螺丝松动等潜在风险。

实验结果显示，在外界斜向力作用下，基台作为主要承载部位，应力集中于基台颈部种植体肩台水平及基台底部边缘，而中央螺丝的最大von Mises应力和主应力则集中在螺丝头部与体部转折处，这与CHANG等[19]关于莫氏锥度种植系统应力分布的研究结果基本一致，尤其在加载的初期(阶段一)，各模型部件受力情况相似。然而，在动态加载条件下(阶段二)，与本研究在中央螺丝应力集中区域上不同，其位于螺丝体中部。与该研究采用单一斜向静态加载方式和简化模型，重点关注基台-种植体连接界面的应力集中区域对系统稳定性的关键作用不同，该研究采用动态交替斜向加载方式和精确模型，重点探讨中央螺丝本身对系统稳定性的关键影响，并选用了不同的预负荷参数，可能导致应力分布模式的差异。随着机械磨损的加剧，基台的等效应力和等效应变逐步增加。在MW100模型中，中央螺丝的最大von Mises应力显著转移至螺丝头部，反映出基台内部应力分布的变化及其承受力的增加。当基台与螺丝的协同作用减弱时，基台在侧向力下的负担显著加重。YANG等[13]的研究指出，莫氏锥度连接系统中基台颈部种植体肩台水平的应力集中区域是折断风险的主要部位，这与该研究中观察到的基台应力集中区域一致，尤其是在长期负载超过材料金属疲劳极限的情况下。

研究结果表明，不同机械磨损对系统的疲劳寿命具有显著影响。基台和种植体的疲劳寿命随着机械磨损程度的增加而显著降低，当中等磨损条件下(≥10 μm)，种植系统的疲劳寿命下降约30%，中央螺丝的最大von Mises应力减少约37%，此时，中央螺丝的应力主要集中在头部与体部的转折处，尽管载荷传递路径未变，但应力值的下降预示预负荷可能降低，螺丝存在松动趋势。在显著磨损条件下(≥100 μm)，中央螺丝的von Mises应力进一步降至11.54 MPa，降幅高达约98%，种植体系统疲劳寿命降低约63%，同时，螺纹接触面的大幅减少显著削弱了螺丝与种植体内壁的有效接触，导致预负荷几乎完全丧失。PARNIA等[26]研究指出，当螺丝接触面磨损或不匹配时，预负荷丧失是导致螺丝松动的关键因素。该研究验证了这一观点，并进一步表明预负荷不足可能导致种植体-基台界面的微间隙增大，加剧了系统的不稳定性[27-28]。这些结果强调了优化螺丝设计以减少磨损、保持预负荷的重要性，尤其在提高种植系统长期稳定性方面具有重要的临床意义。

该研究中种植体的最大von Mises应力和主应力集中在种植体顶部，与对应基台的受力部位和应力值存在明显差异，且这种差异随着机械磨损的增加逐渐扩大。SANDOVAL等[29]的研究同样证实，长期的载荷疲劳可以引起种植体-基台界面的微动磨损，导致连接处的垂直和水平方向的不匹配，当应力超过屈服强度时，局部因变形产生微间隙。KOWALSKI等[30]进一步证明，微间隙会为微生物的侵入和繁殖创造条件，增加感染风险，并可能影响种植体的长期稳定性和成功率。D’ERCOLE和RIBEIRO等[31-32]研究发现，与内六角连接相比，莫氏锥连接的密封性能更强，但仍未能完全阻止细菌和体液通过连接界面。因此，减少机械磨损不仅有助于提升种植体系统的力学性能，还能有效降低微生物感染的风险。应对措施包括精密加工以减少连接界面的初始微间隙[33]；改进螺纹的几何形状，如增加接触面积，可以有效降低局部应力集中，进而减少磨损发生率[34-35]；采用更耐磨的材料或表面涂层技术，如经过特殊处理的钛合金，能显著提升螺丝的耐久性和预负荷[4，36]；适当的液体润滑可以提高螺丝的预负荷，保护螺纹表面，降低微动磨损的风险[16，37]。这些改进措施有助于延长种植系统的使用寿命并提高长期稳定性。

中央螺丝螺纹的机械磨损对种植体系统的整体性能有显著影响，特别是当磨损程度≥10 μm时，系统的疲劳寿命会显著下降，长期使用会增加机械并发症的风险。因此，在种植修复中，建议优先使用全新的原装中央螺丝，以确保连接部件的完整性和力学性能。对于已经植入的种植系统，可定期使用同步辐射X射线成像技术进行定期监测[8，38]。若发现螺丝松动，需及时取出螺丝，并利用数字显微镜或其他放大设备观测中央螺丝的磨损程度和螺纹的完整性[39]。在磨损明显或螺纹损坏的情况下，应尽快更换新的螺丝，以避免进一步的系统不稳定性。这些措施对种植体系统的长期稳定性和安全性至关重要，同时也为预防机械并发症提供了重要的临床参考。

尽管该研究通过三维有限元分析揭示了不同磨损条件下种植体系统的力学性能变化，并提供了丰富的数据支持，但仍存在以下局限性：首先，中央螺丝螺纹被简化为均匀磨损模型，虽有助于变量控制，但未能反映实际临床中因局部应力集中、咬合力方向及加工精度差异导致的螺纹磨损不均，可能影响应力分布和疲劳性能的准确性[8，40]。其次，该研究仅聚焦于莫氏锥度系统，采用统一加载条件，未涵盖其他连接方式(如内六角或外六角连接)及复杂生理加载(如随机方向或长期咀嚼模拟)，限制了结果的广泛适用性。此外，假设Ⅱ类骨块模型，虽然从结果来看对实验整体趋势影响较小，但仍不能排除不同骨质量类型(如Ⅰ-Ⅳ类骨)对力学行为的潜在影响，特别是在临床复杂条件下，骨质量的差异可能显著改变种植系统的应力分布和稳定性[41]。参数设置方面，K值取自文献常规值，未直接测量实际摩擦系数，这对结果精确性存在潜在影响；同时，有限元分析的离散性和模型参数敏感性尚需通过大规模体外实验验证。未来研究建议结合非均匀磨损模型，通过扫描电子显微镜或3D扫描技术获取真实磨损形态，拓展至不同连接设计及复杂加载条件，分析骨质量差异影响，并结合实验数据验证，以增强结果的临床指导意义与适用范围。

文题释义：#br# 中央螺丝的机械磨损：种植系统中连接种植体与基台的中央螺丝在长期使用中，因咬合力、摩擦、应力集中及疲劳等作用，可能导致种植系统表面或内部结构发生材料损失、磨耗或破坏等现象，这不仅削弱螺丝的结构完整性，还可能进一步影响种植系统的长期稳定性。#br# 三维有限元分析：一种数值分析方法，通过将复杂三维结构离散为有限元素，用数学方程模拟在外部载荷下的应力、应变和位移分布，广泛应用于工程、生物力学等领域，可用于预测力学行为与优化设计。

随着口腔种植修复在临床中的广泛开展，种植体机械并发症逐渐成为影响长期成功率的重要因素。中央螺丝作为连接基台与种植体的关键部件，其螺纹磨损会导致预紧力衰减、微动增大，进而提高螺丝松动或断裂风险。近年来，不同几何结构和耐磨材料的中央螺丝设计不断涌现，相关力学研究则集中在有限元分析与疲劳实验的结合，本研究探索在实际功能载荷或极限载荷条件下中央螺丝的应力分布、失效模式及寿命预测。未来，通过进一步优化螺纹形态、采用表面涂层增强技术，以及结合数字化监测手段，将有望显著提升种植体-基台连接的稳定性与耐久性，为患者长期种植修复的安全和舒适提供更可靠的保障。

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