动态载荷下不同骨质对天然牙―种植体联合修复应力分布的影响

1、动态载荷下不同骨质对天然牙种植体联合修复应力分布的影响 摘要 目的 利用有限元方法探索下颌后牙区天然牙-种植体联合修复在不同骨质内的应力分布情况，以评定出适宜行联合修复所需的骨质类型。方法 采用三维有限元分析法，分别对骨质为、类颌骨类型中的天然牙-种植体联合修复体施加动态载荷，并对各界面所承受的von mises应力进行分析。结果 皮质骨所受最大von mises应力值从类骨到类骨逐渐增大，最大等效应力分别为89.229、91.860、125.840、158.420 mpa。松质骨所受最大von mises应力值从类骨到类骨均逐渐减小，最大等效应力分别为58.584、43.645、21.688

2、、18.249 mpa。在同一类模型中，松质骨和皮质骨的最大von mises应力值均为舌颊向加载>颊舌向加载>垂直向加载。结论 骨质的类型对修复体周围骨的应力分布有重要的影响，、类骨较、类骨更适合行种植体-天然牙联合修复。 关键词 天然牙-种植体联合修复； 骨质； 动态载荷； 有限元分析 中图分类号 r 783.3 文献标志码 a doi 10.7518/hxkq.2015.03.015 abstract objective this study aims to evaluate the influence of different bone types on the stres

3、s distribution in tooth implant-supported fixed partial prostheses by using finite element （fe） analysis. methods four fe models of mandibular arch containing one implant splinted to the mandibular second premolar were built according to bone types ， ， ， and . dy-namic loads of 250 n were applied to

4、 the buccal and lingual cusps of the prostheses in different directions to simulate the mas-ticatory cycle. the maximum von mises stresses were calculated using the fe analysis software. results the maximum von mises stresses of the cortical bones were 89.229， 91.860， 125.840， and 158.420 mpa， incre

5、asing from type to type ， respec-tively. the maximum von mises stresses of the trabecular bone were 58.584， 43.645， 21.688， and 18.249 mpa， decreasing from type to type ， respectively. during the process of dynamic loading， the maximum von mises stresses of the cortical and trabecular bones followed

6、 the order buccal to tongue loading>tongue to buccal loading>vertical loading. conclusion the results showed that bone type significantly influenced the stress distribution in bones， and that for tooth implant-supported fixed partial prostheses， bone types and were a better choice than bone ty

7、pes and . more caution should be exer-cised when restoring missing teeth using tooth implant-supported fixed partial prostheses in softer bone regions. key words tooth implant-supported fixed partial prostheses； bone quality； dynamic loads； finite element analysis 种植对于修复缺失牙有着很大的优势，其骨结合理论在临床上已经得到广泛认可

8、1。kindberg等2经过8年的临床研究，证明牙周健康的天然牙和种植体通过刚性连接的修复体有很好的长期效果。然而天然牙-种植体联合修复这种方案目前在临床上有争议，主要原因是种植体和天然牙的动度不一致，从而导致出现天然牙下沉、修复体破裂或者较大的骨吸收3。miyamoto等4认为植入位点的皮质骨和松质骨比例是种植体成功最关键的因素。对于种植体在骨内形成骨结合来讲，足够的骨量（高度和宽度）是必须的，但是足够的骨密度和骨质量也是必要的5。本研究的目的是利用三维有限元来评估不同骨的类型中联合修复在动态载荷下应力在颌骨的分布。 1 材料和方法 1.1 固定义齿的设计 设计以左下颌第二前磨牙（天然牙）及

9、左下颌第二磨牙（种植体）为支持，恢复左下颌第一磨牙的接触式桥体，牙周支持组织为牙槽骨和牙周膜。种植体选用straumann标准种植系统的产品规格，圆柱状种植体的长度为 10 mm，直径为4.8 mm（常规颈设计，直径4.8 mm），颈部高度1.8 mm，莫氏锥度8°，种植体基台间采用内八边型连接。种植体采用纯钛制造，牙冠采用二氧化锆全瓷修复材料。 1.2 三维有限元模型的建立 选取下颌骨健康的志愿者，已告知志愿者实验用途，并签署知情同意书。本实验通过重庆医科大学附属口腔医院伦理委员会的审核。利用锥形束ct （kavo 3d exam，kavo公司，德国）扫描数据，以dicom格式输出

10、，利用三维影像处理软件 mimics（materialise公司，比利时）和逆向工程反求软件geomagic（geomagic公司，美国）建立下颌骨和天然牙的模型。依据lekholm和zarb的分类方法6，根据皮质骨的厚度和松质骨的质量将颌骨组织分为4类：类骨质整个颌骨几乎全由均值的皮质 骨组成；类骨质由一层较厚的皮质骨围绕致密的松质骨核心组成；类骨质一薄层皮质骨围绕密集的松质骨构成，具有良好的强度；类骨质一薄层皮质骨围绕中心低密度的松质骨构成。按照此分类标准将重建的下颌骨形成4类模型（表1）。种植体几何模型用计算机辅助设计（com-puter aided design，cad）软件solid

11、works（solid-works公司，美国）建立（图1）。将所有模型导入有限元软件ansys（swanson公司，美国）后进行网格划分（表2）。 1.3 材料的性能 假设牙体、种植体、牙槽骨为连续、均质、各向同性的线弹性材料。其力学性能见表37。牙周膜采用非线性的材料参数（图2）用于模型的建立8，平均厚度为0.2 mm。 1.4 动态载荷的施加和应力分析 根据中国男性青壮年的力均数，设定250 n为每个牙位加载量。两个基牙与桥体同时加载，设定1个动态载荷周期为0.875 s9。后牙咀嚼周期分为5个阶段10。第阶段：下颌向下、向外，即向工作侧移动，上、下颌牙齿无接触；第阶段：下颌向上，工作侧同

12、名牙牙尖相对，加载于后牙颊、舌尖，第二前磨牙接触点为2个，第一磨牙接触点为4个，第二磨牙接触点为4个；第阶段：下颌后牙颊尖颊斜面沿上颌后牙颊尖舌斜面滑行，载荷由颊侧斜向舌侧，与牙体长轴呈45°加载于后牙颊尖颊斜面，第二前磨牙接触点为3个，第一磨牙接触点为6个，第二磨牙接触点为5个；第阶段：下颌后牙颊尖舌斜面沿上颌后牙舌尖颊斜面滑行，约至牙尖一半长度处分离，载荷由舌侧斜向颊侧，与牙体长轴呈45°加载于后牙颊尖舌斜面，接触点同第阶段；第阶段：卸载阶段，下颌后牙与对颌牙分离，回归至牙尖交错位（表4）。 固定边界条件施加于双侧髁突顶部，模拟颞下颌关节对下颌骨的固位作用，对各界面所承

13、受的von mises应力进行分析。 2 结果 2.1 总体应力分布情况 4类骨质模型中的最大von mises应力均集中于种植体颈缘/天然牙根与皮质骨交界处。修复体所受von mises应力最大，其次为种植体，然后依次为皮质骨、天然牙、松质骨及牙周膜。 2.2 咀嚼周期中不同阶段的应力分布 在动态载荷中，除第阶段修复体未受力、第阶段末应力释放（应力约为零）外，第阶段松质骨和皮质骨所受von mises应力分布见图3 4。在同一类模型中，松质骨和皮质骨的最大von mises应力值均为舌颊向加载>颊舌向加载>垂直向加载，舌颊向加载达到动态载荷周期的最大值。 2.3 不同骨质的应力分

14、布 骨质的类型在很大程度上影响应力值的大小。在咀嚼周期的任何阶段，皮质骨所受最大von mises应力值从类骨到类骨均逐渐增大，第阶段分别为26.346、28.870、51.051、66.125 mpa，第阶段分别为69.815、75.672、119.060、146.140 mpa，第阶段（最大等效应力）分别为89.229、91.860、125.840、158.420 mpa，即、类骨的应力近似，、类骨应力较、类增幅较大。松质骨所受最大von mises应力值在咀嚼周期的任何阶段从类骨到类骨均逐渐减小，第阶段分别为16.120、15.917、15.795、12.357 mpa，第阶段分别为38

15、.983、24.063、15.676、12.367 mpa，第阶段（最大等效应力）分别为58.584、43.645、21.688、18.249 mpa。 3 讨论 本实验研究了动态载荷下不同骨质对天然牙-种植体联合支持固定义齿修复应力分布的影响。尽管临床对天然牙-种植体联合修复有一定争议，但在游离端牙缺失常因骨吸收过多导致骨量不足，下牙槽神经管位置过高等解剖条件或者患者自身经济状况及其他因素的限制，无法进行常规的种植修复，常需要种植体和天然牙联合来进行固定义齿的修复11。 本文结果表明，骨质和加载条件均是影响应力分布的主要因素。皮质骨的von mises应力在、类骨较、类骨显著低一些。这与li

16、n等12的研究结果是一致的，也与临床中类骨种植体失败率较高相一致。在本研究中，皮质骨的最高应力在类骨，而松质骨的最高应力在类骨，因为类骨中松质骨的弹性模量大于、类骨，弹性模量是衡量物体抵抗弹性变形能力大小的尺度，高的弹性模量可以抵挡更多的变形，这就可以解释松质骨所受应力为什么在类骨中最高13。 种植体所受到的负荷主要来自于上部修复体所受到的咀嚼力，且最大应力集中于种植体颈部的骨皮质；当侧向力作用于骨皮质时，在种植体颈部产生曲应力，会导致骨吸收或种植体断裂。这些结果也和之前的研究14相一致。临床上，骨质较差会影响种植治疗的成功率，主要是即刻加载中骨结合环节15；很多研究16-17证明了骨质较差有

17、较高的失败率，原因包括缺乏初期稳定性、过早加载、吸烟和糖尿病等。 三维有限元法在口腔医学研究中的应用目前多局限于静态载荷下，但口腔中存在着咀嚼运动，包括开闭、前后和侧方三种基本运动及其三者之间多种复杂的综合运动，运动过程复杂，运动过程中牙体及其支持组织受到动态的冲击载荷作用，其变形和应力分布状态与运动过程（时间）有关。menicucci等18研究发现，对于种植体和固定桥基牙周围的骨组织应力来说，载荷持续的时间比载荷的强度具有更大的影响。一个修复体在口内的运动是非常复杂的，在以往的相关研究中，通常都是设定为静态的分析，但是口腔咀嚼运动是一个动态过程，静态的分析只能解释其中的某一种情况，因此仅局限

18、于静态载荷条件下的分析不能准确全面了解牙颌系统的受力状态。本实验在动态载荷下研究不同骨质对天然牙-种植体联合修复应力分布的影响。 14 shamami dz， karimi a， beigzadeh b， et al. a 3d finite element study for stress analysis in bone tissue around single implants with different materials and various bone qualitiesj. j biomater tissue engi， 2014， 4（8）：632-637. 15 hsu jt， fuh lj， tu mg， et al. the effects of cortical bone thickness and trabecular bone strength on noninvasive mea-sures of the im