不同跳跃间隙对前牙区盾构术种植系统的生物力学影响

摘    要：

目的 研究跳跃间隙对盾构术种植系统的生物力学影响，为后续临床制定跳跃间隙标准提供参考。方法 依据临床特征建立4组跳跃间隙分别为0、0.5、1、1.5 mm盾构术种植系统三维模型，赋予对应的材料参数，模拟在特定咬合工况下各组模型的应力峰值以及应力分布情况。结果 跳跃间隙非0 mm,即种植体与保留根片不接触时，种植体和基台应力随着跳跃间隙的增加而增大，根片及牙周膜应力峰值随着跳跃间隙的增加而减小。跳跃间隙为0 mm时，种植体、基台、根片及牙周膜的应力峰值均达到最大，且远超其他组。结论 跳跃间隙对盾构术种植系统具有明显生物力学影响，建议临床取较大跳跃间隙。根片外形边缘做圆角处理，且下缘尺寸不宜过小。

关键词：盾构术;种植体;基台;前牙区;跳跃间隙;

随着口腔修复技术的不断发展，种植义齿修复凭借其安全性和可靠性等特点，已经成为主流的口腔修复方式，广为临床医生和患者所选择[1]。在前牙区，由于传统拔牙手术造成牙周组织的破坏，影响了唇侧骨板的血运环境，会出现唇侧骨板吸收现象，导致软、硬组织发生不同程度的吸收和塌陷，进而影响美学修复效果和长期的种植成功率[2,3,4]。因此，如何提高前牙美学区种植修复效果是临床医生一直探索的问题[5]。

多年来，人们提出了不同的手术技术来抵消或至少限制拔牙后双颌前部(特别是上颌前部高美学区域)发生的生理性骨吸收，包括即刻种植[6,7]、软组织移植[8,9,10]、带膜骨再生[11,12]和骨移植材料[8,13,14]等方法。为了实现唇侧牙槽骨的保留，盾构术(socket-shield technique, SST)作为一项新技术由Hürzeler教授在2010年首次提出，又名牙根屏障即刻种植术，通过在拔牙时保留部分唇侧牙根根片，进而保护附着在根片上的唇侧牙周膜不被破坏，减少唇侧骨板吸收，维持前牙美学区种植修复的美学效果和长期的种植成功率。目前，该技术的有效性在临床已得到初步验证[15,16,17]。Hürzeler教授在最初实验设计时将种植体紧贴牙片植入，并且在二者之间观察到新骨形成。研究表明，传统的即时种植和延迟种植中植体存活率为97%,而SST植入的植体存活率为96.1%,结果均比较令人满意[18]。但与传统技术相比，SST具有较少的边缘骨丧失和较高的粉色美学评分[19,20]。

在SST中，跳跃间隙是指保留的唇侧牙根根片与植入种植体之间的距离[21,22]。目前临床对于跳跃间隙还没有统一标准，跳跃间隙对种植系统生物力学影响的研究也鲜有报道。本文通过有限元方法，研究跳跃间隙对SST种植系统的生物力学影响，以期为后续临床制定跳跃间隙标准提供生物力学指导。

1 实验方法

1.1 模型构建

1.1.1 上颌骨及种植系统模型

征集1例无相关牙周疾病史和骨吸收的成年人，对其进行颌面部CT扫描(层厚0.4 mm, 分辨率512×512 像素，Discovery CT750 HD,GE Medical Systems公司，美国)。将DICOM文件导入Mimics 20.0(Materialise公司，比利时)进行建模，得到上颌和覆盖牙冠的三维模型。利用上颌骨模型外表面向内偏置 1 mm, 通过布尔运算得到皮质骨和松质骨三维模型。

参考韩国Dentium种植系统及其产品介绍书相关数据，在SolidWorks 2021(SolidWorks公司，美国)中构建种植体和个性化基台的三维模型。将模型以STL格式导出，导入3-Matic软件(Materialise公司，比利时)中与上颌骨模型配准。

1.1.2 盾构术模型设计

根据受试者CT影像，在Mimics中建立受试者上颌中切牙牙根模型，导入3-Matic中，对中切牙根面网格做扇形切割，将扇形表面向内偏置1 mm, 得到SST中保留的唇侧根片模型，长度达8 mm, 2/3牙根长度，根片厚度为1 mm, 并通过根片外表面向外偏置0.3 mm得到根片处附着的牙周膜模型[23,24]。

结合覆盖牙冠与保留根片的位置，配准种植体与根片，建立4组跳跃间隙分别为0、0.5、1、1.5 mm(此处跳跃间隙测算为种植体与保留根片的最小距离)盾构术种植系统三维模型(见图1)。

1.1.3 网格划分

在3-Matic中通过布尔运算分别得到配准后各部分模型的面网格，并创建体网格。通过网格收敛性分析测试确定网格最大尺寸为1 mm。本实验共建立4组有限元模型，共计28个部件。采用4节点四面体单元划分网格，网格划分详情见表1。网格划分后的有限元模型见图2。将上述各模型导入ABAQUS有限元软件中进行前处理。

1.2 参数设置

本研究涉及的材料均假设为均质、连续、线弹性。相关材料的弹性模量、泊松比见表2。因实验模拟SST成功愈合后的情况，此时种植体与周围骨已产生骨整合，各部分之间无相对滑动，为简化模型，将种植体与基台视为一体，各部分均设置为绑定接触。

1.3 载荷及边界条件

每组模型均施以200 N咬合力，加载区位于覆盖牙冠腭侧面中部靠近舌隆突处，力加载面积为4 mm2,与牙体长轴呈 45°夹角，以模拟咬合工况[24]。在模型上颌上表面添加固定约束，限制模型在3个方向上的移动与旋转(见图3)。

主要观察指标：根据第4强度理论，von Mises应力有助于发现应力高危区域。主应力表示在物体某一点的微面积元上剪应力为0时的正应力。单元的最大主应力与最小主应力分别可以判断出部件所受拉/压状态。观测von Mises应力峰值和变化以确定各组模型应力状态，观测部分部件最大、最小主应力以确定部件所受拉压状态。

2 结果

结果显示，种植体的高应力主要分布在颈部，唇侧应力大于舌侧。植体-骨界面应力主要分布在种植体颈部的皮质骨区域。根片的高应力主要分布于中上部(与植体颈部相对应的区域)、侧边与下缘。牙周膜的高应力主要分布于中上部，与根片应力区域相对应。

种植体应力峰值都位于颈部唇侧，其中跳跃间隙为0.5、1、1.5 mm模型相比跳跃间隙为0 mm模型应力峰值分别减小25.7%、22.3%、22.1%。基台主要应力分布区域为颈部，接触时峰值最高，跳跃间隙为0.5、1、1.5 mm模型相比跳跃间隙为0 mm模型应力峰值分别减小11.4%、10%、9.2%。跳跃间隙为非0时，基台应力峰值变化为随着跳跃间隙的增大而增加，幅度较小忽略不计。种植体与根片直接接触，即跳跃间隙为0时，根片应力最大，且远超跳跃间隙为0.5、1、1.5 mm模型。随着跳跃间隙增加，根片应力逐渐减小。牙周膜应力随着跳跃间隙增加不断减小。随着跳跃间隙增加，唇侧皮质骨应力增大，腭侧皮质骨应力减小。松质骨-根片界面应力随跳跃间隙增加而减小。种植体最大主应力高应力区随着跳跃间隙增加向中部扩散；随着跳跃间隙增加，根片最大主应力高应力区逐渐缩小。皮质骨最小主应力则随着跳跃间隙增加而更为明显(见图4、表3)。

3 讨论

有限元方法是用来评估口腔种植系统生物力学特性的有效方法，结合不同材料参数可以准确模拟出种植系统各部分的组织结构。本文建立了包含种植体、个性化基台、覆盖牙冠、保留根片、牙周膜、皮质骨与松质骨的SST术后种植系统模型，基于受试者CBCT扫描数据，通过Mimics软件实现毫米级建模，提高了有限元模型的准确性[29]。在目前盾构术研究领域中，针对是否在跳跃间隙中填充骨粉还存在争议。有研究认为，通过骨粉移植填充跳跃间隙有利于种植硬软组织关系的康复；而也有研究认为，直接保留跳跃间隙不填充骨粉，更有利于后期康复过程中根片表面与种植体表面之间成熟、致密骨组织的形成，有利于整体种植的长期成功[30,31]。本研究所建的盾构术有限元模型不考虑填充骨粉的情况。测量种植体与唇侧根片的最小距离为每组跳跃间隙值，并且以跳跃间隙为唯一变量，设立4组模型，严格控制实验变量，从而可以更科学地比较各组不同跳跃间隙对SST种植系统的生物力学影响。

跳跃间隙在SST中特指种植体与唇侧根片之间的距离，目前针对跳跃间隙的研究甚少，临床在确保初期稳定性的情况下，对跳跃间隙取值较为多样，对跳跃间隙的执行标准也尚无定论，故需要对跳跃间隙有更深入的研究[22]。Hürzeler等[15]将种植体与唇侧根片直接接触，即跳跃间隙为0 mm时，观测到新骨长出。Han等[32]研究认为，在跳跃间隙为0和非0时，种植体的存活率都达到了100%。Botticelli等[21]研究发现，跳跃间隙为0.5～1 mm时，可以直接种植成功；而跳跃间隙大于1 mm时，则需要骨移植材料填充。因此，本实验跳跃间隙分别取值为0、0.5、1、1.5 mm。

相关研究表明，种植系统各部分应力的合理分布是实现种植体长期存活的关键因素[33]。本文建立了4组不同跳跃间隙SST种植系统模型。结果显示，每组模型中，种植体应力集中区域主要分布在种植体颈部，种植体-骨界面应力集中区域主要分布在种植体颈部的皮质骨部分，与以往研究结果相同[34,35]。当跳跃间隙为0 mm时，植体与保留根片直接接触，此时植体和基台的应力均明显增加，植体和基台疲劳后容易发生松动或断裂，增加了种植失败的风险。与此同时，根片所受应力也明显增加，相比0.5、1、1.5 mm跳跃间隙组分别上升了233%、310%、328%,且跳跃间隙为0 mm时，根片唇侧受拉应力严重(见图4),极易发生折断，与临床并发症类型相匹配[18,36]。因此，在临床SST中，不建议直接将种植体与保留根片相接触，即不建议将跳跃间隙取值为0,与相关研究观点一致[23]。

在跳跃间隙分别为0.5、1.0、1.5 mm时，种植体和基台应力峰值随着跳跃间隙的增加而增大，但增幅较小。种植体高应力区域主要为拉应力，即在咬合状态下种植体整体受拉效果明显，且随着跳跃间隙的增加，种植体受拉区域由颈部扩展到中上部，受力更加均匀，有利于延长种植体寿命[见图5(a)]。但根片应力随着跳跃间隙增加而减小，此时考虑到根片较薄，临床易出现移位或折断等并发症，建议跳跃间隙在适合的情况下取偏大值[见图5(b)]。仅从生物力学角度和有限元分析结果来看，跳跃间隙为1.5 mm时更为合理，有利于避免根片发生移位与断裂等并发症。与此同时，牙周膜应力随着跳跃间隙增加而减小。在临床SST中，牙周膜主要用于维持唇侧骨板血运环境不被破坏，从而避免或减轻骨吸收，可见较大的跳跃间隙也适宜于牙周膜的力学环境。

此外，研究表明，皮质骨压应力增大有助于减少骨吸收[35,37]。本文发现，随着跳跃间隙的增加，种植体颈部皮质骨区域的压应力也出现明显增大的趋势(见图6)。由此可见，跳跃间隙增加可能一定程度上有助于缓解种植体周围骨吸收，但仍需更多临床研究证实此观点。

另外，根片侧边应力较为明显，可能是由于根片面与面之间形成了尖角导致的应力集中，而根片下缘应力较大是由于上宽下窄的根片几何外形导致，窄的区域应力偏高。因此，本文建议临床手术切割保留根片时尽可能使根片边缘轮廓为圆角，且下缘尺寸不宜过小，避免应力集中的同时增大根片附着面积，减小根片移位的可能性。

本文建立了新型SST种植系统关于跳跃间隙的有限元模型，具有一定的开创性和临床指导意义。在生物力学研究中，有限元体外模拟无法完全还原口腔内真实环境，具备一定的局限性，同时实验样本量较小，且未充分考虑周围邻牙情况，故仍需后续研究进一步补充。但由于本实验为单因素变量研究，也具备一定说服力，后续可以增加样本量进一步验证本研究结果的准确性。

4 结论

本文建立了针对不同跳跃间隙上颌前牙区新型SST种植系统有限元模型。结果表明，在45°载荷作用下，根片应力峰值随跳跃间隙增加而减小。其中，跳跃间隙为0 mm时，根片、牙周膜、种植体、基台、皮质骨等应力峰值达到最高。依据研究结果，本文建议临床取较大跳跃间隙，有利于上颌前牙区SST种植系统应力合理分布，降低SST失败的风险。另外，根片外形边缘做圆角处理，且根片下缘尺寸不宜过小。

参考文献：[1]王谦,舒敬恒,孙庭晖等.不同跳跃间隙对前牙区盾构术种植系统的生物力学影响[J].医用生物力学,2023,38(03):594-600.DOI:10.16156/j.1004-7220.2023.03.025.

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