上颌前牙区不同种植修复体在不同咬合受力下的三维有限元分析

摘    要：

背景：在口腔种植修复治疗中，修复因素与咬合因素影响着植体内部结构及植体-骨界面处应力的分布，植体内部结构及植体-骨界面处应力分布是否平衡决定着种植体的长期寿命与周围骨质水平的稳定性。目的：探讨与分析二氧化锆全瓷冠与钴铬合金烤瓷冠修复体在3种咬合关系中对植体-骨界面处、种植体、修复基台、固位螺丝及修复体内部应力分布的影响。方法：参照1例上颌中切牙区行种植体植入修复患者的锥形束CT影像资料，运用Mimics17.0软件建立上颌中切牙种植修复体模型，分别构建二氧化锆全瓷冠与钴铬合金烤瓷冠两种三维有限元模型，模拟对刃合、正常合、深覆合3种咬合状况进行加载，分析在2种修复体与3种加载方式影响下种植体内部各结构与种植体-骨界面的应力分布情况。结果与结论：①在钴铬合金烤瓷冠组中，当咬合关系由对刃合转变为正常合及深覆合时，修复体咬合位点处应力相应增加，而修复基台、种植体边缘及植体-骨界面处的应力减小；正常咬合关系中固位螺丝处的应力较其他两种咬合方式更为集中，等效应力峰值更高。②在二氧化锆全瓷冠组中，当咬合关系由对刃合转变为正常合及深覆合时，修复基台、种植体及种植体-骨界面的应力峰值呈逐渐下降趋势；正常合时修复体咬合位点及固位螺丝处的应力峰值高于其他两种咬合关系。③对刃合时，钴铬合金烤瓷冠组修复体咬合位点处的等效应力峰值略高于二氧化锆全瓷冠组，修复基台、固位螺丝、种植体与种植体-骨界面的等效应力峰值略低于二氧化锆全瓷冠组；正常合时，钴铬合金烤瓷冠组种植体颈部处的等效应力峰值略高于二氧化锆全瓷冠组，修复体、修复基台、固位螺丝、种植体-骨界面的等效应力峰值略低于二氧化锆全瓷冠组；深覆合时，钴铬合金烤瓷冠组修复体咬合位点处及种植体颈部处的等效应力峰值均高于二氧化锆全瓷冠组，修复基台、固位螺丝、种植体-骨界面的等效应力峰值略低于二氧化锆全瓷冠组。④结果表明，咬合关系与上部修复体的不同影响着应力在种植修复体各结构及植体-骨界面的分布，此结论或许能为种植修复体远期并发症的预测提供参考依据。

关键词：种植修复体;前牙美学区;咬合;修复体;生物力学;应力;三维有限元;咬合力;有限元分析;组织工程;

0引言Introduction

口腔种植牙技术经过近几十年的发展其成功率已得到极大提高，已被广泛应用于各类口腔牙列缺损与牙列缺失的修复治疗当中，但目前该治疗方法仍存在不足，尤其是种植修复后出现的近远期相关并发症极大地影响着种植体的远期成功率与患者满意度。种植体植入后与骨界面形成骨结合，咬合力通过修复体传导至种植体并分散于周围牙槽骨当中，当应力过大或过于集中时，一方面会导致种植体部分结构发生应力疲劳从而致使其断裂，另一方面则会因应力过于集中于牙槽骨中的某一区域而加剧种植体周骨质的流失，故生物力学因素决定着种植体在口腔中的长期稳定存在[1,2]。修复体因素与咬合力因素是影响种植体远期预后的重要影响因素。有研究表明，上部修复体的不同会导致种植修复体内部结构及植体-骨界面应力分布的差异，由于上部修复体材料在弹性模量等材料性质方面存在着差异，故在加载不同方向及大小的合力时，种植修复体内部结构及种植体-骨界面处应力的分布也会发生改变，从而导致种植体的微动[3,4]。也有学者发现在不同弹性模量修复体材料内部的应力分布存在差异的同时，似乎也会改变种植体对基台和植体-骨界面处的应力的大小，故不同材料之间的应力值差异在某种程度上可归因于不同材料弹性模量的差异[5,6]。目前，二氧化锆全瓷冠与钴铬合金烤瓷冠为临床中最为常见的种植修复类型，但二者在材料性质、生物相容性、美学恢复等方面均存在差异[7,8,9]，此种差异在受不同载荷方式的影响时表现出的方式或许也存在不同，而咬合力通过修复体、基台与种植体传导至骨界面时，两种修复体(以同类型种植体及修复基台支持)在受不同咬合类型导致的不同载荷时，植体内部结构以及种植体-骨界面的应力分布是否存在着差异，对此问题也少有研究报道。因此，研究通过建立相关三维有限元模型，对以同一类型植体与修复基台支持的两种修复体，在3种咬合方式影响下的种植修复体内部结构及植体-骨界面处的应力分布情况进行对比分析，以期为临床中种植体结构的改善、修复体的选择及咬合类型的设计提供生物力学理论参考。

1 材料和方法Materials and methods

1.1 设计

三维有限元建模。

1.2 时间及地点

实验于2018年3至6月在新疆医科大学第二附属医院口腔科及乌鲁 木齐大为创新信息科技有限责任公司完成。

1.3 材料

选择1例于新疆医科大学第二附属医院口腔科行上颌中切牙区种植体植入并完成相关修复的患者资料为建模素材，患者骨质无缺损，植体类型为3.3×12 BL NC种植体(表1)，上部修复体为粘接固位，患者对此次研究知情同意。

1.4 方法

1.4.1 资料的采集

该例患者的锥形束CT影像学资料均由德国Siron Galileos口腔三维体层X射线影像系统进行扫描采集，共获得401张影像dicom格式文件，层厚0.2 mm，层长0.2 mm。

1.4.2 颌骨三维模型的建立

通过采集相关人体组织数据，在Mimics17.0软件中通过建立不同的Mask层分别建立牙槽骨的数据区域，通过Edit Masks编辑工具分别对牙槽骨所在层逐层处理，擦除多余部分，保留需要的结构，使用Calculate Part功能建立牙槽骨的三角面片几何模型，保存为STL格式。通过Geomagics studio逆向工程软件导入STL格式文件，对初步模型进行降噪与光顺化处理，使用偏置功能对牙槽骨进行向内均匀偏置1.5 mm，获得骨松质模型，使用布尔操作获得骨皮质模型，同时为获得顺滑的NURBS曲面对骨皮质、骨松质进行精修曲面等处理，最终获取各部分三维实体模型，导出为step格式保存。

1.4.3 三维模型的建立

种植体、修复基台、固位螺丝、上部修复体是通过NX8.5三维设计建立的。使用卡尺工具测绘种植体、修复基台、固位螺丝的外形尺寸，同时参考产品的技术参数文档与影像学数据，在NX软件中使用草图工具分别建立修复体、种植体、修复基台、固位螺丝的截面草图，通过拉伸、旋转等命令建立各部件的三维模型。使用布尔运算获得修复体和基台的装配结构之后，在修复体和基台之间建立厚度为70µm的黏结剂模型，最终实现种植牙三维模型的建立。把建立好的种植修复体模型与牙槽骨进行相互关系的调整，使用装配功能，移动、旋转种植牙模型，调整其在牙槽骨中的位置，使用布尔操作去除部分牙槽骨，使种植修复体和牙槽骨有面接触，完成实验模型的建立。将已建立好的几何模型导入到ANSYS Workbench软件中，定义模型属性后根据四面体单元的体网络标准对分析模型各部分采用四面体、十节点单元划分，曲率变化较大的区域则采用手工划分方式建立三维有限元模型，见图1。划分结果：钴铬合金烤瓷冠修复种植体总结点数184 294，总单元数106 470；二氧化锆全瓷冠修复种植体总结点数177 555，总单元数103 212。

1.4.4 实验假设及边界约束

实验分析均基于线弹性力学理论，假设此次实验的材料均为线性、弹性、同性、连续性的弹性材料，种植体、修复基台、螺钉之间采用摩擦接触，摩擦系数为0.3[10]，种植体和颌骨为完全骨结合，修复基台与单冠之间均为固定接触，见图2。同时实验均采用静态载荷，将载荷设定为200 N，根据不同类型咬合关系将载荷部位设置于冠修复体腭侧颈部1/3中点、腭侧切段1/3中点、切缘正中点，分别于与牙长轴呈45°夹角进行加载。与实验有关组织和材料的物理参数见表2。

1.5 主要观察指标

观察研究6种组合情况下有限元模型中，植体-骨界面、种植体、修复基台、固位螺丝以及两种不同上部修复体的力学性能，得出种植体-骨界面、种植体、修复基台、固位螺丝以及两种不同上部修复体的等效应力峰值与张力峰值及相关云图，分析描述6种模型中各个部位的应力分布情况。

2 结果Results

2.1 不同咬合关系对相同种植修复体及种植体-骨界面应力分布的影响

见表3,4。

在钴铬合金烤瓷冠组中，随着咬合关系的改变，种植修复体内部结构及植体-骨界面处应力分布情况也在发生变化，即随着对刃合、正常合、深覆合关系的改变，修复体咬合位点处应力大小相应增加，而修复基台、种植体边缘及植体-骨界面处的应力大小却明显减小，同时在正常咬合关系中，固位螺丝处的应力状况相较于其他两种咬合方式应力更为集中，等效应力峰值更高，见图3-5。在二氧化锆全瓷冠组中，修复体咬合位点及固位螺丝在正常咬合状况时的应力峰值高于其他两种咬合关系，但随着咬合关系由对刃合转变为正常合及深覆合时，应力峰值在修复基台、种植体及植体-骨界面中的大小呈逐渐下降趋势，见图6-8。

2.2 不同修复体对相同咬合关系中种植修复体及种植体-骨界面应力分布的影响

对刃合关系时，钴铬合金烤瓷冠组修复体咬合位点处的等效应力峰值略高于二氧化锆全瓷冠组，修复基台、固位螺丝、种植体与种植体-骨界面的等效应力峰值略低于二氧化锆全瓷冠组，其中在固位螺丝处的应力峰值差异尤为明显；正常合关系时，钴铬合金烤瓷冠组种植体颈部处的等效应力峰值略高于二氧化锆全瓷冠组，修复体、修复基台、固位螺丝、种植体-骨界面的等效应力峰值略低于二氧化锆全瓷冠组，其中在固位螺丝处的应力峰值差异尤为明显；深覆合关系时，钴铬合金烤瓷冠组修复体咬合位点处及种植体颈部处的等效应力峰值均高于二氧化锆全瓷冠组，修复基台、固位螺丝、种植体-骨界面的等效应力峰值略低于二氧化锆全瓷冠组，其中在固位螺丝处的应力峰值差异尤为明显，见表3,4。

3 讨论Discussion

牙种植是指为支持义齿修复的上部结构，运用外科手段在上颌或下颌颌骨内植入人工材料设计的装置[16]，从而恢复患者牙列美观外形及咬合功能的一种治疗方法，同时种植体也为一种传递咬合力的装置，是实现骨结合与力传导的基本生物保障，这就要求种植修复体在有良好的生物相容性的同时，也应具有良好的生物力学性能。力在种植修复体中良好的传导能够转移种植体冠部界面、植体内结构及周围骨组织中的应力集中，减小种植体内部各结构及植体-骨界面处的应力，从而达到应力分布的平衡、减少种植体内部结构断裂及稳定种植体周围骨组织的目的，故力在种植体中良好的传递往往决定着种植体在口腔中的长期稳定性与骨组织中的良好生物力学反应。但不同于天然牙体通过牙周韧带悬挂于牙槽窝中的特殊结构，种植体通过骨结合直接与自体骨产生紧密连接，所以种植牙与天然牙在受力时所表现出的方式会有所不同，而这种差异性恰恰在研究种植体生物力学性能方面有着重要意义[17]。

然而在临床中观察此种生物力学行为均较为困难，故实验方法的选择尤为重要，其中应力相关分析方法是观察和评价种植体和周围骨在不同加载条件时各类结构受力状况的关键，目前三维有限元分析法已被广泛应用于研究观察种植修复体相关结构及周围骨组织的力学行为当中，同时近年来随着此技术的进步，临床上不可能观察到的应力分布情况，即可通过在微观尺度上模拟复杂结构得以进一步观察，并以此分析研究对象各部结构的相关受力情况，对相关风险进行评估。实验即通过此种方法建立了两种不同种植修复体模型，观察其在3种咬合关系中种植修复体内部各结构及周围骨组织中的应力分布及大小。实验发现在相同咬合关系时，上部修复体因素对修复体、修复基台、种植体颈部与植体骨界面处的等效应力峰值影响不明显，但对固位螺丝体部等效应力值的影响较为明显，即在相同咬合状况下二氧化锆全瓷冠组在此处的等效应力峰值大于钴铬合金烤瓷冠组。同时实验还发现随咬合类型由对刃合、正常合向深覆合的转变，两种种植修复体在修复体、修复基台、种植体颈部与种植体-骨界面处的等效应力峰值均逐渐下降，但在正常咬合时两种种植修复体在固位螺丝处的等效应力值均大于其他两种咬合类型。

临床中上部修复体作为接受载荷的起始接触点，修复体的力学性能影响着力在基台-种植体-骨界面传导过程中的有效传递及分布[18]，其中钴铬合金烤瓷冠与二氧化锆全瓷冠作为临床中较常采用的种植修复方式，二者的生物力学性能受到了广泛关注。钴铬合金烤瓷冠因其强度足够、固位稳定及价格合适的优势在临床中得到了大量运用[19,20]，目前其与二氧化锆全瓷冠相比仍存在如美学性能欠佳、生物相容性不够理想、牙龈刺 激性、促进炎症发展等不足[21]，而且两种修复体在冠内的应力力分布情况存在着差异[22]。然而却有研究表明，种植修复体上部结构的改变对种植体-骨界面处应力状况改变并不明显[23]，且远期生存率无明显差异[24]；但也有学者认为选择高强度上部修复体可减少种植修复体相关结构的断裂[25]。以上观点与此次实验得出的结论也较为一致，但咬合力因素的改变仍会影响力在种植体-骨界面处的分布与平衡。

种植修复体在受过大合力时由于缺乏天然牙周膜的感知与保护功能，易承载过大合力[26]。研究发现种植体在应对轴向作用力时，对周围骨组织的压应力较侧向力时更小，导致对单侧骨质应力集中更少，而前牙区骨质承受的多为侧向力，应力更集中于一侧，所以前牙区种植体有着更高的因应力因素而发生骨质流失的风险[27,28]；与此同时，角度基台在前牙区的使用也将增加此类风险发生的概率。有研究发现非倾斜种植体在受轴向或侧向载荷时，随着基台角度的增加种植体周围骨组织中的应力分布趋于集中的同时，骨组织中的应力值也在相应增加[29]，虽然此种情况下种植体周骨组织可通过自身代谢修复种植体周由轻微咬合力造成的骨吸收，但长期以往仍会导致种植体边缘骨质水平的不稳定[30]。故在倡导以修复为导向种植的今天，应避免角度基台的使用或尽量减少基台角度，避免载荷方式在角度因素影响下的种植修复体内部结构及植体-骨界面处应力不平衡[31]。

在临床中影响载荷方式的因素包括咬合方式的不同，目前相关研究发现修复体内部应力峰值大小在正常咬合关系时受材料影响不明显，但在深覆合时受材料影响较大[32]。在后牙区与钴铬合金烤瓷冠相比，由于二氧化锆全瓷冠的弹性模量与刚度较低，在长期受轴向力负荷时，一部分的合力直接作用于其表面，减少了骨界面所承受力的大小[33,34]。但由于此次实验条件设置的特殊性，即为侧向力负荷的前牙区的不同类型种植修复体，所得结果与以往研究产生了些许差异，即在任何一种咬合状况下，上部修复体因素对种植修复体内各结构与骨组织界面的应力状况影响不大，但二氧化锆全瓷冠组在固位螺丝唇侧体部处的等效应力值却大于钴铬合金烤瓷冠组。根据材料力学理论，不论是任何应力状态，应力值越大处破坏的可能性越大，故该结果或许能够提示二氧化锆全瓷冠修复者在前牙区受到侧向力时或许有着更高的固位螺丝折断风险。在临床中，固位螺丝松动乃至折断的相关机械并发症也较为多见，引起此类机械并发症的原因也较多，多数原因可归结于固位方式、材料性质与咬合习惯等方面[35,36,37]，其中此类并发症于受侧向力的单冠修复种植体中更为常见，尤其在前牙区窄颈种植修复体中更为多见[38]。当此类并发症出现时虽可通过相关方法进行再修复，但此情况的出现仍会极大地影响种植修复体的成功率与患者满意度[39,40]，这也与此次实验所得结论较为一致。故在临床中植体基台与种植体上部结构的选择、咬合设计、过度负重的避免与定期随访等相关因素，决定着种植修复体在口腔中的长期稳定存在[41,42]。实验结果或许在某种程度上能够提示不同咬合方式及修复因素带来的相关远期风险，为排除风险因素以提高种植体的远期成功率及减少相关机械并发症的发生提供参考依据，但仍需相关临床研究验证此假设的可行性。

参考文献：[1]安尼卡尔·安尼瓦尔,帕丽黛姆·图尔迪,阿迪力·麦木提敏等.上颌前牙区不同种植修复体在不同咬合受力下的三维有限元分析[J].中国组织工程研究,2020,24(16):2531-2536.

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