Ⅱ類骨質量下短種植體表面設計對骨界面應力分布的影響

劉樹發,衣紅梅

(佳木斯大學附屬口腔醫院頜面外科,黑龍江 佳木斯 154002)

一個成功的人工種植體應該和骨組織直接結合,形成良好的生物力學相容性,將咀嚼壓力均勻的分布到周圍骨組織,應力過大或過小,都無益于種植牙周圍骨組織的重建,都將導致種植牙的失敗。目前國內外關于種植體 (長度＞10mm)的生物力學方面研究很多,但是關于短種植體(長度＜10mm)的生物力學方面的研究還很少,尤其是長度≤ 7mm的短種植體。Hagi D等人[1]在2004年研究得出結論即要使長度≤7mm超短種植體成活,種植體表面的幾何形狀是一個很重要的因素。因此本實驗就采用三維有限元方法研究Ⅱ類骨質量下7mm長短種植體不同表面設計對種植體骨——界面應力分布的影響,從生物力學方面為短種植體的新產品開發和臨床設計提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 模型的建立與組裝

1.1.1 上頜骨后區模型的建立

采用螺旋 CT掃描正常成人頜骨,自上頜牙弓咬合平面開始至眶上緣做連續橫斷掃描 ,得到45幅二維 CT掃描斷層圖像。掃描參數設定為螺旋層厚1.5mm,床進速度1mm/s,球管電流與電壓125mA/120kV。圖像數據為 DICOM格式。將45幅 DICOM格式的顱頜部位的二維 CT掃描斷層圖像直接輸入到計算機3D-Doctor軟件中。描記上頜骨后牙區、上頜竇的輪廓位圖,自動生成 X、Y、Z軸三維坐標化數據,以word格式數據存入計算機。最后將 word格式坐標數據導入ABAQU S軟件中建立骨Ⅱ類骨質量(皮質骨厚度1.6mm,皮質骨彈性模量13Gpa,松質骨彈性模量5.5Gpa,皮質骨和松質骨泊松比均為0.3)[2,3]的上頜骨后牙區、上頜竇的三維有限元網格模型。

1.1.2 短種植體模型的建立

應用3D— Doctor軟件進行數據采集,具體數據如下:

種植體的定量:圓柱形;直徑為4.5mm;長度為 7.0mm。種植體的變量:表面設計如下:(1)三角型螺旋短種植體:螺距 0.8mm,齒高 0.4mm,寬度 0.2mm,螺紋頂角 30°。(2)支撐型螺旋短種植體:螺距0.8mm,齒高0.4mm,寬度 0.2mm,螺紋頂角 15°。(3)反支撐型螺旋短種植體:螺距 0.8mm,齒高0.4mm,寬度 0.2mm,螺紋頂角 15°。(4)鰭式非螺旋短種植體:齒距 0.8mm,齒高 0.4mm,寬度 0.2mm,頂角 15°。

圖1 種植體表面設計示意圖

在各種植體上模擬基臺高度為5mm,其上模擬2mm氧化鋯全瓷厚。最后將這4個模型分別導入 ABAQUS軟件中建立有限元網格模型(材料屬性見表1)。

最后將這4個模型分別導入 ABAQUS軟件中建立有限元網格模型并分別與Ⅱ類骨質量上頜后區模型進行組裝。

表1 種植材料屬性

1.2 單元與節點

模型用 10節點四面體和20節點六面體劃分,在種植體-骨界面進行細劃。模型分別由 51601～ 56768單元和71387～78241節點組成。

1.3 實驗條件假設

種植體各部件之間以及種植體與上部結構之間設定為完全精確吻合。各組織均為連續、各向同性、均質的線彈性材料。對骨塊的上邊緣和近遠中邊緣進行固定約束。骨-種植體界面設定為完全的骨整合,在載荷作用下二者無相對滑動。

1.4 加載條件[4]

(1)垂直載荷:方向與種植體長軸一致,由牙合方指向齦方,加載大小為200N。(2)側向載荷:方向與種植體長軸成45°,由腭側指向頰側,加載大小為100N。

1.5 分析方法

本研究采用 Altair Hyperview8.0軟件對結果進行計算分析。沿牙槽頰腭方向 ,通過種植體中心縱剖有限元模型,觀察各組模型的三維有限元應力分布云圖,得出各組模型的應力峰值數據。分析指標:(1)垂直、側向載荷下每種模型的應力分布特征;(2)皮質骨和松質骨 Von-Mises應力峰值。

2 結果

2.1 皮質骨的應力分布

在所有模型垂直加載時,皮質骨應力主要分布在種植體頸部周圍,呈環狀分布。側向加載時 ,皮質骨應力分布在種植體頸部頰腭兩側,其中頰側為主要應力區。在這兩種加載下,得出同樣結果即各種表面設計皮質骨 EQV應力云圖均相似。

2.2 松質骨的應力分布

在所有模型垂直加載時,松質骨應力主要集中分布在種植體頸部和根部的周圍骨組織。反支撐形、支撐形和鰭式設計均表現出較好的應力分布;側向加載時,松質骨應力主要集中在種植體頸部的頰腭側,且頰側大于腭側。各種表面設計松質骨 EQV應力云圖均相似。

2.3 EQV應力峰值

垂直加載時,鰭式非螺旋設計的松質骨 EQV應力峰值明顯低于其他三種設計;側向加載時,反支撐形螺旋設計松質骨 EQV應力峰值最小,但與支撐形螺旋設計和鰭式非螺旋設計沒有明顯差異;在這兩種加載下,V形螺旋設計皮質骨 EQV應力峰值最小,但是其松質骨 EQV應力峰值明顯大于其他三種表面設計,見表2。

表2 皮質骨和松質骨在200N垂直向和100N側向加載下的 EQV應力峰值(M Pa)

3 討論

本實驗研究目的是尋求短種植體表面設計對骨界面應力分布的影響,因而模型就以表面設計作為變量,其中不同表面設計的主要參數都完全一致。在建立模型時,以往人們在建模 CT掃描的標本選取上多采用經防腐處理的離體標本[5],其部分組織已受到破壞,其 CT掃描的數據結果跟實際相比較偏差較大。本研究是基于正常人活體 CT掃描,掃描的數據結果符合實際,獲得的信息全面、準確,并能反應較細致復雜的結構。然后采用數據采集精度高的3D-Doctor軟件讀取 CT掃描的原始 DICOM格式數據,最后應用網格處理精度高的 ABAQUS軟件進行精細的網格劃分,建立三維有限元模型。近幾年,多數臨床研究表明,短種植 (長 ＜10mm)的五年成活率可達95%以上,其中還包括長≤7mm的短種植體。2000年 Friberg B等人[6]研究 6～ 7mmBranemark短種植體安置在嚴重萎縮的下頜骨,五年累計存活率為95.5%;2007年 Ma ló P等人[7]研究結果顯示 7mmBranemark短種植體五年累計存活率為96.2%;ten Bruggenkate CM等人[8]對在6年間253顆6mm長 ITI短種植體進行1到7年的隨訪 ,結果有7顆種植失敗;San Diego CA(2006)和 Venuleo C等人[9](2008)對6mm×5.7mm Bicon短種植體都進行長期回顧性研究也得出了同樣的結論即6mm×5.7mm Bicon短種植體五年成活率達100%。以上所應用的 Branemark短種植和 ITI短種植表面設計均為螺紋設計,但是 Bicon短種植應用的是鰭式非螺旋設計,本實驗就對這兩種設計進行了比較研究。結果反支撐形和支撐形螺紋設計與鰭式非螺旋設計都表現出了較好的應力分布特征。通過以上結果和討論分析,得出以下結論:(1)皮質骨的應力分布趨勢和 EQV應力峰值不受短種植體表面設計的影響。(2)松質骨的應力分布趨勢和EQV應力峰值受短種植體表面設計的影響較大。(3)支撐形螺旋設計、反支撐形螺旋設計和鰭式非螺旋設計均適用于短種植體,應避免應用 V形螺旋表面設計。

[1]Hagi D,Deporter DA,Pilliar RM,et al.A targeted review of study outcomes with short(≤7mm)endosseous dental implants placed in partially edentulous patients[J].J Periodontol,2004,75(6):798-804

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