Replace內、外連接方式種植體-基臺內部的應力分析

蘭晶 徐欣 姜廣水 管延錦 黃海云 梁晉 馬曉妮

（1.山東大學口腔醫院 種植中心，山東省口腔生物醫學重點實驗室；2.山東大學 材料科學與工程學院，濟南 250012）

隨著口腔種植技術的飛速發展，種植義齒以其明顯的優越性逐漸成為修復牙列缺損、牙列缺失的常規手段，同時高成功率也是廣大患者接受種植義齒的重要原因之一[1-2]。影響種植義齒成功率的因素很多，機械并發癥就是其中的主要因素之一。種植體和基臺內部的結構設計恰當與否和機械并發癥的發生率有直接關系。臨床上使用的種植系統很多，每種種植系統的結構都不盡相同，其種植體與基臺的接連方式多種多樣，歸納起來主要分為兩大類：內連接和外連接[3-4]。本研究選擇Replace External Hex種植體（外連接）和Replace Select種植體（內連接）進行種植體-基臺內部的應力對比分析，以期為臨床種植體受力情況和遠期療效提供參考。

1 材料和方法

1.1 材料

Replace External Hex系統（Nobel Bicare公司，瑞典）種植體為仿根型的圓錐狀，表面有螺紋。種植體-基臺的連接方式為外連接，即種植體冠方向外突出1mm，其幾何形態為外六方結構，具有較好的抵抗側向力和抗旋轉作用。兩者是通過施加一定預負荷的中心螺絲連接固定。

Replace Select系統（Nobel Bicare公司，瑞典）種植體形態同Replace External Hex系統。種植體-基臺的連接方式為內連接，即基臺根方向外突出，種植體冠方向內凹入。種植體凹入部分與基臺突出部分吻合，基臺突出部分的底部為圓柱狀，近齦端軸面有3個半圓形突起，起定位和抗旋轉作用。種植體和基臺是通過施加一定預負荷的中心螺絲連接固定。

Unigraphics（簡稱UG）軟件，具有三維實體建模、裝配建模等功能，能生成直觀可視的數字虛擬產品。MSC.Marc/Mentat為非線性有限元分析軟件。

1.2 模型幾何尺寸和材料參數

用螺旋測微器（千分尺）測量Replace External Hex系統和Replace Select系統的種植體（直徑4.3mm、長度13mm）、基臺及中心螺絲。

商業純鈦（CP Ti）的性能參數由公司提供。純鈦為各向同性材料，它的性能參數：楊氏模量為96GPa；抗拉強度為240～550MPa；撓曲強度為170～485MPa；疲勞極限為240MPa；泊松比0.34。

選取一具34、35、36和37缺失的成人下頜骨實體標本，缺牙區牙槽骨無明顯吸收。人體下頜骨屬于各向異性材料，其性能參數：皮質骨和松質骨的楊氏模量分別為13 700、1 370MPa；泊松比均為0.3。

1.3 三維有限元模型的建立和處理

1.3.1 下頜骨三維計算機輔助設計（computer aided design，CAD）模型的建立和處理 利用螺旋CT對缺牙區進行掃描，掃描體位為垂直于局部下頜骨邊緣。選取其中一個斷面，將圖像剪貼到二維CAD軟件，根據CT圖片的斷面輪廓描出光滑的截面曲線，并按一定比例將截面曲線放大到下頜骨截面的實際尺寸。根據下頜骨的結構，考慮皮質骨和松質骨的不同組織和性能，假定皮質骨（2mm）為包裹在松質骨外側且厚度均勻的一層組織。利用UG軟件組成下頜骨的三維實體模型。

1.3.2 種植系統三維CAD模型的建立和處理 根據實際測量的Replace External Hex系統和Replace Select系統的尺寸，在UGⅡ軟件中分別建立基臺、種植體、中心螺絲的三維CAD模型，然后利用UGⅡ軟件的裝配功能將各零件依據它們相互之間的裝配關系，建立種植系統的三維裝配圖，從而構建了2種種植系統的三維CAD模型。

1.3.3 植入下頜骨的種植系統的三維CAD模型的建立 根據所建立的下頜骨、種植系統的三維CAD模型，利用UGⅡ中布爾運算的subtract（差集）功能，建立植入下頜骨的種植系統的三維CAD模型。

1.3.4 有限元網格離散 離散時采用四面體三維實體單元，而且離散時由于下頜骨（包括皮質骨和松質骨）、種植體、基臺、中心螺絲分別為5個不同的實體，離散時考慮各實體界面處的網格協調。

1.3.5 多體接觸的處理 整個種植系統由下頜骨（包括皮質骨和松質骨）、種植體、基臺、中心螺絲多部分組成。各部分之間靠定義相互接觸關系來確定承載時各部分之間載荷的傳遞。確定各實體相互之間的摩擦系數為0.3，由于螺絲的緊固作用，使種植體、基臺之間產生了相互作用的壓緊力，分析時取螺絲的預緊力大小為100N（根據臨床預負荷為35N·cm計算得出）。

1.4 分析條件假設

模型材料和組織假設為連續、均質、各向同性的線彈性材料；材料受力變形為小變形；種植體-骨界面為100%骨整合，受力后不發生相對位移。

1.5 載荷及邊界條件

對模型施加面約束，即固定牙槽骨的第一截面和最后截面進行約束，施加完約束后，對模型施加載荷，進行有限元分析求解。將外載荷施加于基臺頂部，形式取為軸向和30°側向（由頰側斜向舌側）；綜合相關文獻資料及臨床實踐，取軸向力為200N，30°側向力為100N[5]。

根據臨床實際情況，中心螺絲預負荷為35N·cm，在計算模型中，中心螺絲的預負荷以均勻面載荷的形式施加到螺絲頭，節點數見表1。

表1 外接式和內接式三維有限元模型的節點數和單元數Tab 1 Data of nodes and unions of three-dimensional finite element model in outside conjunction and inside conjunction

2 結果

2.1 Replace External Hex種植體-基臺內部的應力分布特征

軸向加載時可看出應力主要集中在種植體與基臺接觸平面、與螺絲下部接觸區、頸部狹窄處，但應力值基本在30MPa以下；種植體的外六方部分沒有應力集中現象（圖1、2A）。30°側向加載時應力主要集中于加載側的螺絲頭部，應力值在65 MPa以上，種植體上部（外六方體、植體基臺接觸平面、頸部狹窄處、與螺絲下部接觸區）應力集中也比較明顯，應力值在30MPa（圖2B、3）。30°側向加載時種植體內部結構的應力值高于軸向加載，提示臨床修復時應避免產生過大的側向力，以防出現種植體破壞現象。種植體的中心螺絲應力集中均不明顯。

2.2 Replace Select種植體-基臺界面的應力分布特征

軸向加載時應力主要集中在種植體頸部狹窄處和種植體與基臺的接觸平面，頸部狹窄處為應力最集中處，插入體和螺絲中下部應力集中不明顯。種植體內部應力值高于Replace External Hex種植體的應力值（圖2C、4）。30°側向加載時應力集中于非加載側的種植體頸部狹窄處和螺絲頭部，應力值都在60MPa以上，種植體與基臺接觸平面的應力在30MPa以上，插入體和螺絲下部的應力值在20MPa（圖2D、5）。30°側向加載時種植體內部結構的應力值高于軸向加載，提示臨床修復時應避免產生過大的側向力，以防出現種植體破壞現象。種植體的中心螺絲應力集中均不明顯。

3 討論

3.1 三維模型的建模及施力特點

本研究建模的特點是實體建模，采用螺旋CT掃描下頜骨缺牙區，所形成的CT圖像為垂直于下頜骨邊緣的頜骨縱向剖面圖像，能清晰地反映下頜骨高度、寬度、下牙槽神經的位置及皮質骨和松質骨的厚度，將此圖像進行平滑處理和截面拉伸處理，得到部分下頜骨的三維模型。種植體、基臺和中心螺絲三維模型主要是依靠測量真實種植體等各部分的數據，輸入至計算機內，利用UG軟件的強大圖形處理功能建立逼真的圖像。由于中心螺絲的螺紋非常細小，很難將其網格化，即使勉強網格化后，分析時容易出現穿透現象，出錯率增高，影響結果的真實性，所以，2種結構的中心螺絲均未加螺紋，保證結果的可比性，但仍按實際情況在螺絲上加載一定的預負荷。就本研究所關心的問題而言，各模型的建立具有模擬真實性，在各模型簡化條件相同的情況下，進行影響因素的研究時，其他相關因素保持不變[5]。

3.2 應力分布特點

本研究2種結構相比較，Replace External Hex種植體內部應力值均明顯小于Replace Select種植體。軸向加載時Replace External Hex種植體的應力主要集中在種植體頸部狹窄處和種植體基臺的接觸平面，側向加載時應力主要集中在加載側的種植體頸部狹窄處、種植體基臺接觸平面和外六方體，而且應力值明顯高于軸向加載時，提示在臨床上應避免或盡量減小側向力，防止出現個別部位的應力集中，使種植體-基臺結構的穩定性受到影響。Replace Select種植體軸向加載和側向加載時的應力都非常明顯地集中在種植體頸部狹窄處，根據力學原理，機械疲勞最易發生在應力集中區及其附近區域，所以受力過大可能更容易導致種植體折斷，使種植義齒完全失敗。

平面接觸式的種植體和基臺不論是何種結構形式都必須通過中心螺絲連接固位，因此螺絲的作用是很關鍵的。種植常見的并發癥就是中心螺絲松動，當咬合力超過中心螺絲的屈服強度時，螺絲發生變形，螺紋之間不再緊密接觸，這使螺絲的預負荷降低，基臺與種植體接觸的緊密程度也隨之降低，同時咬合力會進一步加劇螺絲松動、變形甚至折斷。本研究的結果表明Replace External Hex和Replace Select系統的2種螺絲應力值均不大（除與基臺接觸的螺絲頭部，因為此處是預負荷直接加載處），螺絲下部有應力集中趨勢但不明顯，提示2種種植體的結構均不易導致中心螺絲松動、折斷。同時三維有限元的分析結果與筆者臨床實踐結果相符。

[1]Sones AD.Complications with osseointegrated implants[J].J Prosthet Dent,1989,62（5）：581-585.

[2]Kirsch A,Ackermann KL.The IMZ osteointegrated implant system[J].Dent Clin North Am,1989,33（4）：733-791.

[3]王少安,巢永烈.種植體-基樁（臺）界面結構的研究[J].國外醫學口腔醫學分冊,2001,28（5）：283-285.Wang Shaoan,Chao Yonglie.Research of implant-abutment interface structure[J].Foreign Medical Sciences（Stomatology）,2001,28（5）：283-285.

[4]湯春波,韓科,周延民.植入體-基臺連接結構的設計與研究[J].口腔頜面修復學雜志,2002,3（1）：61-63.Tang Chunbo,Han Ke,Zhou Yanmin.Design and research of implant-abutment conjection structure[J].Chin J Prosthodont,2002,3（1）：61-63.

[5]蘭晶,徐欣,姜廣水,等.2種接連方式種植體的骨界面應力分析[J].華西口腔醫學雜志,2008,26（4）：443-447.Lan Jing,Xu Xin,Jiang Guangshui,et al.Three-dimensional finite element analysis of bone surface stress of two kinds of conjunction implant[J].West China J Stomatol,2008,26（4）：443-447.

[6]趙靜輝,周延民,李春艷.種植體螺紋位置對應力分布影響的有限元研究[J].華西口腔醫學雜志,2008,26（6）：584-587.Zhao Jinghui,Zhou Yanmin,Li Chunyan.Finite element analysis of the effects of implant thread locations on stress distribution[J].West China J Stomatol,2008,26（6）：584-587.