雙重大連接體式與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)RPD支架及支持組織受力的三維有限元分析

[摘要]目的：基于已建立的上頜單端游離缺失及整鑄義齒的三維有限元模型，比較雙重大連接體與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的義齒基牙及支持組織在加載時(shí)的受力。方法：在已建立的有限元模型上賦予不同組織及支架相應(yīng)的力學(xué)參數(shù)，在約束設(shè)計(jì)和載荷設(shè)定下，通過三維有限元軟件獲得兩種不同設(shè)計(jì)各個(gè)基牙的受力分布。結(jié)果：兩種設(shè)計(jì)比較，主要受力基牙雙重大連接體受力明顯小于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，支持組織分擔(dān)了一部分力。結(jié)論：雙重大連接體設(shè)計(jì)對于游離端基牙及牙周情況不良時(shí)有明顯優(yōu)勢。

[關(guān)鍵詞]可摘局部義齒；有限元法；雙重大連接體

[中圖分類號(hào)]R783 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A [文章編號(hào)]1008-6455（2012）02-0279-04

可摘局部義齒是目前臨床上修復(fù)缺失牙時(shí)的一種常見的修復(fù)方法。在修復(fù)牙列缺損，尤其是游離端缺失且游離端基牙牙周狀況不良的情況時(shí)，若采用目前的常規(guī)大連接體設(shè)計(jì)，會(huì)出現(xiàn)包括功能恢復(fù)不良、基牙牙周癥狀加重，甚至脫落、余留牙牙周問題等修復(fù)效果不佳的表現(xiàn)。這些結(jié)果與修復(fù)的原則相違背，因此在對可摘局部義齒進(jìn)行不斷的改良設(shè)計(jì)后，由美國學(xué)者Dr Knapp[1]提出了雙重大連接體設(shè)計(jì)，從生物力學(xué)角度出發(fā)，利用Vitallium支架優(yōu)良的物理性能，采用分裂式支架設(shè)計(jì)，改變傳統(tǒng)義齒受力方式，使咬合力分散到整個(gè)支架。此時(shí)粘膜和牙周的支持分開，咬合力沿支架可移動(dòng)部分線性增加（力矩減少），Ⅲ杠桿原理使基牙受力減少，且可移動(dòng)部分受力后下沉，可存儲(chǔ)部分能量。因此牙齒只是在引導(dǎo)基托而不是支持基托，極大程度上減少了基牙受到的扭力，達(dá)到保護(hù)基牙的目的。目前尚未見有關(guān)于該設(shè)計(jì)的生物力學(xué)分析報(bào)道[2]。本研究通過CT、Mimics、Catia三維重建技術(shù)建立上頜包括頜骨、牙列、牙周膜、粘膜及義齒的整體數(shù)字化模型，并引入各種不同組織的力學(xué)參數(shù)，經(jīng)Ansys軟件分析對比該設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)支架及牙周支持組織的受力分布情況，從理論上分析該設(shè)計(jì)相對于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)勢。

1 材料和方法

1.1樣本來源：在臨床上選取一名上頜單側(cè)牙列游離缺失，余牙完整，無任何顱面組織缺損的的健康男性志愿者作為上頜牙列、頜骨、牙周膜、軟硬組織等的CT影像數(shù)據(jù)的來源。同時(shí)在標(biāo)準(zhǔn)模型上分別制作26、27缺失的單一大連接體支架式可摘局部義齒[3]及雙重大連接體式可摘局部義齒。利用Mimics軟件，Catia軟件和ANSYS13.0三維有限元專用軟件等技術(shù)完成其三維有限元模型的建立（如圖1～3）。

1.2單元的劃分：利用Ansys軟件的自動(dòng)單元?jiǎng)澐止δ軐δＰ瓦M(jìn)行整體劃分，使單元自動(dòng)得到優(yōu)化。選用四面體網(wǎng)格： 支架網(wǎng)格大小為0.55mm，牙槽骨網(wǎng)格大小為1.5mm，牙齒網(wǎng)格大小為1.5mm，劃分結(jié)果如下

1.3 載荷和約束條件：①載荷：在兩顆人工牙上分別加載100N的力[4]，方向?yàn)榕c牙合平面垂直和與牙長軸成45°（由頰側(cè)向舌側(cè)[5]）；②約束：兩種設(shè)計(jì)均為各個(gè)卡環(huán)及支托在各個(gè)方向上位移為0.缺牙區(qū)部分支架在受力后有1.5mm的下沉（為黏膜的厚度[6]）；③材料屬性：本實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭邪ü墙M織、Vtallium、牙齒、人工牙、牙周膜等不同組織成分。材料的生物力學(xué)屬性見表2。

1.4分析部位及指標(biāo)[14]：觀測兩種不同設(shè)計(jì)支架、基牙、缺牙區(qū)牙槽嵴，記錄上述部件的應(yīng)力分布和大小。

2 結(jié)果

2.1兩種不同設(shè)計(jì)的支架在不同載荷條件下的受力情況：①垂直加載條下兩種不同類型設(shè)計(jì)支架的受力分布：在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，支架受力不均衡，在后顎桿偏缺牙區(qū)有明顯的應(yīng)力集中（如圖7）；雙重大連接體設(shè)計(jì)時(shí)在垂直加載的情況下支架活動(dòng)部分受力由缺牙區(qū)向?qū)?cè)呈遞減的趨勢，各個(gè)區(qū)域內(nèi)受力均勻，沒有明顯的應(yīng)力集中（如圖8）。②45°斜向加載條件下兩種不同類型設(shè)計(jì)支架的受力分布：傳統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，在斜向加載的條件下，受力分布極其不均勻，在后顎桿和缺牙區(qū)出現(xiàn)多個(gè)應(yīng)力集中的部位；看出在斜向加載時(shí)雙重大連接體支架的受力分布同垂直加載時(shí)，呈現(xiàn)遞減趨勢，沒有明顯的應(yīng)力集中部位。

2.2兩種不同設(shè)計(jì)的支架在不同載荷條件下缺牙區(qū)牙槽嵴受力分布：兩種不同設(shè)計(jì)在不同加載方式時(shí)缺牙區(qū)牙槽嵴的受力分布均較為均勻，沒有明顯的應(yīng)力集中點(diǎn)。

3 討論

3.1 支架受力分析中可以看到作為雙重大連接體的設(shè)計(jì)隨著向固定部分的推移受力大小呈現(xiàn)遞減趨勢，說明活動(dòng)部分在受力時(shí)有明顯的下沉（垂直向的移動(dòng)），這就要求材料具有良好的抗折裂性和較好的回彈性（金屬的記憶性），所以筆者在臨床上做雙重大連接體設(shè)計(jì)時(shí)在材料的選擇上要十分謹(jǐn)慎。同時(shí)也可以看出雙重大連接體設(shè)計(jì)較之傳統(tǒng)設(shè)計(jì)支架在力的傳導(dǎo)、力的分散及儲(chǔ)存等方面有一定的優(yōu)勢。

3.2 缺牙區(qū)牙槽嵴受力分析中，結(jié)果顯示兩種設(shè)計(jì)不同加載方式時(shí)缺牙區(qū)牙槽嵴的受力分布比較均勻，且沒有明顯的應(yīng)力集中。這與預(yù)期的結(jié)果大不相同，此時(shí)考慮的因素有首先約束條件設(shè)定的問題，可摘局部義齒由于部件多而復(fù)雜且涉及到諸多的接觸問題，如卡環(huán)的環(huán)抱、牙合支托的接觸、支架與支持組織及牙齒的接觸問題等，所以在約束設(shè)定時(shí)做了一些簡化，可能導(dǎo)致結(jié)果與預(yù)期相悖；其次，支架的剛性問題，剛性支架在受力時(shí)，雖然設(shè)定了缺牙區(qū)支架下沉，但是在支架受力時(shí)主要體現(xiàn)還是支架本身內(nèi)部拉應(yīng)力的傳導(dǎo)和變化，且表現(xiàn)為頰舌向（水平向）的變化為主?；谝陨蟽煞矫嬖诮窈蟮膶?shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中可以進(jìn)行一些約束條件的改變，從而得到更為準(zhǔn)確的限定，尤其是可以在體外實(shí)驗(yàn)是測量缺牙區(qū)牙槽嵴的受力。然后改變約束條件后得到與體外實(shí)驗(yàn)相符的限定條件，為實(shí)驗(yàn)的真實(shí)性提供更為精準(zhǔn)的基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

4.1雙重大連接體設(shè)計(jì)較之傳統(tǒng)設(shè)計(jì)對游離端基牙有明顯的保護(hù)作用，所以在臨床應(yīng)用中可作為游離端缺失或者游離端基牙牙周條件不良情況時(shí)的首選支架設(shè)計(jì)方式。

4.2從材料性能上看，雙重大連接體設(shè)計(jì)需要材料的物理性能良好，尤其是彈性、回彈性、抗折裂性和抗變形性等方面要比較突出，才能滿足該設(shè)計(jì)的要求。

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[收稿日期]2012-11-03 [修回日期]2012-12-06

編輯/何志斌