植骨高度對種植體微動影響的三維有限元分析

袁佳　吳新中　張東霞　石小蘭

【摘要】 目的 探討人工骨高度改變對種植體微動的影響。方法 用三維有限元分析方法，分別對種植體模型施加200N垂直和斜向60°兩種方向的載荷，在Ⅲ類骨質(zhì)上植骨0-7 mm后進(jìn)行位移分析。結(jié)果 垂直載荷條件下，種植體頸部及末端的微動與人工骨高度成正相關(guān)；斜向載荷條件下，種植體頸部及末端的微動與人工骨高度基本成正相關(guān)；斜向載荷下種植體頸部及末端的微動遠(yuǎn)大于垂直載荷下產(chǎn)生的微動。結(jié)論 人工骨高度在一定范圍內(nèi)，植骨高度越高，種植體微動越大。在臨床設(shè)計(jì)種植方案時應(yīng)盡量減小或避免斜向載荷。

【關(guān)鍵詞】 牙種植體；Bio_Oss骨粉；微動；三維有限元分析

牙種植體動度是指牙種植體-骨界面在負(fù)荷作用下產(chǎn)生的各個方向的相對位移。它是種植體成功的主要標(biāo)志。通常在即刻負(fù)載中運(yùn)用的較多，以評價牙種植體是否可以在愈合期與周圍骨組織形成骨結(jié)合。種植體及其周圍骨組織在100%結(jié)合的狀態(tài)下，受到載荷力時仍會發(fā)生一定的位移和變形^[1]。本實(shí)驗(yàn)采用三維有限元分析方法，對種植體頜骨復(fù)合體施行靜載荷，分析Ⅲ類骨質(zhì)在不同植骨高度下，種植體的位移狀況，幫助評價植骨高度對種植體穩(wěn)定性的影響，為臨床植入種植體提供理論參考。

1 材料和方法

1.1 有限元模型的建立 利用ANSYS10.0有限元軟件繪制下頜骨立方骨塊：近遠(yuǎn)中10mm、高度15mm、頰舌向10 mm的立方骨塊，骨塊頰舌和上下4個外表面繪制Ⅲ類皮質(zhì)骨層，皮質(zhì)骨厚度為0.6-0.8mm^[2]。骨塊正中繪制出容納種植體的種植窩。種植窩直徑為3.5mm。模擬標(biāo)準(zhǔn)的ITI螺紋實(shí)心種植體，直徑為4.1mm，長度直徑為3.5mm的種植體窩，模擬標(biāo)準(zhǔn)的ITI螺紋實(shí)心種植體，直徑4.1mm，長度10mm，螺紋深度0.35mm，螺距1.25mm；上部結(jié)構(gòu)模擬高度5.5mm、錐度為6度的實(shí)心基臺，在種植體頸部模擬Bio-Oss成骨0、1、2、3、4、5、6、7mm，分別生成模型。密質(zhì)骨、松質(zhì)骨、純鈦、Bio-Oss成骨的彈性模量分別為13.7Gpa、1.37Gpa、103.4Gpa、11Gpa，泊松比分別為0.3、0.3、0.35、0.3。^[3-4]

1.2 單元和節(jié)點(diǎn)的生成 本實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆?gòu)建中整體結(jié)構(gòu)均采用三維實(shí)體單元處理。單元類型采用了8節(jié)點(diǎn)的六面體單元SOLID185，每個節(jié)點(diǎn)有三個方向的自由度，能很好地模擬牙體運(yùn)動，以幫助得到精確的分析結(jié)果。

1.3 實(shí)驗(yàn)條件的假設(shè) 假設(shè)模型中的各材料和組織為連續(xù)、均質(zhì)、各項(xiàng)同性的線彈性材料。下頜骨相對于矢狀面完全對稱。種植體與骨界面為完全的骨性結(jié)合，受力時各界面不產(chǎn)生相互滑動。將下頜骨后緣節(jié)點(diǎn)的自由度均予以剛性約束，阻止下頜骨剛性移動。

1.4 加載方式 分為垂直加載和側(cè)向加載：垂直加載與牙合平面呈90°；側(cè)向加載的角度與牙合平面成60°，加載方向由舌側(cè)向頰側(cè)加載力量為200N，平均分配到4個節(jié)點(diǎn)。

1.5 實(shí)驗(yàn)分組 通過植骨0-7mm，分別生成模型。按照垂直載荷和斜向60°載荷定義分別定義為M0、M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7和M0-60、M1-60、M2-60、M3-60、M4-60、M5-60、M6-60、M7-60。

2 結(jié) 果

在計(jì)算機(jī)上用ANSYS10.0軟件對各實(shí)驗(yàn)組施加靜載荷，分析垂直及斜向載荷200N工況下，種植體頸部及末端的總微動矢量。

垂直載荷條件下，種植體頸部及末端的微動與人工骨高度成正相關(guān)，分別波動于7.4-9.32μm、6.1-8.3μm；斜向載荷條件下，種植體頸部及末端的微動與人工骨高度基本成正相關(guān)，分別波動于55.6-108μm（6mm）-105.1μm（7mm）、13.4-43.8μm；斜向載荷下種植體頸部及末端的微動遠(yuǎn)大于垂直載荷下產(chǎn)生的微動。

3 討 論

以往種植體的微動集中在初期穩(wěn)定性的研究^[5-7]，如果種植體骨界面微動幅度大于100μm，間充質(zhì)細(xì)胞不向成骨細(xì)胞轉(zhuǎn)化，而形成纖維愈合。事實(shí)上，即使種植體植入后形成骨結(jié)合，仍不能排除由于微動帶來的損傷。研究發(fā)現(xiàn)，在接近骨破損極限的法向載荷下，隨著相對位移幅值的加大，皮質(zhì)骨的微動運(yùn)行狀態(tài)從部分滑移向完全滑移狀態(tài)轉(zhuǎn)變，骨接觸表面磨損損傷逐漸加重，最終導(dǎo)致骨質(zhì)吸收，種植體松動失效。

骨質(zhì)量對種植體的微動有著很大的影響。與以往的一些研究表明：隨著皮質(zhì)骨厚度的增大，種植體的微動減小。Cook^[8]等用三維有限法對植入下頜骨的種植體進(jìn)行力學(xué)分析研究，結(jié)果顯示，當(dāng)種植體周圍骨組織頰、舌側(cè)皮質(zhì)骨厚度減少50%時，種植體頂部位移增加50%，種植體中部位移增大30%，種植體的穩(wěn)定性與皮質(zhì)骨的厚度成正相關(guān)。蘭澤棟^[9]等用三維有限元方法，對分別種植于皮質(zhì)骨厚度為0.5mm、1.0mm、2.0mm頜骨模型中的種植體施加150g近遠(yuǎn)中方向的載荷，分析支抗種植體-骨界面應(yīng)力分布情況。發(fā)現(xiàn)三者種植體頸部的Von-Mises位移隨著皮質(zhì)骨的增厚逐漸減小，皮質(zhì)骨的厚度與界面骨的位移成反比。

而本實(shí)驗(yàn)評價指標(biāo)為種植體在三個方向的最大總微動矢量，所得到的結(jié)果與以往的研究不同。不同載荷條件下，種植體頸部及末端的微動均基本與Bio-Oss成骨的厚度成正相關(guān)。垂直載荷下種植體頸部的微動與Bio-Oss成骨的高度成正相關(guān)；斜向載荷下，種植體頸部的微動以M6-60的微動最大，為108um，當(dāng)Bio-Oss成骨為7mm時種植體頸部的微動又減小至101.5um。

種植術(shù)后，骨代用品與種植體及其臨近的皮質(zhì)骨會逐漸達(dá)到骨結(jié)合狀態(tài)，具有與骨組織相似的生理功能，理論上隨著人工骨的增厚，種植體的微動應(yīng)越來越低。本實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)陽性結(jié)果，可能由于成骨的增高，使力臂增長，產(chǎn)生的力矩作用就越明顯，導(dǎo)致種植體的微動越來越大。

載荷方向?qū)ΨN植體微動亦有顯著的影響。當(dāng)種植體受到近遠(yuǎn)中向、頰舌向作用時，種植體將以骨結(jié)合部的某個未知的點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)軸中心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，并產(chǎn)生彎曲變形，同時種植體-骨界面的骨組織也受到壓力隨之彎曲變形，種植體及骨組織產(chǎn)生彎矩^[10]。彎矩使種植體-骨-骨粉模型發(fā)生形變，導(dǎo)致微動增大。本實(shí)驗(yàn)中，垂直載荷下種植體-骨-人工骨模型僅受到壓力的作用，未產(chǎn)生彎矩的作用，故微動相對較小。而斜向載荷下，隨著成骨的增高，力臂增長，在斜向載荷下產(chǎn)生的彎矩就越明顯，導(dǎo)致種植體的微動越來越大。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)則體現(xiàn)在相同模型，斜向加載200N工況下，種植體頸部的微動是垂直載荷下的7.5-12.1倍，種植體末端的微動是垂直載荷下的2.2-5.3倍。軸向載荷有利于種植體的穩(wěn)定性。種植體在種植手術(shù)時要充分考慮種植體的植入角度、設(shè)計(jì)合理的上端修復(fù)結(jié)構(gòu)，盡量減小斜向載荷，保證種植體的穩(wěn)定性。

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