三維有限元牙釉質與牙髓不同材料屬性對牙周組織應力分布在臨床中的應用

葉　菲

三維有限元牙釉質與牙髓不同材料屬性對牙周組織應力分布在臨床中的應用

葉菲

三維有限元牙釉質與牙髓不同材料屬性對牙周組織應力分布在臨床中的應用。方法 選擇2012年1月至2013年12月接受種植義齒修復治療的患者368例，將所有患者隨機分為四組，比較兩種材料的應力分布、集中情況和四組種植體折斷情況。結果 四組種植體折斷率比較，差異有統計學意義（P＜0.05）。兩種全瓷材料修復時，種植體支持的全瓷冠、全瓷基臺和種植體周圍骨組織內的應力分布相似。兩種材料全瓷冠內部張應力、全瓷基臺內部張應力比較，差異有統計學意義（P＜0.05）；全瓷冠內部壓應力、全瓷基臺壓應力與骨組織等效應力比較，差異無統計學意義（P＞0.05）。結論 通過采用三維有限元模型分析不同材料屬性對牙周組織應力分布，可得出多種形式的受力情況下的牙體應力分布，提前預知牙體承載力的脆弱部位，避免臨床應用中牙體損壞等情況發生。

牙釉質 牙髓 牙周組織 應力分布 三維有限元模型

三維有限元法應力分析是生物力學研究中的重要手段之一，其將CT 掃描的一系列連續組織斷層圖像輸入計算機，經圖像處理后，顯示組織的三維結構，因此能更加真實、形象地再現組織的空間結構［1］，從而建立牙體、牙周組織三維幾何模型，為口腔醫學提供有效的信息。本文比較了三維有限元模型在牙釉質與牙髓不同材料屬性對牙周組織應力分布情況，現將結果報道如下。

1　臨床資料

1.1一般資料 選擇2012年1月至2013年12月在本院接受種植義齒修復治療的患者368例（共植入種植體788枚），其中男190例，女178例；年齡 28 ～60歲，平均年齡 （35.4±10.8）歲。種植體植入部位分別是上頜前牙區（144枚）、上頜后牙區（178枚）、下頜前牙區（198枚）、下頜后牙區（268枚）。

1.2方法 按隨機數字表將所有患者隨機分為氧化鋁組、氧化鋁聯合三維有限元組、Procera氧化鋯組和Procera氧化鋯聯合三維有限元組，各92例（種植體197枚）。氧化鋁組種植體模擬3i Certain PRE-VAILTM 4.0mm×11.5mm種植體，基臺模擬氧化鋁全瓷基臺，以鈦固定，采用全瓷單冠，核瓷最薄0.7mm，飾瓷面最薄0.3mm，以樹脂粘結劑粘固。氧化鋁聯合三維有限元組在氧化鋁組基礎上，采用三維有限元模型模擬不同材料牙周組織應力分布情況。Procera氧化鋯組植體模擬3i Certain PRE-VAILTM 4.0mm×11.5mm種植體，基臺模擬Procera氧化鋯全瓷基臺，以鈦固定，采用全瓷單冠，核瓷最薄0.7mm，飾瓷面最薄0.3mm，以樹脂粘結劑粘固，Procera氧化鋯聯合三維有限元組在Procera氧化鋯組基礎上采用三維有限元模型模擬應力分布，比較兩種材料的應力分布、集中情況和四組種植體折斷情況。四組患者年齡、性別、植入部位等一般資料比較，差異無統計學意義（P均＞0.05），具有可比性。

1.3三維有限元模型應力分布方法 樣本來源選擇1例牙列完整，咬合關系正常，且無明顯牙周疾患、無明顯牙體缺損或明顯磨耗的身體健康成年男性作為標準采集對象。樣本對象取仰臥位，抬高頦部，固定頭部，配戴用預先制作完成的咬合板，使其口微張，避免上下牙列接觸。采用SIEMENS SOMATOM Definition AS 64層螺旋CT行常規斷層掃描獲取口腔空間數據信息（頜骨和牙齒），使掃描截面盡可能與牙齒長軸垂直，自牙尖開始至上、下頜骨下緣做連續橫斷超薄掃描，層厚為0.5mm，二維掃描得到18幅斷層圖像。計算機中設置模型構建的層間距為0.5mm，采用Outline圖像處理軟件進行處理，因CT掃描圖像中的牙齒各層組織結構和每幅圖像的灰度值不同，構建以線條形式顯示的牙齒及其各層結構的二維斷層外形輪廓，之后采用Points軟件封閉牙齒各層組織的輪廓線條，并按方向及精確度確定各層組織部位的起始點，通過線條采用多個節點形式顯示。此時，去除構建模型不需要部分。將所有節點坐標圖形轉化為數據文件，導入Unigraphicsl6模具設計軟件中，按坐標將牙齒的不同部位和材料建立三維空間模型，將所有數據導入Mentat3.2有限元軟件［3］。見表1。

表1　各層結構與材料的屬性

1.4統計學方法 數據采用SPSS17.0統計軟件。計量資料以（±s）表示，采用t檢驗；計數資料用百分比表示，采用χ2檢驗，P＜0.05為差異有統計學意義。

2　結果

2.1四組種植體修復效果 見表2。

表2　四組種植體修復過程中折斷與損壞情況［n（%）］

2.2兩種材料牙周組織應力與集中部位 兩種全瓷材料修復時，種植體支持的全瓷冠、全瓷基臺和種植體周圍骨組織內的應力分布相似。兩種修復材料全瓷冠內部應力集中在近遠中頸部區域，全瓷基臺內部應力集中在腭側種植體-基臺連接處和基臺-冠連接處，骨組織內部應力集中在唇側頸部皮質骨。

2.3兩種材料種植義齒最大應力情況 見表3。

表3　不同材料和骨組織內部最大應力（±s）

表3　不同材料和骨組織內部最大應力（±s）

材料全瓷冠全瓷基臺骨組織張應力壓應力張應力壓應力等效應力氧化鋁50.28±3.825.47±0.8368.48±3.823.28±0.3689.38±2.03 Procera氧化鋯39.35±3.055.30±0.4564.28±2.043.27±0.2189.21±1.39 t值7.2480.3093.8470.0230.117 P值＜0.05＞0.05＜0.05＞0.05＞0.05

3　討論

三維有限元應力分析法能反映牙齒結構的各個部分，特別是牙周和及牙齒間的應力、應變和位移，其精確度受控于重建模型所模擬的真實狀態［2］。

本文通過采集志愿者的牙槽骨和牙齒標本參數構建了牙釉質、牙本質、牙髓、牙周膜及頜骨的皮質骨和松質骨的三維有限元模型，并根據牙釉質和牙髓不同材料屬性即各部分結構采用皮質骨、松質骨和修復材料屬性，分析了5種載荷方式（整體移動、壓力移動、旋轉移動、傾斜移動和轉矩移動）的不同組織和修復材料的組織最大Von-mises應力、拉應力和壓應力變化。最大Von-mises應力時反映物體承受破壞強度的應力，時材料力學種的綜合強度計算值，常可作為現實材料的屈服標準［3］；拉應力是指牙齒受力后產生的抵抗力使牙齒伸長和延伸的力量；壓應力時抵抗壓縮牙齒的力［3，4］。兩種修復材料最大Von-mises應力呈現傾斜移動時，牙根應力水平最高；在壓入移動時牙根應力最低。從力學角度出發，修復體發生破壞的原因是修復體在發揮其功能時材料內部產生的應力超過了材料所能承受的限度，因此研究不同材料屬性對牙周組織應力分布有利于提高種植體修復成功率。本文發現不同材料聯合三維有限元模擬牙周組織應力分布種植體折斷率均較低于未聯合組。

文獻［5～7］顯示牙頸部釉質產生應力的大小、方向和特征取決于加載方式，說明牙齒的應力值和集中區域與載荷方向密切相關。本文發現兩種全瓷材料修復時，種植體支持的全瓷冠、全瓷基臺和種植體周圍骨組織內的應力分布相似。兩種修復材料全瓷冠內部應力集中在近遠中頸部區域，全瓷基臺內部應力集中在腭側種植體-基臺連接處和基臺-冠連接處，骨組織內部應力集中在唇側頸部皮質骨，說明種植體內部的主應力分布相同，主要集中在冠的近遠中頸部區域，提示該區域可能是種植體易折斷部位，因此在設計過程中應適當加強以防止折裂。這與文獻［8，9］報道顯示牙齒受力時應力集中部位易出現結構破壞，牙齒易出現折斷或裂痕［10］的結論相類似。

本文中兩種材料全瓷冠內部張應力、全瓷基臺內部張應力比較，氧化鋁較Procera氧化鋯大，這與不同全瓷材料的機械性能不同有關，但最大張力不代表其修復時折斷的風險最大，應該結合材料本身的抗折強度和斷裂韌性整體考慮。種植體周圍骨組織內部的等效應力是影響種植體長期成功率的重要因素［11］，本文中發現不同全瓷材料修復時，骨組織內部的應力無顯著不同，提示氧化鋁與Procera氧化鋯修復不會對種植體周圍骨組織內部的應力產生不利影響。

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430012湖北省武漢市漢口醫院口腔科