去除折斷種植體部件時(shí)種植體的三維有限元熱力學(xué)分析

賀龍龍，王 淼，王婉蓉，李 哲，常曉峰

（西安交通大學(xué)口腔醫(yī)院種植科 陜西 西安 710004）

種植體的機(jī)械并發(fā)癥包括種植體折斷、種植體中央螺絲折斷和基臺(tái)折斷等。種植體折斷對(duì)于種植醫(yī)生是一件非常棘手的事情，大部分需要外科取出。種植體折斷在臨床中發(fā)生率不高，5年發(fā)生率為4%[1]，最常發(fā)生的是中央螺絲折斷（8.5%）和基臺(tái)折斷（5.5%）[2]。種植體部件的折斷通常發(fā)生在過(guò)度的軸向力，水平負(fù)荷，功能性活動(dòng)（咀嚼）或者非功能性活動(dòng)（如：磨牙）時(shí)[3-6]。在一些病例中，折斷部件可以通過(guò)探針或其他器械取出，但是大多數(shù)病例折斷的中央螺絲不能被取出。臨床中常使用高速手機(jī)或超聲器械去研磨折斷部件，這些操作都會(huì)產(chǎn)生大量的熱。

鈦是很好的熱傳導(dǎo)材料，在使用高速手機(jī)打磨鈦基臺(tái)、中央螺絲時(shí)，很可能會(huì)造成種植體周圍骨的熱損傷，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)損傷骨結(jié)合[7-9]，而骨結(jié)合又是種植修復(fù)成功的先決條件[10]。目前被廣泛認(rèn)可的一種理論是：造成骨壞死的臨界溫度為47℃持續(xù)1min[11]。考慮到種植體熱傳導(dǎo)的重要性和高溫導(dǎo)致骨損傷的可能，本文采用三維有限元（Finite Element Method，F(xiàn)EM）的方法分析種植體和其周圍牙槽骨的熱分布情況，以期為臨床醫(yī)生操作提供理論依據(jù)并為種植體-骨熱力學(xué)分析提供參考。

1 材料和方法

1.1 模型建立：三維有限元分析由模型建立，數(shù)值計(jì)算和結(jié)果后處理三部分組成。本文中種植體-下頜骨模型是通過(guò)將CBCT圖像導(dǎo)入至MIMICS10.01軟件中建立實(shí)體模型[12-13]。使用UG8.0軟件，在種植體-下頜骨模型的基礎(chǔ)上，對(duì)種植體模型細(xì)化來(lái)模擬兩種不同的臨床情況（見(jiàn)圖1）。模型I，種植體去除中央螺絲,選用中央螺絲底面為加熱面，仿真打磨中央螺絲時(shí)產(chǎn)熱最多部位的熱傳導(dǎo)情況；模型Ⅱ，種植體安裝覆蓋螺絲，仿真打磨種植體或基臺(tái)時(shí)的熱傳導(dǎo)。種植體為4.1mm×10mm的Strauman軟組織水平種植體。在此模型中，下頜骨區(qū)分密質(zhì)骨和松質(zhì)骨。用ANSYS17.0對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并局部加密種植體及種植體周圍的骨質(zhì)（見(jiàn)圖2）。模型I共由492 995點(diǎn)和2 722 336和非四面體組成，模型Ⅱ共由108 974點(diǎn)和6 250 573非四面體組成。熱傳導(dǎo)分析在ANSYS17.0的CFD模塊進(jìn)行。在數(shù)值計(jì)算結(jié)束之后使用CFD-POST（ANSYS17.0）軟件進(jìn)行后處理和提取數(shù)據(jù)。

圖1 種植體模型（I、I I）

1.2 材料屬性：此實(shí)驗(yàn)中所有的部件被假設(shè)為均勻、獨(dú)立的不受溫度依賴的材料。此分析中所使用的材料特性見(jiàn)表1。

1.3 熱載荷條件：兩個(gè)模型中加熱面是不同的。在模型I中，加熱面被定義為中央螺絲孔的底面（見(jiàn)圖1 Model I）；在模型Ⅱ中，加熱面被定義為種植體覆蓋螺絲的表面（見(jiàn)圖1 ModelⅡ）。熱載荷（Ts）施加于加熱面上。熱載荷為恒溫，分別為50℃,60℃,70℃,80℃,90℃,100℃持續(xù)加熱10s[9,16]。從口腔中向種植體交換的熱能（q）可以從以下公式得到：

圖2 模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，局部加密種植體及種植體周圍的骨質(zhì)

表1 有關(guān)熱力學(xué)參數(shù)[1]

在這里h是傳熱系數(shù)約等于500J/(m2s℃)[15]，A是加熱面。暴露于口腔的界面均設(shè)置為二類邊界條件。在本文中，筆者假設(shè)熱的傳導(dǎo)只通過(guò)種植體到骨，軟組織不計(jì)入其內(nèi)。整個(gè)模型的初始溫度設(shè)置為人體溫度37℃。

2 結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)中選取種植體表面三個(gè)點(diǎn)的溫度來(lái)評(píng)估種植體周圍的溫度分布[12，16]。這三個(gè)點(diǎn)分別為種植體頸1/3與骨交界面（P1），中1/3與骨交界面（P2），根1/3與骨交界面（P3）[15]（見(jiàn)圖3）。當(dāng)向種植體加熱面施加熱載荷時(shí)這三個(gè)點(diǎn)代表著種植體周圍骨溫度的變化。P點(diǎn)在10s中達(dá)到的最大溫度和到達(dá)47℃時(shí)間見(jiàn)表2、表3。

2.1 模型I：當(dāng)加載溫度為50℃時(shí)，P1、P2、P3最大溫度分別為42.9℃、40.5℃和39.4℃；在加載時(shí)間內(nèi)，溫度沒(méi)有超過(guò)47℃。當(dāng)延長(zhǎng)加載時(shí)間至5min時(shí)，種植體周圍的溫度平穩(wěn)在43.9℃。當(dāng)加載溫度為60℃、70℃時(shí)，P1到達(dá)47℃分別出現(xiàn)在8s、2s；P2、P3點(diǎn)的溫度在10s內(nèi)沒(méi)有到達(dá)臨界溫度47℃。當(dāng)加載溫度90℃、100℃時(shí)，P1點(diǎn)的溫度約在1s時(shí)到達(dá)47℃，P2、P3約在4s、8s時(shí)到達(dá)。

2.2 模型Ⅱ：當(dāng)加載溫度為50℃時(shí)，P1、P2、P3最大溫度分別為44.1℃、42.7℃和41.5℃；在加載時(shí)間內(nèi)，溫度沒(méi)有超過(guò)47℃。當(dāng)延長(zhǎng)加載時(shí)間至5min時(shí)，種植體周圍的溫度平穩(wěn)在44.7℃。當(dāng)加載溫度為60℃時(shí)，P1、P2到達(dá)47℃分別出現(xiàn)在2.5s、9s；當(dāng)加載溫度為70℃時(shí)，P1、P2、P3均到達(dá)47℃，分別出現(xiàn)在1S、3.5s和7.5s；當(dāng)加載溫度80℃、90℃、100℃時(shí)，P1點(diǎn)的溫度約在不到1s時(shí)已到達(dá)47℃，P2、P3約在1s、3s時(shí)到達(dá)。

表2 模型I中最大溫度及到達(dá)47℃時(shí)間

表3 模型Ⅱ中最大溫度及到達(dá)47℃時(shí)間

圖3 種植體及周圍區(qū)域的溫度分布云圖及P1、P2、P3點(diǎn)的分布

3 討論

機(jī)械并發(fā)癥是種植體失敗和拔除的主要原因之一。臨床醫(yī)生都希望在取出斷裂部件時(shí)不要損傷周圍牙槽骨，因?yàn)檫@會(huì)影響種植體的穩(wěn)定性。在Meisberger[8]的體外實(shí)驗(yàn)中，研究了使用超聲器械取出種植體折斷部件時(shí)種植體溫度分布的情況。在本研究中，筆者用種植體-下頜骨的三維模型研究使用高速手機(jī)打磨斷裂部件時(shí)種植體周圍牙槽骨溫度分布的情況。

有限元分析結(jié)果顯示，不管是打磨種植體、基臺(tái)，還是中央螺絲時(shí)，種植體熱傳導(dǎo)很快，周圍骨在10s之內(nèi)就可以到達(dá)骨損傷的臨界溫度，也就意味著很容易形成骨的熱損傷。當(dāng)筆者在水冷卻不充分的情況下打磨種植體的折斷中央螺絲時(shí)（即模型I中加載溫度60℃、70℃、80℃、90℃、100℃），溫度上升非常快，在10s內(nèi)增加了7.1℃、12.0℃、18.0℃、23.4℃、28.9℃，最大溫度均超過(guò)骨損傷的臨界溫度47℃。隨著加載溫度的升高，到達(dá)47℃的時(shí)間也變的更短。這個(gè)結(jié)果提示我們?cè)跊](méi)有水冷卻時(shí)，高速手機(jī)打磨種植體部件應(yīng)該是被禁止的，打磨時(shí)間只需要1s種植體周圍溫度即會(huì)到達(dá)損傷溫度。在研磨時(shí)有足夠的水冷卻時(shí)（即加載溫度為50℃）[9,16]，種植體周圍的最大溫度和平穩(wěn)溫度均小于臨界溫度。Gabay等[17]在體外實(shí)驗(yàn)中使用高速手機(jī)調(diào)磨一段式種植體時(shí)，在無(wú)水冷卻時(shí)種植體周圍溫度在（5.73±1.16）s時(shí)到達(dá)47℃，到達(dá)之后溫度還會(huì)上升一段時(shí)間至最大溫度，但是在水冷卻的環(huán)境下，溫度均小于47℃。與模型I相比，模型Ⅱ的溫度上升相對(duì)較快，最高溫度主要集中在頸部（P1）。臨床中研磨種植體或基臺(tái)時(shí)，較打磨中央螺絲也更容易得到足夠的水冷卻。當(dāng)有足夠的水冷卻時(shí)（即模型Ⅱ中加載溫度為50℃時(shí)），種植體周圍的最高溫度和平穩(wěn)溫度均小于損傷臨界溫度，也就是說(shuō)研磨種植體或者調(diào)磨基臺(tái)都是安全的。基于溫度上升較快但易得到足夠多的水冷卻，研磨種植體和基臺(tái)造成骨熱損傷的風(fēng)險(xiǎn)較打磨中央螺絲低。但是從到達(dá)47℃的時(shí)間我們可以看出，間斷調(diào)磨的原則仍需要堅(jiān)持。

目前，已有各種器械去處理種植的機(jī)械并發(fā)癥，不管是折斷的種植體、基臺(tái)或是中央螺絲。通常情況下，在確定剩余部分的位置時(shí)，大家可以嘗試?yán)脤Ｓ闷餍的鏁r(shí)針取出。另外，文獻(xiàn)報(bào)道超聲和化學(xué)液體亦可以有效取出殘余斷裂部分，但是也會(huì)有損傷內(nèi)部結(jié)構(gòu)和過(guò)度產(chǎn)熱的風(fēng)險(xiǎn)[7-8]。本文研究結(jié)果表明，使用高速手機(jī)或超聲打磨折斷種植體部件是一個(gè)非常危險(xiǎn)的操作，尤其是無(wú)法保證水冷卻的情況下。因此，建議臨床醫(yī)生應(yīng)謹(jǐn)慎選擇此種方式，使用時(shí)要有有效的水冷卻，同時(shí)筆者也推薦使用額外的冷凍生理鹽水冷卻。在臨床操作中，使用高速手機(jī)或超聲打磨時(shí)，患者會(huì)感到疼痛。結(jié)合本實(shí)驗(yàn)，筆者認(rèn)為產(chǎn)熱是造成疼痛的主要原因。這也提示臨床醫(yī)生，在打磨時(shí)不要使用麻醉，以免掩蓋過(guò)度產(chǎn)熱導(dǎo)致患者疼痛這個(gè)重要信息。

本文利用兩個(gè)模型來(lái)模擬臨床中處理種植體機(jī)械并發(fā)癥時(shí)可能造成的熱損傷及熱傳導(dǎo)的形式。對(duì)于臨床醫(yī)生在打磨種植體、基臺(tái)、中央螺絲時(shí)的方式有一定參考意義，并給以后種植體熱力學(xué)研究提供參考。然而三維有限元仍有很多局限性，例如忽略了許多臨床因素及軟組織的反應(yīng)。

4 結(jié)論

種植的機(jī)械并發(fā)癥對(duì)臨床醫(yī)生而言是非常棘手的事情。通過(guò)該實(shí)驗(yàn)可以得出結(jié)論，使用高速手機(jī)打磨種植體折斷部件是一件高危險(xiǎn)性的操作，尤其是在打磨中央螺絲時(shí)。當(dāng)打磨時(shí)沒(méi)有足夠的水冷卻，只需要幾秒鐘種植體周圍牙槽骨就可以到達(dá)骨損傷臨界溫度。臨床醫(yī)生必須謹(jǐn)慎選擇此操作方式，應(yīng)間斷研磨，并且建議不要給予局部麻醉以免掩蓋操作溫度過(guò)高時(shí)患者的自覺(jué)癥狀。

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