材料類型對上頜前磨牙MOD嵌體三維模型應(yīng)力分布的影響

陳度 丁虹 湯旭娜 陳強(qiáng) 孟翔峰

1.210008，南京大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬口腔醫(yī)院·南京市口腔醫(yī)院修復(fù)科，2.牙體牙髓病科；3.東南大學(xué)生物科學(xué)與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)室

經(jīng)過預(yù)備后牙齒的抗折裂性能比完整的牙體組織降低了59% ～76%［1］，且MOD嵌體的楔效應(yīng)會增加修復(fù)失敗的風(fēng)險(xiǎn)［2］。影響應(yīng)力分布的因素包括嵌體洞型、材料性能以及患者咬合力等［3］。本研究使用三維有限元方法分析不同類型材料修復(fù)上頜前磨牙MOD嵌體在不同加載區(qū)域下的應(yīng)力傳導(dǎo)及分布變化，為臨床上嵌體材料的合理選擇提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 材料選擇及軟硬件環(huán)境

嵌體材料：二硅酸鋰玻璃陶瓷（IPSe.max?CAD，義獲嘉偉瓦登特，列支敦士登）；白榴石加強(qiáng)長石質(zhì)玻璃陶瓷（Vita?Mark II，維他公司，德國）；切削型復(fù)合樹脂（LavaTMUltimate，3M公司，美國）；充填型光固化復(fù)合樹脂（FiltekTMZ250，3M公司，美國）。

軟硬件：NEWTOM VG CBCT（NEWTOM公司，意大利）；Mimics 17.0（Materialise公司，比利時(shí)）；Geomagic studio 13.0（Raindrop公司，美國）；Solid-Works2014、Abaqus6.13（Dassault公司，法國）；SPSS 22.0（IBM公司，美國）。

1.2 建立模型

選擇形態(tài)正常、無齲壞及裂紋的上頜前磨牙，將其CBCT數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics中進(jìn)行三維重建。MOD嵌體洞型要求：面洞深2.5 mm，軸壁高1.5 mm，齦壁寬1 mm，面洞寬為牙尖距離的1/2，齦壁的頰腭距離為牙尖距離的3/4，側(cè)壁外展約6°。使用Solidworks及Geomagic studio繪制MOD洞型嵌體修復(fù)的三維模型。復(fù)合樹脂水門汀粘固劑厚度為0.1 mm。釉牙骨質(zhì)界最低點(diǎn)下方1 mm根方的牙根均勻向外擴(kuò)展0.25 mm得到牙周膜，并建立牙槽骨模型。

1.3 網(wǎng)格劃分

將模型各部件獨(dú)立導(dǎo)入Abaqus中，分別進(jìn)行網(wǎng)格劃分后組裝（表1）。

圖1 上頜前磨牙及其MOD嵌體模型及加載區(qū)示意圖

1.4 邊界條件與實(shí)驗(yàn)假設(shè)

假設(shè)模型材料均為連續(xù)、均質(zhì)、各向同性的線彈性材料。在Abaqus中依次設(shè)置腭尖（加載區(qū)1），腭尖-嵌體結(jié)合部（加載區(qū)2），嵌體（加載區(qū)3）3個(gè)區(qū)域垂直于接觸面的靜力加載，大小為50 N。

紅色區(qū)域?yàn)榍扼w的應(yīng)力集中區(qū)，紅色節(jié)點(diǎn)數(shù)量（N值）反映了應(yīng)力集中的程度，箭頭表示最大Von-mises值（V值）。

1.5 統(tǒng)計(jì)方法

利用SPSS軟件對各加載區(qū)的最大Von-mises值與其對應(yīng)的材料彈性模量，以及紅色區(qū)域節(jié)點(diǎn)數(shù)量的平均數(shù)與材料泊松比進(jìn)行Pearson相關(guān)分析，P＜0.05具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

表1 有限元模型相關(guān)材料力學(xué)參數(shù)

2 結(jié) 果

對任一材料而言，嵌體應(yīng)力集中區(qū)域隨加載區(qū)域變化而改變。當(dāng)加載力位于腭尖（加載區(qū)1）時(shí)，嵌體應(yīng)力集中于腭側(cè)與釉牙本質(zhì)界相對應(yīng)的位置。而當(dāng)加載力位于腭尖-嵌體結(jié)合部（加載區(qū)2）以及嵌體（加載區(qū)3）上時(shí)，應(yīng)力集中于嵌體咬合面（圖2）。

圖2 咬合面觀下的4種材料嵌體在不同加載區(qū)域下的應(yīng)力分布圖

各加載區(qū)最大Von-mises值與相對應(yīng)嵌體材料的彈性模量成正相關(guān)（P＜0.05）。紅色區(qū)域節(jié)點(diǎn)數(shù)量的平均數(shù)與相對應(yīng)嵌體材料的泊松比成負(fù)相關(guān)（P＜0.05）。

表2 3個(gè)加載區(qū)域下的4種類型嵌體的最大Von-mises值（V值）和云紋圖中紅色節(jié)點(diǎn)數(shù)量（N值）

3 討 論

無論何種嵌體材料，當(dāng)作用力加載在腭尖時(shí)，嵌體咬合面應(yīng)力均勻且較小，而在嵌體與釉牙本質(zhì)界對應(yīng)的位置上出現(xiàn)應(yīng)力最大值，提示牙體組織在該區(qū)域出現(xiàn)折裂的可能性較大。相比于陶瓷材料，切削型復(fù)合樹脂嵌體的應(yīng)力集中區(qū)更接近冠方，提示切削型復(fù)合樹脂嵌體所產(chǎn)生的牙體折裂更接近冠方，二次修復(fù)的可能性更高。當(dāng)加載力作用于腭尖-嵌體結(jié)合部時(shí)，4種類型材料在該區(qū)域的紅色節(jié)點(diǎn)數(shù)量（N值）最高，提示該處是應(yīng)力集中度最高的區(qū)域，因此嵌體邊緣設(shè)計(jì)要避開咬合接觸區(qū)域。

有研究顯示全瓷嵌體能夠?qū)⒏嗟膽?yīng)力聚集于嵌體本身，而復(fù)合樹脂嵌體將更多的應(yīng)力傳遞到牙體組織上，增加剩余牙體折裂的風(fēng)險(xiǎn)，即彈性模量大的嵌體對剩余健康牙體組織保護(hù)能力更強(qiáng)［8］。在本研究中，加載力作用于嵌體上時(shí)，4種材料嵌體所產(chǎn)生的最大應(yīng)力與各組材料的彈性模量呈正相關(guān)，這提示陶瓷嵌體能夠更多地聚集應(yīng)力以保護(hù)牙體，但自身的脆性特點(diǎn)也不容忽視。因?yàn)橛袑W(xué)者發(fā)現(xiàn)前磨牙MOD陶瓷嵌體比復(fù)合樹脂嵌體更易折裂［9］。本研究同時(shí)發(fā)現(xiàn)，嵌體材料的彈性模量越大，嵌體與牙體結(jié)合處的最大Von-mises值越大。切削型復(fù)合樹脂嵌體由于其彈性模量適中，泊松比大，其應(yīng)力集中和分布更合理，從理論上可以更好地在保護(hù)剩余牙體組織的同時(shí)，兼顧對嵌體本身的保護(hù)以及防止粘接界面的破壞。