骨替代材料修復牙槽骨缺損的有限元分析

方煒 馬偉群 陳軍 羅震 楊柳青

（1 南方醫科大學口腔醫院頜面外科門診 廣東 廣州 510280）

（2 廣州市婦女兒童醫療中心口腔科 廣東 廣州 510623）

牙槽嵴吸收主要表現在牙槽嵴垂直高度的降低和水平寬度的減小。在拔牙后的前6 個月吸收速度最快，牙槽嵴骨水平寬度平均減少2.9% ～63%，骨垂直高度降低11% ～22%。臨床可采用的治療策略包括引導骨再生、塊狀骨移植、牙槽嵴劈開或牽張成骨[1]。引導骨再生技術指的是通過植入膜和移植材料為骨缺損提供修復的空間和促進骨組織再生[2]。已有眾多研究證明引導骨再生技術可有效促進骨缺損再生，已成功運用在臨床治療中。但眾所周知垂直向骨缺損比水平向骨缺損的治療更具有難度[3-5]。由于口腔這一特殊環境，垂直向骨缺損再生失敗的主要原因是咀嚼壓力過大，導致膜和移植材料所維持的成骨空間塌陷。

但目前未見相關文獻分析咀嚼壓力作用下，頜骨內骨替代材料的力學分布。因此本研究設計一種固定鈦膜的鈦種植體，利用三維有限元分析其支撐和分散頜骨內咀嚼壓力，并研究顆粒狀骨替代材料在骨缺損區的移位和力學分布。

1. 材料和方法

1.1 實驗模型

用ABAQUS 軟件繪制簡化的下頜骨缺損局部梯形骨塊模型，總高20mm，近遠中方向為23mm，頰舌方向為8mm，皮質骨厚2mm，分別在頰、舌、上三個方向包繞松質骨。骨缺損區域深度8mm，近遠中方向為7mm，頰舌方向為8mm，頰舌側骨壁缺失。該簡化模型排除周圍組織和神經肌肉系統。本實驗模型的每個構件認為線性彈性并為均勻。

實驗共設計三組模型，A 為下頜骨缺損骨塊模型，骨缺損區域充填顆粒狀骨替代材料；B 為下頜骨缺損骨塊模型，骨缺損區域充填顆粒狀骨替代材料，鈦膜覆蓋缺損區域；C 為下頜骨缺損骨塊模型，骨缺損區域充填顆粒狀骨替代材料，鈦種植體植入骨缺損區域固定支持鈦膜。

1.2 材料性能及負載條件

皮質骨和松質骨(II 類骨) 的楊氏模量為13700MPa 和1370MPa，泊松比均為0.3。顆粒骨替代材料的楊氏模量為365MPa，泊松比為0.2。鈦膜、鈦帽和鈦種植體的楊氏模量為103400MPa，泊松比均為0.35。在三組模型相同位置，均勻加載垂直向力200N，負載力面積相等（D=5mm）。

2. 結果

3.1 應力分布

整體模型中，A 模型Mises 應力最大值位于顆粒狀骨替代材料中，呈弧形塌陷。A 模型顆粒狀骨替代材料Mises 應力最大值為8.042MPa，B 模型顆粒狀骨替代材料Mises 應力最大值為8.009MPa，C 模型顆粒狀骨替代材料Mises 應力最大值2.612MPa，位于負載作用面的正下方，呈弧形塌陷，位于顆粒狀骨替代材料中。B、C 模型Mises 應力最大值分別位于鈦膜和鈦種植體。B模型顆粒狀骨替代材料Mises 應力最大值為8.009MPa。C 模型顆粒狀骨替代材料Mises 應力最大值2.612MPa，降幅為67.52%，位于與種植體中部連接處。B 模型應力集中的區域分布在鈦膜負載作用面的中心處，Mises 應力最大值1114MPa，C 模型應力集中區域位于種植體內部中心軸，Mises 應力最大值1525MPa，鈦帽和鈦種植體連接處Mises 應力最大值17.02MP。

2.2 討論

生物力學是植入物成功和穩定的重要考慮因素之一，特別在口腔這一復雜環境，植入物受到來自頰部、舌部肌肉和咀嚼力等多方面應力影響[6]。有限元分析具有許多優勢，給予適當的條件和已知物理性質，排除不相關的實驗外部因素，可用于研究復雜幾何結構或各種材料組成的物體三維整體的應力分布、方向、應力大小和移位[7]。植入物的成功取決于外力是如何分布到周圍的骨組織[8]。本研究中鈦種植體固定鈦膜為植入顆粒骨維持空間，達到“帳篷效應”，當垂直向力作用通過種植體有效傳遞到松質骨。三組模型對比，模型頜骨內應力集中位置從植入物- 皮質骨- 松質骨接觸界面轉移到皮質骨- 松質骨接觸界面。模型中顆粒狀骨替代材料Mises 應力最大值，下降幅度也是相當明顯。

需要注意的是，在本研究中的模型是均勻和線性彈性，這不一定在臨床實踐中存在，而且在實際臨床中存在許多不確定性，如顆粒狀骨替代材料隨壓力和時間推移，其密度也變化；皮質骨和松質骨條件隨個體變化等因素。本研究的目的是提供一個生物力學原理，為臨床治療作參考。

3. 結論

根據本研究結果，所測試的鈦種植體固定鈦膜足夠支撐和增強植入顆粒狀骨替代材料的穩定。實驗結論需要進一步在后期動物和臨床研究必須中確認。本次研究提示在臨床骨缺損植入手術中需考慮應力在植入物的分布，減少植入物的微動，以增加手術成功。