碳納米管改性高聚乙烯抗菌緩沖層對種植體應力分布影響的三維有限元分析

呂川 鄭勝 張帥*

種植體及中央螺栓的折斷是臨床中常見的種植體并發癥，主要原因是種植體骨結合是剛性連接，無類似天然牙的牙周韌帶起緩沖作用［1］。大量研究試圖模擬牙周韌帶的力學作用，然而，由于設計在種植體表的涂層易干擾種植體與頜骨的結合，且易引發軟組織炎癥，從而未能成功建立。本研究分別在基臺、中央螺栓頸部制作碳納米管改性高聚乙烯載銀涂層，進行三維有限元應力分析，探討在其表面增加緩沖層后，是否可以顯著降低種植體各部分及周圍骨組織所受應力。

1 資料與方法

1.1 設計 實驗流程設計見圖1。

圖1 碳納米管改性高聚乙烯抗菌緩沖層對種植體應力分布影響的三維有限元分析流程圖

1.2 材料 由醫院提供的CT掃描數據DICOM文件（研究對象：36 歲成年女性志愿者1 名，身高163 cm，體質量55 kg，頜骨結構正常，且無骨折情況，獲倫理委員會批準后，簽署知情同意書，拍攝口腔正側位，雙斜位，動力位X 線片，已排除口腔畸形和破壞等病理性病變，從而獲取到下頜骨磨牙區域的正常CT 數據）。

1.3 設備及軟件 Mimics16.0 軟件，Geomagic Studio2014 軟 件，Pro/E5.0 軟 件，Hypermesh13.0 軟件，MSC.Patran/Nastran2012 軟件，CT 掃描采用GE Lightspeed 64 排螺旋CT 機，層厚0.293 mm。

1.4 方法 （1）種植體幾何模型CT 重建：采用Mimics16.0 軟件提取采集的CT 數據，重建出下頜骨第一磨牙區域的頜骨結構模型，并導出結構STL 文件。其次，對STL 進行修補、降噪及曲面化，逆向完成頜骨結構STP 文件，且設定皮質骨厚度為2 mm，將皮質骨和松質骨進行分離，在Pro/E5.0 軟件中組裝頜骨皮質骨和松質骨對應的幾何實體模型。參考文獻［2-6］中種植體各部分的尺寸參數，通過SolidWorks 軟件對其種植體、中央螺栓、緩沖體、墊圈、基臺、第一磨牙的牙冠進行三維建模，并與下頜骨的皮質骨和松質骨進行布爾運算，其中皮質骨厚度設置2 mm、中央螺栓與基臺間的墊圈厚度設置1 mm、基臺與種植體間的緩沖體厚度設置為0.5mm；種植體長9 mm、外徑3.6 mm、內徑2 mm。將幾何模型三維重建流程及模型逆向處理，處理好的下頜骨皮質骨、松質骨、第一磨牙牙冠、種植體、基臺、中央螺栓、緩沖體等結構三維幾何實體模型，并導入MSC.Patran 軟件中，見圖2-3。（2）有限元網格的劃分及模型分組：將種植體結構幾何模型進行網格劃分，導出文件，最終在MSC.Patran/Nastran2012 軟件中進行有限元網格二次處理和其他網格特性賦值，完成種植體有限元網格模型，種植體、頜骨等實體結構均采用實體單元網格，共計85,155 個節點（Nodes）、473144 個網格單元（TetMesh Tet4 Element）；種植體與牙槽骨間模擬骨結合條件，結構間采用綁定連接，確保受力正常傳遞，見圖4-7。根據緩沖層所在位置不同，分為四種工況：①基臺與種植體間無緩沖層，中央螺栓與基臺間無緩沖層；②基臺與種植體間無緩沖層，中央螺栓與基臺之間有緩沖層；③基臺與種植體間有緩沖層，中央螺栓與基臺之間無緩沖層；④基臺與種植體間有緩沖層，中央螺栓與基臺間有緩沖層。（3）材料參數的設定及邊界條件的假定：參考國內外已發表的研究數據［7-9］，牙冠、牙槽骨、緩沖體、種植體等各結構材料參數，見表1。對種植體有限元模型進行邊界條件和計算參數定義：①將牙槽骨底部完全固定約束，遠中、近中斷面的法向位移約束，不限制其他方向運動約束；②由于骨結構組織材料的復雜性以及受材料實驗條件的限制，為理論計算的需要，通常會對材料屬性做出一定的假設，假定下頜骨結構為各向同性、均勻、連續的線彈性材料；③假定種植體與頜骨的結構交界面處不產生相對滑動；④緩沖體單元類似于硅橡膠特性，定義為超彈性材料；⑤在牙冠處施加動態荷載（垂直向200 N，水平向100 N，45°，沖擊速度44.9 mm/s），沿中央螺絲軸線方向施加5N 預緊力，預先固定連接種植體系統各個部件，分析四種不同計算工況下的種植體及牙槽骨等結構的生物力學特性。（4）種植體有限元仿真及生物力學：對四種工況進行生物力學有限元仿真模擬，分別得出下頜牙槽骨及種植體各部分對應的Von Mises 等效應力云圖，見圖8。（5）數據匯總及對比分析：將上述計算結果數據匯總于下表中，并通過繪制柱狀圖來對比四種計算工況下種植體及下頜骨槽骨近遠中、頰舌側對應的Von Mises 等效應力云圖，并換算出相對基臺無緩沖、中央螺栓無緩沖的各結構應力增量百分比情況，見圖9 和表2。

表1 種植牙各結構組織材料參數表

表2 種植體及下頜骨近遠中、頰舌側的應力峰值表（MPa）

圖2 下頜骨左側第一磨牙槽骨結構CT重建

圖3 種植體三維幾何實體模型

圖4 整體有限元網格模型（左圖：實體效果，右圖：消影效果）

圖5 第一磨牙處頜骨槽骨有限元網格模型（內：松質骨，外：皮質骨）

圖6 種植體有限元網格模型

圖7 局部網格模型細節展示

圖8 基臺無緩沖、中央螺栓無緩沖對應的結構應力云圖（MPa）

圖9 種植體及下頜骨槽骨近遠中、頰舌側、種植體等結構應力對比圖

2 結果

2.1 下頜牙槽骨的應力分析 舌側和頰側出現較近中、遠中、舌頰側明顯的應力集中現象，其中頰側受力要比舌側大；遠中與近中的應力峰值相近，且小于舌側和頰側。隨著基臺、中央螺栓處逐漸增加緩沖體，導致種植體振動沖擊效應減弱，從而直接影響到種植體及頜骨槽骨周圍的應力變化，且呈現應力減少的趨勢，當基臺無緩沖、中央螺栓無緩沖時，頜骨槽骨的應力峰值約34.6～121.0 MPa，種植體的應力峰值約123 MPa；當基臺與中央螺栓處全部設置緩沖體時，頜骨頰側、舌側、遠中、近中等位置處的應力峰值均達到最小，當基臺有緩沖、中央螺栓有緩沖時，下頜牙槽骨的應力峰值約13.3～49.9 MPa，種植體的應力峰值約47.5 MPa。相對基臺無緩沖、中央螺栓無緩沖情況，在基臺、中央螺栓均設置緩沖體后頜骨舌頰側應力減少約58%，頜骨近遠中應力減少了約62%，種植體應力減少了約61%。

2.2 種植體的應力分析 基臺有緩沖、中央螺栓無緩沖比基臺無緩沖、中央螺栓有緩沖的效果好，基臺有緩沖、中央螺栓無緩沖比基臺無緩沖、中央螺栓有緩沖對頜骨舌頰側應力減少約18%，頜骨近遠中應力減少約22%，種植體應力減少約26%。當基臺無緩沖、中央螺栓無緩沖時，種植體、中央螺栓、基臺對應體部及頸部的應力峰值約16.9～159.7 MPa，且各結構的體部應力小于頸部應力。其中，種植體體部應力峰值約16.9 MPa，種植體頸部應力峰值約41.5 MPa，當基臺與中央螺栓處全部設置緩沖體時，種植體、中央螺栓、基臺等體部和頸部處的應力峰值均達到最小，當基臺有緩沖、中央螺栓有緩沖時，種植體、中央螺栓、基臺對應體部及頸部的應力峰值約6.5～61.4 MPa，相對基臺無緩沖、中央螺栓無緩沖情況，在基臺、中央螺栓均設置緩沖體后種植體、中央螺栓、基臺體頸部應力減少約54.8%～64.6%。基臺有緩沖、中央螺栓無緩沖比基臺無緩沖、中央螺栓有緩沖效果好，且對種植體、中央螺栓、基臺的體頸部應力減少約22.7%～32.4%；當基臺有緩沖、中央螺栓無緩沖時種植體、中央螺栓、基臺等結構體部與頸部應力均有所降低，而對于基臺無緩沖、中央螺栓有緩沖時，基臺體部應力相比基臺無緩沖、中央螺栓無緩沖的降低不明顯，基臺頸部應力可能因中央螺栓有緩沖而降低約26.6%。

3 討論

種植體折斷及修復螺絲的折斷是臨床中常見的種植體并發癥，大部分種植體折斷發生在頸部［10］，與基臺連接處。種植體和頜骨間無類似牙周膜韌帶的緩沖系統。而目前應用的種植系統，種植體與上部修復結構間的連接均為剛性連接。近年來有研究聚焦于在種植體表面創建類牙周膜，但此類方法易造成種植體周圍牙周纖維包裹，不能形成穩定的骨結合，從而導致種植體失敗。

高性能的界面緩沖層需要同時滿足以下要求［11-13］：（1）緩沖層材料具有高生物相容性并且能具有合適的力學性能。（2）緩沖層材料的微觀結構能模擬牙周膜的作用，能優化種植體周圍骨組織內的應力分布。（3）緩沖層具有足夠高的耐循環變形抗疲勞性能和耐磨性能，并且能與基體表面形成足夠強的結合力。研究表明，超高聚乙烯具有良好的生物相容性、與牙周膜相近的力學性能和高韌性，這種材料在構建高性能種植體緩沖層方面有較大的潛力［14］。盡管高聚乙烯已在人工椎間盤上取得了臨床應用，但由于種植體在實際的工況中需要承受的物理環境比人工椎間盤更為苛刻，這種材料在種植體緩沖層方面的應用還需要解決一些關鍵的問題。高聚乙烯在應力下蠕變和耐熱性差，抗摩擦強度低等缺陷仍在很大程度上限制其走向種植體優化改性的臨床應用。

碳納米管又稱巴基管，是一種有特殊結構和性質的新型材料，是良好的復合材料增強劑［15］。有學者發現，隨著碳納米管含量的增加，超高分子質量的聚乙烯/碳納米管復合纖維的結晶度和熔點均有所提高，拉伸強度和楊氏模量均大幅度提高拉伸強度較空白樣品提高近3 倍，楊氏模量較空白樣品提高近2 倍，蠕變性能也明顯改善；隨著碳納米管的加入，復合纖維的耐熱性及分解溫度也提高［16］。學者［17-20］研究認為，種植體外形為實心螺紋圓柱形，螺紋頂角為60°時最有利于應力的分布，具有較好的生物力學相容性。種植體頸部與基臺連接處為種植體結構中最薄弱的部分，在受到過大應力時，容易折斷。種植體頸部增加微螺紋可以降低骨界面的應力值［7］。種植體長度的增加不會減少骨界面應力［8］，會降低周圍骨的骨密度［21］，而種植體直徑的減少會顯著增加骨界面應力［22--23］。本研究發現，在四種工況中，種植體頸部的受力均明顯大于種植體的其他部分，該結果與AHEBI 等［4］研究結果一致。

本研究結果顯示，當基臺與種植體之間及中央螺栓與基臺之間均添加緩沖層時，種植體各部分及周圍牙槽骨受到的應力最小；相對于僅在中央螺栓與基臺間添加緩沖層而言，僅在基臺與種植體之間添加緩沖層更加能顯著減少種植體各部分及周圍牙槽骨受到的應力。這可能因為添加在基臺與種植體間的緩沖層面積更大，且與種植體頸部直接接觸，故能更有效的減少應力。

綜上所述，在基臺與種植體之間及中央螺栓與基臺之間添加碳納米管改性高聚乙烯抗菌緩沖層可以有效減少種植體各部分及周圍牙槽骨所受到的應力；添加在基臺與種植體之間的緩沖層較添加在中央螺栓與基臺更顯著減少種植體各部分及周圍牙槽骨所受到的應力；對于碳納米管改性高聚乙烯抗菌緩沖層的耐磨損度及抗菌性還需進一步研究證實。