Spline高度对种植体-基桩界面应力分布的影响

黄 茜,王 聪,王少安,王 璐,李苏伶△

(1.重庆医科大学附属口腔医院修复科 400015;2.成都市第三人民医院口腔科 610031;3.四川大学华西口腔医院,成都 610041)

Spline高度对种植体-基桩界面应力分布的影响

黄 茜1,王 聪2,王少安3,王 璐1,李苏伶1△

(1.重庆医科大学附属口腔医院修复科 400015;2.成都市第三人民医院口腔科 610031;3.四川大学华西口腔医院,成都 610041)

目的研究连接高度对Spline种植体-基桩界面受力的影响。方法利用三维有限元方法分析比较0.7、1.0、1.2 mm高度Spline种植体、基桩及中央螺钉在预负荷、垂直载荷及斜向载荷作用下的应力分布情况。结果中央螺钉的最大应力值位于螺钉头部与螺杆交接处;Spline种植体的最大应力值位于突起根部;1.0 mm高度的种植体、基桩应力值最小,而中央螺钉应力值最大。结论1.0 mm高度是Spline种植体系最为合理的连接高度。

种植体;应力分析;三维有限元

1 材料与方法

1.1 建模 根据相关数据[1],在三维建模软件Pro/Engineer Wildfire 2.0中建立 Spline种植体(长 10 cm,直径3.75 mm,突起高度1 mm)、相应粘固型基桩、中央螺钉及一个均匀厚度0.5 mm的帽状冠模型(相当于烤瓷牙底层冠)。修改Spline突起高度,获得0.7、1.0、1.2 mm 连接高度的种植体-基桩模型(图1)。将3个模型从Pro/E完整导入有限元软件Ansys Workbench 9.0。

图1 不同连接高度的Spline种植体模型

1.2 材料参数、假设、边界条件 种植体、基桩及中央螺钉均设定为钛合金材料,即Ti-6A1-4V(杨氏模量 110 GPa,泊松比0.35),帽状冠设为金合金材料(杨氏模量100 GPa,泊松比0.3)。假设模型材料为连续、均匀、各向同性、线弹性材料。根据相关文献给予种植体外螺纹所有节点刚性约束[3]。

1.3 接触区域的设置 在种植体-基桩、种植体内螺纹-螺钉螺纹、螺钉头部-基桩接触区域引入接触对,设定其摩擦系数为0.3[3];设定基桩-帽状冠接触区为紧密接触无相对滑动。1.4 网格划分 网格划分均采用四面体单元,划分结果如表1。

表1 网格划分结果

1.5 加载条件 根据拧紧力矩和预紧力的关系[4],求得预紧力为405 N,该力施于螺杆上,为轴向使螺杆缩紧的力。在预紧力基础上,于帽状冠顶面施加两种载荷:垂直200 N、斜向100 N(45°)。

2 结 果

不同Spline高度的模型各部件最大Von Mises应力值如表2所示。3种载荷下1.0 mm高度的种植体、基桩应力值均较0.7 mm和1.2 mm高度小,而中央螺钉应力值最大。

表2 不同Spline高度的模型各部件最大Von Mises应力值(M Pa)

不同连接高度的中央螺钉最大应力值均位于螺钉头部与螺杆交接处,种植体最大应力值均位于 Spline根部(图2)。

图2 斜向载荷下应力分布图

3 讨 论

对于常见的外六边连接,Branmark系统最初的连接高度为0.7 mm,但随后的研究发现外六边高度需要1.2 mm才能很好地达到抗旋转和抗侧向力的作用[5],但未对外六边高度与应力分布的关系进行研究。Spline连接属于外连接方式,其突起高度为1.0 mm,本实验参考目前其他系统的外六边的连接高度,设计了0.7、1.0、1.2 mm 3种高度的Spline种植体,运用三维有限元方法进行应力分析以了解Spline突的内部应力分布规律以及Spline突高度与应力分布之间的关系。

本实验中,不同连接高度的中央螺钉最大应力值均位于螺钉头部与螺杆交接处,该处是螺钉疲劳失败通常发生的一个部位[6-7],主要是因为两部分之间曲率半径和直径变化所产生的应力集中所导致。不同连接高度的Spline种植体在不同载荷下的最大应力值都位于突起根部,但应力值远远小于材料的屈服强度,关于Spline突起是否会折断以及在何种情况下会出现这种情况,尚需要进一步实验。

从实验结果还可以看出,不同的连接高度对Spline种植体-基桩界面的应力分布有一定影响:不同载荷下1.0 mm高度的种植体、基桩应力值最小,而中央螺钉应力值最大。由于中央螺钉与种植体、基桩应力值差别最大,可以更好地发挥弱连接[8-9]的作用,即中央螺钉在其他部件破坏之前发生塑性形变或折断,从而达到保护种植体的目的,同时1.0 mm的Spline突高度较好地达到了抗旋转和抗侧向力的作用。所以本研究认为1.0 mm的Spline突高度是较为合理的连接高度。

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Three dimensional finite element analysis of stress distribution of implant-abutment interfaces with different Spline height

HUANGQian1,WANG Cong2,WANG Shao-an3,et al.
(1.Departmentof Prosthodontics,Af filiated Stomatologic Hospital,Chongqing Medical University,Chongqing 400015,China;2.Department of Stomatology,Chengdu Third People′s Hospital,Chengdu,Sichuan 610031,China;3.Huaxi Stomatologic Hospital,Sichuan University,Chengdu,Sichuan 610041,China)

ObjectiveTo investigate the effect of spline height on stress distribution of the implant-abutmteent joint.MethodsThree-dimensional finite element analysis was used to determine stress distribution of the implant,abutment and screw of different spline height under preload,vertical load,and oblique load.ResultsMaximum Von Mises stress of screw located at the joint of the screw head and the screw shank.Maximum Von Mises stress of the Spline implant located at the root of the Spline projections.The system with 1.0 mm spline height had lower stress on implant and abutment,but higher stress on screw.ConclusionSpline height of 1.0 mm is preferred in spline implant system.

three-dimensional finite element;stress analysis;implant Spline连接属于外连接方式,Calcitek公司的Spline种植体突起高度为1 mm[1],本实验通过三维有限元方法[2],旨在分析连接高度对Spline连接方式的种植体-基桩界面受力的影响,为Spline种植体的改进和临床设计提供参考。

R783.12

A

1671-8348(2010)10-1217-02

△通讯作者,电话:13637801468;E-mail:28905594@qq.com。

2009-12-25)

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