Ⅱ类骨质量下短种植体表面设计对骨界面应力分布的影响

刘树发,衣红梅

(佳木斯大学附属口腔医院颌面外科,黑龙江 佳木斯 154002)

一个成功的人工种植体应该和骨组织直接结合,形成良好的生物力学相容性,将咀嚼压力均匀的分布到周围骨组织,应力过大或过小,都无益于种植牙周围骨组织的重建,都将导致种植牙的失败。目前国内外关于种植体 (长度＞10mm)的生物力学方面研究很多,但是关于短种植体(长度＜10mm)的生物力学方面的研究还很少,尤其是长度≤ 7mm的短种植体。Hagi D等人[1]在2004年研究得出结论即要使长度≤7mm超短种植体成活,种植体表面的几何形状是一个很重要的因素。因此本实验就采用三维有限元方法研究Ⅱ类骨质量下7mm长短种植体不同表面设计对种植体骨——界面应力分布的影响,从生物力学方面为短种植体的新产品开发和临床设计提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 模型的建立与组装

1.1.1 上颌骨后区模型的建立

采用螺旋 CT扫描正常成人颌骨,自上颌牙弓咬合平面开始至眶上缘做连续横断扫描 ,得到45幅二维 CT扫描断层图像。扫描参数设定为螺旋层厚1.5mm,床进速度1mm/s,球管电流与电压125mA/120kV。图像数据为 DICOM格式。将45幅 DICOM格式的颅颌部位的二维 CT扫描断层图像直接输入到计算机3D-Doctor软件中。描记上颌骨后牙区、上颌窦的轮廓位图,自动生成 X、Y、Z轴三维坐标化数据,以word格式数据存入计算机。最后将 word格式坐标数据导入ABAQU S软件中建立骨Ⅱ类骨质量(皮质骨厚度1.6mm,皮质骨弹性模量13Gpa,松质骨弹性模量5.5Gpa,皮质骨和松质骨泊松比均为0.3)[2,3]的上颌骨后牙区、上颌窦的三维有限元网格模型。

1.1.2 短种植体模型的建立

应用3D— Doctor软件进行数据采集,具体数据如下:

种植体的定量:圆柱形;直径为4.5mm;长度为 7.0mm。种植体的变量:表面设计如下:(1)三角型螺旋短种植体:螺距 0.8mm,齿高 0.4mm,宽度 0.2mm,螺纹顶角 30°。(2)支撑型螺旋短种植体:螺距0.8mm,齿高0.4mm,宽度 0.2mm,螺纹顶角 15°。(3)反支撑型螺旋短种植体:螺距 0.8mm,齿高0.4mm,宽度 0.2mm,螺纹顶角 15°。(4)鳍式非螺旋短种植体:齿距 0.8mm,齿高 0.4mm,宽度 0.2mm,顶角 15°。

图1 种植体表面设计示意图

在各种植体上模拟基台高度为5mm,其上模拟2mm氧化锆全瓷厚。最后将这4个模型分别导入 ABAQUS软件中建立有限元网格模型(材料属性见表1)。

最后将这4个模型分别导入 ABAQUS软件中建立有限元网格模型并分别与Ⅱ类骨质量上颌后区模型进行组装。

表1 种植材料属性

1.2 单元与节点

模型用 10节点四面体和20节点六面体划分,在种植体-骨界面进行细划。模型分别由 51601～ 56768单元和71387～78241节点组成。

1.3 实验条件假设

种植体各部件之间以及种植体与上部结构之间设定为完全精确吻合。各组织均为连续、各向同性、均质的线弹性材料。对骨块的上边缘和近远中边缘进行固定约束。骨-种植体界面设定为完全的骨整合,在载荷作用下二者无相对滑动。

1.4 加载条件[4]

(1)垂直载荷:方向与种植体长轴一致,由牙合方指向龈方,加载大小为200N。(2)侧向载荷:方向与种植体长轴成45°,由腭侧指向颊侧,加载大小为100N。

1.5 分析方法

本研究采用 Altair Hyperview8.0软件对结果进行计算分析。沿牙槽颊腭方向 ,通过种植体中心纵剖有限元模型,观察各组模型的三维有限元应力分布云图,得出各组模型的应力峰值数据。分析指标:(1)垂直、侧向载荷下每种模型的应力分布特征;(2)皮质骨和松质骨 Von-Mises应力峰值。

2 结果

2.1 皮质骨的应力分布

在所有模型垂直加载时,皮质骨应力主要分布在种植体颈部周围,呈环状分布。侧向加载时 ,皮质骨应力分布在种植体颈部颊腭两侧,其中颊侧为主要应力区。在这两种加载下,得出同样结果即各种表面设计皮质骨 EQV应力云图均相似。

2.2 松质骨的应力分布

在所有模型垂直加载时,松质骨应力主要集中分布在种植体颈部和根部的周围骨组织。反支撑形、支撑形和鳍式设计均表现出较好的应力分布;侧向加载时,松质骨应力主要集中在种植体颈部的颊腭侧,且颊侧大于腭侧。各种表面设计松质骨 EQV应力云图均相似。

2.3 EQV应力峰值

垂直加载时,鳍式非螺旋设计的松质骨 EQV应力峰值明显低于其他三种设计;侧向加载时,反支撑形螺旋设计松质骨 EQV应力峰值最小,但与支撑形螺旋设计和鳍式非螺旋设计没有明显差异;在这两种加载下,V形螺旋设计皮质骨 EQV应力峰值最小,但是其松质骨 EQV应力峰值明显大于其他三种表面设计,见表2。

表2 皮质骨和松质骨在200N垂直向和100N侧向加载下的 EQV应力峰值(M Pa)

3 讨论

本实验研究目的是寻求短种植体表面设计对骨界面应力分布的影响,因而模型就以表面设计作为变量,其中不同表面设计的主要参数都完全一致。在建立模型时,以往人们在建模 CT扫描的标本选取上多采用经防腐处理的离体标本[5],其部分组织已受到破坏,其 CT扫描的数据结果跟实际相比较偏差较大。本研究是基于正常人活体 CT扫描,扫描的数据结果符合实际,获得的信息全面、准确,并能反应较细致复杂的结构。然后采用数据采集精度高的3D-Doctor软件读取 CT扫描的原始 DICOM格式数据,最后应用网格处理精度高的 ABAQUS软件进行精细的网格划分,建立三维有限元模型。近几年,多数临床研究表明,短种植 (长 ＜10mm)的五年成活率可达95%以上,其中还包括长≤7mm的短种植体。2000年 Friberg B等人[6]研究 6～ 7mmBranemark短种植体安置在严重萎缩的下颌骨,五年累计存活率为95.5%;2007年 Ma ló P等人[7]研究结果显示 7mmBranemark短种植体五年累计存活率为96.2%;ten Bruggenkate CM等人[8]对在6年间253颗6mm长 ITI短种植体进行1到7年的随访 ,结果有7颗种植失败;San Diego CA(2006)和 Venuleo C等人[9](2008)对6mm×5.7mm Bicon短种植体都进行长期回顾性研究也得出了同样的结论即6mm×5.7mm Bicon短种植体五年成活率达100%。以上所应用的 Branemark短种植和 ITI短种植表面设计均为螺纹设计,但是 Bicon短种植应用的是鳍式非螺旋设计,本实验就对这两种设计进行了比较研究。结果反支撑形和支撑形螺纹设计与鳍式非螺旋设计都表现出了较好的应力分布特征。通过以上结果和讨论分析,得出以下结论:(1)皮质骨的应力分布趋势和 EQV应力峰值不受短种植体表面设计的影响。(2)松质骨的应力分布趋势和EQV应力峰值受短种植体表面设计的影响较大。(3)支撑形螺旋设计、反支撑形螺旋设计和鳍式非螺旋设计均适用于短种植体,应避免应用 V形螺旋表面设计。

[1]Hagi D,Deporter DA,Pilliar RM,et al.A targeted review of study outcomes with short(≤7mm)endosseous dental implants placed in partially edentulous patients[J].J Periodontol,2004,75(6):798-804

[2]Huang H-M,Lee S-Y,The C-Y,et al.Resonance frequency Assessment of dentl implent stability withvarious bone qualities:anumericalapproach[J].Clin Oral ImplRes,2002,13:65-74

[3]Tada S,Stegaroiu R,Kitamura E,et al.Influence of implant design and bone quality on stress/strain distribution in bone around implants:A3-dimensional finite element analysis Int[J].J Maxillofac Implants,2003,18(3):357-368

[4]Kitamura E,Stegaroiu R,Nomura S,et al.Influence of marginal bone resorption on stress around animplant--a three-dimensional finite element analysis[J].J Oral Rehabil,2005,32(4):279-286

[5]Zhang T,Liu H,Wang Y.The construction of three—dimensional finite element model of human maxillary complex[J].Zhonghua Kou Qiang Yi Xue Za Zhi,2000,35(5):374-376

[6]Friberg B,Grandahl K,Lekholm U,et al.Long-term follow-up of severely atrophic edentulous mandibles reconstructed with short Branemark implants[J].Clin Implant Dent Relat Res,2000,2(4):184-189

[7]Ma ló P,De Ara ú jo Nobre M,Rangert B.Short implants placed one-stage in maxillae and mandibles:a retrospectiv e clinical study with1to9years of follow-up[J].Clin Implant Dent Relat Res,2007,9(1):1-21

[8]Bruggenkate CM,Asikainen P,Foitzik C,et al.Sutter F.Short(6- mm)nonsubmerged dental implants: results of a Multicenter clinical trial of1to7years[J].Int J Oral Maxillofac Implants,1998,13(6):791-798

[9]V enuleo,C.Chuang,S.K.,et al.Long term bone level stability on Short Implants: A radiog raphic follow up study,Indian Journal of Maxillofacial and Oral Surgery[J].September,2008,7(3):340-345