微型种植体长度对骨界面应力分布的影响

单丽华 董福生 宫伟伟 张雄

（1.河北医科大学第二医院 口腔正畸科，石家庄 050000；2.河北医科大学口腔医院 颌面外科，石家庄 050017；3.清华大学 工程力学系，北京 100084）

微型种植体长度对骨界面应力分布的影响

单丽华1董福生2宫伟伟3张雄3

（1.河北医科大学第二医院 口腔正畸科，石家庄 050000；2.河北医科大学口腔医院 颌面外科，石家庄 050017；3.清华大学 工程力学系，北京 100084）

目的 探讨微型种植体长度对骨组织内应力分布的影响。方法 建立直径1.6mm，长度分别为6、8、10、12mm的种植体-下颌骨三维有限元模型，垂直植入种植体，给以1.96N的水平向前及前上方向的载荷，记录并分析不同情况下的应力分布。结果 种植体水平向前载荷的应力峰值范围为3.500～3.765MPa，位移峰值范围为1.266～1.288μm；前上方向载荷的应力峰值范围为4.075～4.510MPa，位移峰值范围为1.668～1.694μm。水平向前载荷的应力峰值及位移峰值均低于前上方向载荷的峰值。结论 在所研究的尺寸（6～12mm）范围内，种植体长度对骨界面应力影响不大，而种植体载荷方式对骨界面应力分布有重要影响。

微型种植体； 应力分布； 三维有限元分析

微型种植体支抗技术逐渐成为正畸领域的研究热点，目前存在的最大问题在于种植体承受较大正畸力时容易脱落[1]。微型种植体多植入在牙槽骨两牙根之间，距离牙根、上颌窦、神经管、鼻腔等较近，因此增加种植体长度会增加损伤邻近器官的危险性。微型种植体长度对骨界面应力分布的影响及与载荷方式的关系尚不明确，目前国内外文献少见这方面的报道。本实验应用三维有限元法，探讨不同微型种植体长度及载荷方式对周围骨组织内应力分布的影响，为种植体开发及临床医生选择合适的种植体长度提供参考依据。

1 材料和方法

1.1 微型种植体的选择

参照德国Medicon公司生产的螺纹型微型种植体（纯钛，Aarhus Screw Syst 1.6型），设定种植体的头部和颈部为直径1.6mm的光滑圆柱形结构，总长度为3.4mm。螺纹体顶部直径1.6mm，根部直径1.5mm，中间线性变化。种植体螺纹高为0.3mm，螺距0.6mm，顶角90°。种植体螺纹部分长度有6、 8、10、12mm共4种。

1.2 下颌骨及微型种植体三维有限元模型的建立

采用日立W2000 CT螺旋扫描机（GE公司，美国），对1名志愿者进行颌骨CT扫描。扫描条件：选择骨组织窗扫描，螺距0.875mm，种植区层距为0.5mm，其他区域层距为1mm，床进速度0.5mm·s-1。以眶耳平面为参照平面，平行于牙合平面，由髁突顶端至颏部下缘进行横断面扫描。转数为20，共扫描52层，对下颌骨进行三维重建。设一侧下颌骨第二前磨牙与第一磨牙牙根间牙槽骨为种植体植入部位，取此处一个断面，扫描结果以DICOM形式存储。

在Pro/E 2.0软件中，将植入部位断面表面部分设置为皮质骨（厚度1.65mm），内部为骨松质。根据实际的尺寸，将断面简化成六边形，六边形断面尺寸：上表面宽10.89mm，中间宽18.20mm，下面宽11.94mm，高39mm（图1）。将此面沿着下颌骨横断面拉伸成体，构成下颌骨。用ANSYS 10.0软件建立下颌骨三维有限元模型。根据种植体的选择建立4种长度种植体的三维有限元模型。

图1 微型种植体植入部位断面示意图Fig 1 Schematic drawing of cross-section view when mini-implant was inserted

1.3 装配实体微型种植体-下颌骨三维有限元模型

种植体植入位置及角度设定：以下颌牙合平面与地平面平行为准，设一侧下颌骨第二前磨牙与第一磨牙牙根间距离牙槽嵴顶4mm处为植入点，将种植体与皮质骨表面形成90°垂直植入（图1）。

装配种植体-颌骨模型：在ANSYS 10.0软件中，对颌骨硬组织与种植体的三维有限元模型进行处理。按照不同长度种植体，复制种植体模型的骨内部分，运用ANSYS命令从骨模型中去除这一部分，从而形成具有内螺纹的骨模型。种植体的实体模型与骨实体模型通过ANSYS命令使两实体界面各节点连接，从而建立直径1.6mm，长度分别为6、8、10、12mm的种植体-下颌骨三维有限元模型（图2）。

图2 微型种植体垂直植入下颌骨三维有限元模型及载荷示意图Fig 2 3D finite element model of the mandible with mini-implant inserted vertically and schematic diagram of loading

1.4 定义材料特性

假设种植体、皮质骨和骨松质均为连续、均匀、各向同性的线弹性材料，材料变形为弹性小变形。种植体和骨界面完全骨整合，不发生相对位移。各材料参数见文献[2]。

1.5 网格划分

种植体-下颌骨界面附近及螺纹等复杂不规则的部分采用四面体划分单元格，其余部分均采用六面体划分单元格，节点与单元在种植体附近加密，在近远中方向适当延长。不同长度种植体植入模型节点数及单元数见表1。

表1 4种长度种植体下颌骨模型单元及节点数Tab 1 Element and note numbers of mandible models with four kinds of im plant length

1.6 载荷方向

通过种植体载荷点做与牙合平面平行的直线（A线，图2），通过此直线做与地平面垂直的平面，在此平面上给种植体顶端施加1.96 N载荷。水平向前载荷为通过A线向前（近中）的载荷（A线方向），前上方向载荷为向前上方向与A线成45°的载荷（B线方向）。

1.7 观测分析指标与方法

观测分析指标采用Von-Mises等效应力，分别通过A线、B线沿种植体长轴中心纵剖有限元模型（图3、4），记录Von-Mises应力峰值、位移峰值，得到2种方向载荷的骨界面应力分布图，分析比较骨界面上的应力分布特点。

图3 通过A线及种植体中心纵剖的有限元模型示意图Fig 3 Schematic drawing of finite element model cutting across A line and implant axis

图4 通过B线及种植体中心纵剖的有限元模型示意图Fig 4 Schematic drawing of finite element model cutting across B line and implant axis

2 结果

在种植体-皮质骨-骨松质系统中，不同长度种植体模型均为种植体受力最大，然后是皮质骨，骨松质受力最小。种植体上应力主要集中在种植体的颈部，皮质骨上应力主要集中在与种植体接触的区域，见图5、6。

图5 不同长度种植体水平向前载荷的Von-Mises应力分布图Fig 5 Von-Mises stress distribution of varied length of implants loaded mesiolly

图6 不同长度种植体前上方向载荷的Von-Mises应力分布图Fig 6 Von-Mises stress distribution of varied length of implantsloaded mesiol-vertically

6、8、10、12mm长度种植体水平向前载荷的应力峰值分别为3.765、3.726、3.627、3.500 MPa，应力峰值范围为3.500～3.765MPa，位移峰值范围为1.266～1.288μm；前上方向载荷的应力峰值分别为4.510、4.477、4.392、4.075MPa，应力峰值范围为4.075～4.510MPa，位移峰值范围为1.668～1.694μm。水平向前载荷的应力峰值及位移峰值均低于前上方向载荷的峰值。

3 讨论

微型种植钉凭借其体积细小的优势，有效地克服了传统种植体支抗所受的植入部位的限制，几乎能够植入正畸医师所需要的任何一个部位，但种植体稳定性受到一定影响，且有损伤邻近器官的危险。随着材料学的不断发展，人们逐渐认识到生物力学因素对种植体成功的重要性，载荷状态直接关系到种植的成败，其中种植体界面的应力传导与分布是需要考虑的一个重要方面。本研究探讨了2种载荷方向下种植体长度对骨界面的影响，结果表明：随着种植体长度的增加，周围骨内应力分布趋势没有明显变化，应力峰值有所降低但变化不大，位移峰值的变化也很小，而载荷方式对界面应力分布有明显影响。

种植体的稳定性受多种因素综合影响且关系复杂。动物实验表明，植入扭力峰值及对侧向力的承受力与种植体长度成正比[3-4]；长种植体即刻或早期载荷的成功率高于短种植体[5]；而不同长度种植体愈合后载荷组与非载荷组的骨结合量均无统计学差异[6]。临床研究表明，微型种植体的长度与脱落率并不相关[1]。相同长度种植体在不同界面骨状态时对载荷的反应不同，受骨质骨量、种植体设计、载荷及初期稳定性等因素的综合影响。

三维有限元法有效克服了一些因素的干扰，是种植体生物力学研究的重要手段。以往国内外学者研究种植体长度与应力的关系时所选用的种植体大多为修复用种植体，直径一般大于3mm。研究结果显示：种植体的长度对应力分布的影响要比直径的影响小[7]；增加种植体长度可减少应力，但过大尺寸的种植体将导致骨内应力过大，建议采用适当尺寸的种植体[8]；种植体长度的变化对应力峰值影响不大[9]。而微型种植体的直径一般为1.4～2.0mm，长度为6～12mm。近来有学者[10-11]建立微型种植体支抗模型，但观点不一。本研究结果表明种植体长度对界面应力分布影响不大，原因可能是皮质骨是承受应力的主要部分，骨松质内应力分布很少，而增加种植体长度主要是增加了骨松质内部分的长度，且正畸载荷力值较小，因此，增加的种植体长度并没有承担更多的应力，没有明显改变应力分布。本结果提示临床选择种植体时不必刻意增加种植体长度，同时也表明应用短种植体是可行的。不同长度种植体在较强载荷下的应力分布特性及微型支抗种植体允许的最短长度问题尚有待进一步研究。

另外，由于游离龈的活动性影响了种植体的稳定性，因此临床一般将微型种植体种植在颊侧膜龈联合处，即微型种植体多植入在距离牙槽嵴较近的唇颊侧牙槽骨上。关于载荷方式对骨应力分布的影响目前研究不多。龙红月等[12]应用三维有限元法将种植体植入在牙槽嵴顶，并施加近远中向、颊舌向及轴向正畸载荷，结果显示种植体周围颌骨的宽度影响骨界面的应力及位移大小，宽皮质骨的应力峰值低于窄皮质骨，因此他们认为在植入支抗种植体时，应根据正畸载荷力的形式，尽量不要过于偏颊、舌侧，以免造成应力过于集中。从力学原理看，2个力值相同且均与种植体长轴垂直的载荷，其产生的骨界面应力峰值和位移峰值应该相近，而本实验结果表明前上方向载荷的应力峰值及位移峰值始终高于水平向前载荷的峰值，原因可能是微型种植体植入位置距离牙槽嵴顶较近，造成种植体牙合侧骨量较少，因此，前上方向载荷时承受载荷的皮质骨骨量比水平向前载荷时少，导致种植体前上方向载荷时应力分布较集中。载荷骨量对界面应力分布的影响尚有待进一步研究。

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（本文编辑 李彩）

The effect of mini-imp lant lengths on stress distributions in peri-imp lant surface

SHAN Li-hua1,DONG Fu-sheng2,GONG Wei-wei3,ZHANG Xiong3.（1.Dept.of Orthodontics,The Second Hospital,Hebei Medical University,Shijiazhuang050000,China;2.Dept.of Oral and Maxillofacial Surgery,Hospital of Stomatology,Hebei Medical University,Shijiazhuang050017,China;3.Dept.of Engineering Mechanics,Tsinghua University,Beijing100084,China）

ObjectiveTo observe the effect of mini-implant lengths on stress distribution in peri-implant surface.MethodsThe 3D finite element analysis mandible and mini-implant models with diameter of 1.6mm,lengths of 6, 8,10 and 12mm were established.The mini-implants were inserted into designed site of mandibular vertically,respectivly.A force of 1.96 N were applied mesioly and 45°tilted mesio-vertically in models.The stress distribution under every condition was recorded and analyzed.Results When load was applied mesially,the maximum stress varied from 3.500 to 3.765MPa,the maximum displacement varied from 1.266 to 1.288μm.When load was applied 45° tilted mesio-vertically,the maximum stress varied from 4.075 to 4.510 MPa,the maximum displacement varied from 1.668 to 1.694μm.All of the maximum stress and displacement of loading mesially were lower than loading mesiovertically.ConclusionThe change of the mini-implant length within 6-12 mm don’t show much influence on the stress distribution.The loading type is an important factor influencing stress and displacement of peri-implant bone.

mini-implant； stress distribution； finite element analysis

R 783.5

A

10.3969/j.issn.1000-1182.2011.01.007

1000－1182（2011）01－0027-04

2010-03-26；

2010-06-25

河北省科技支撑计划基金资助项目（08276101D-4）

单丽华（1964—），女，山东人，教授，博士

董福生，Tel：0311-86266796

·基础研究·