植骨和不植骨上颌窦提升术后种植体周围骨组织应力分布的三维有限元分析

植骨和不植骨上颌窦提升术后种植体周围骨组织应力分布的三维有限元分析

沈洪洲,马猛,黄圣运,张东升

(山东大学附属省立医院，济南 250021)

摘要：目的探讨植骨和不植骨的上颌窦提升术后周围骨组织应力分布。 方法通过Creo2.0 软件绘制上颌后牙区简化颌骨模型，垂直骨高度分别设定为10、7、5、3 mm，其中10 mm组直接植入种植体，其余组分别行植骨和不植骨的上颌窦提升术后模拟植入种植体，三维有限元分析不同处理后骨组织应力值大小关系。 结果当垂直骨高度为7 mm时，植骨和不植骨的上颌窦提升术后种植体与骨界面最大应力值与10 mm时相比均变化不大；当降至5 mm时不植骨组应力值明显增加；当仅剩3 mm时，骨内应力值增加更显著。使用植入物后种植体与骨界面的应力分布明显改善。结论 种植体颈周是应力集中区域；当剩余垂直骨高度为7 mm及以上时，植骨和不植骨的上颌窦提升术应力分布无明显差异；当剩余垂直骨降至5 mm及以下时，建议行上颌窦底提升术的同时使用植入物。

关键词：上颌窦底提升；垂直骨高度；种植体；三维有限元

doi：10.3969/j.issn.1002-266X.2015.45.034

中图分类号：R783.4文献标志码：B

基金项目：山东科技发展计划项目(2012GGB14022)。

收稿日期：(2015-08-10)

通信作者：张东升

口腔种植技术因其较好的舒适度、美观效果、对邻牙的无损伤性及较高的成功率等优势，已成为于牙列缺损或缺失患者治疗的首选方案[1]。但上颌后牙区因上颌窦的存在，特别是缺失牙时间较长者，上颌后牙受植区常会出现垂直骨高度不足情况。对上颌后牙区垂直骨高度不足10 mm者，临床可采用上颌窦提升术改善剩余骨量，为上颌后牙区开展种植修复提供了可能[2]。对垂直骨高度不足4 mm者，常在上颌窦提升术后使用植入物以提高骨高度，延期植入种植体，可获得较满意疗效[3]。但当垂直骨高度为5～8 mm 时，对于上颌窦提升后是否植入植入物仍存在较大争议。2014年12月～2015年5月,我们拟通过三维有限元方法模拟上颌后牙区上颌窦提升术后种植体植入的过程，分析种植体植入后骨—种植体界面的应力分布情况。

1材料与方法

1.1材料DELL T1700 台式工作站；建模软件：Creo2.0 (美国PTC公司)；有限元分析软件：Ansys workbench 14.5(美国Ansys公司)种植体：CMI种植体(韩国 Neo Biotech公司)。模型中的材料均设定为连续，各向同性，线弹性的材料，皮质骨、松质骨、植入物、钛的杨氏模量分别为13.7、1.37、11、110 GPa，泊松比分别为0.3、0.3、0.3、0.35。

1.2三维有限元模型的建立通过Creo2.0 软件绘制缺失右侧第一磨牙的简化颌骨模型，颌骨近远中及颊舌向距离均为10 mm，整体高度为 14 mm，上颌后牙区剩余垂直骨高度分别设置为10、7、5、3 mm，Ⅲ类骨质，牙槽嵴侧皮质骨厚度为1 mm，窦底侧皮质骨厚度为0.5 mm。根据种植体参数(4.0 mm × 10.0 mm)绘制纵行剖面图，以剖面中心轴为对称轴360°旋转，生成无螺纹的实体模型后再添加螺纹，最后对部分细节进行优化，获得与实体相似的种植体模型。对于骨高度为10 mm的模型，直接将二者进行结合。对于骨高度为7、5、3 mm的模型，模拟进行上颌窦提升后分别模拟使用植入物及不使用植入物，再将种植体模型与之进行结合，并统一生成stp格式的文件(图1)。

1.3边界条件约束模型近远中面所有节点的自由度，为模拟植入物完全成骨种植体承担咬合力的状态，在种植体冠面中点施加与植体长轴呈30°角150 N的力[4]。将骨-种植体接触关系设定为连接接触，在Ansys Workbench 14.5中求解运算，并对结果进行后处理，输出结果，分析骨-种植体接触界面周围的应力分布情况及最大等效应力(EQV)。

2结果

种植体与骨界面EQV出现的位置均位于种植体颈缘。随垂直高度的降低，骨-种植体界面的EQV呈上升趋势(图2)。在上颌窦提升术同时无植入物情况下，垂直骨高度为10 mm时，应力值仅为23.056 MPa；当垂直骨高度吸收至7 mm时，应力值仅小幅度上升；当垂直骨高度降至5 mm时，则出现较大增幅，最大应力值出现在垂直高度为3 mm时，应力值为55.853 MPa。当在上颌窦提升同时使用植入物后，骨-种植体界EQV值均较未植入组明显下降，且均小于垂直高度为10 mm时的应力值。随植入物用量的增加，应力值下降幅度相应增加。

注： a:垂直骨高度7 mm；b:垂直骨高度5 mm；c:垂直骨高度3 mm。

图1上颌窦提升后模拟植入植入物模型

图2　 不同垂直高度上颌后牙区上颌窦提升

3讨论

与以往研究结果相同，本实验证实种植体颈缘是主要的应力集中区域，且与进行性边缘骨吸收有密切关系[5]。进行性边缘骨吸收是种植体植入后常见并发症，可使种植体稳定性降低，是导致种植失败的主要原因[5]。因此，降低种植体颈周应力分布有重要意义。上颌后牙区行种植修复的主要难点是垂直骨量不足，Koca等[6]研究证明随垂直骨高度降低，骨组织内应力增加，超过其耐受生理限度后，正常骨组织被破坏吸收，从而导致种植体松动。因此，上颌窦提升术被广泛用于改善上颌后牙区垂直骨量不足情况。上颌后牙区垂直骨高度常作为临床选择上颌窦提升术式的重要评判标准[7]：当垂直骨高度为10 mm时，无需行上颌窦提升，可用标准种植体行常规植入；当垂直骨高度降至4 mm以下时建议行上颌窦提升并同期置入植入物，延期行种植体植入。

本实验发现，垂直骨高度为7 mm时骨组织应力值较10 mm时变化不大，虽使用植入物可降低骨组织应力，但不使用植入物时应力值亦可接受。Del Fabbro等[8]证实，在骨量条件允许下，上颌窦提升术后是否放置植入物在种植体成功率方面无明显差异。可见当垂直骨高度为7 mm时，不用植入物的上颌窦提升术是可行且安全的[9]。当垂直骨高度降至5 mm，骨组织内应力值呈上升趋势，植入物的应用有效降低了骨内应力，增强了上颌后牙区骨组织的应力承载能力。在同一模拟咀嚼受力加载方式下，未植骨组最大应力值出现于垂直骨高度为3 mm时，提示此时骨内应力水平较高，故行上颌窦提升术并放置植入物尤为必要。

骨组织作为一种生物系统，在合力作用下会引发复杂的生物力学反应。有限元法被广泛用于种植体生物力学研究中，但三维有限元分析的结果是建立在理想化模型的前提下，有一定局限性，而其在骨组织生物力学研究方面仍有无可比拟的优势。本研究发现当垂直骨高度为7 mm及以上时，植骨及不植骨的上颌窦提升术式均适用；当垂直骨高度为5 mm及以下时，推荐使用上颌窦底提升并植入植入物的术式。

参考文献：

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