应力中断式附着体义齿修复下颌双侧游离端缺失的生物力学分析

崔嘉玺　谭力芯　熊宇等

[摘要]目的：分析并阐明一种自主设计的应力中断式附着体修复下颌双侧游离端缺失后支持组织的应力分布规律。方法：设计和建立修复下颌双侧磨牙缺失的Kenndey Ⅰ类应力中断式附着体和常规冠外弹性附着体义齿的三维有限元模型，应用三维有限元法，比较轴向载荷下两种修复方式支持组织的应力分布情况。结果：成功建立了应力中断式附着体和常规冠外弹性附着体义齿修复双侧下颌双侧游离端缺失的三维有限元模型。在轴向载荷下，应力中断式附着体义齿的基牙、牙周膜、牙槽嵴各部分承受的最大Von-Mises应力值分别约是常规冠外弹性附着体义齿的71.0%，26.6%和25.0%，且其牙周膜和牙槽嵴黏膜受力分布较常规冠外弹性附着体义齿更加均匀和广泛。结论：应力中断式附着体较常规冠外弹性附着体能明显减轻局部可摘义齿在轴向载荷下基牙和牙周膜的受力，均匀分散（牙+合）力，起到应力中断和保护基牙的作用。

[关键词]三维有限元；冠外弹性附着体；应力中断附着体；双侧游离端缺失；应力值

[中图分类号]R783.6 [文献标志码]A [文章编号]1008-6455（2017）03-0025-03

传统的可摘局部义齿在修复双侧游离端缺失时，常对基牙产生过大的扭力，导致基牙的早期松动而使修复失败。为减少局部可摘义齿在咀嚼运动中非轴向力对基牙的损害，本研究自主设计了一种带有应力中断结构的弹性附着体义齿。本文拟用三维有限元法，从生物力学的角度比较该应力中断式附着体和常规冠外弹性附着体义齿修复双侧游离端缺失后支持组织的应力分布规律，为应力中断式附着体义齿的临床应用提供理论基础。

1材料和方法

1.1牙颌模型数据的采集：个别正常（牙+合）的男性志愿者1名，临床检查无牙周疾患，上下牙列完整，咬合关系好。用CBCT（德国KAVO 3D）对志愿者进行颌面部扫描，获得的数据以DICOM的格式（digital imaging and communications in medicine，医学数字图像通讯）保存至计算机中。用加聚型硅橡胶材料取志愿者上下牙列印模，灌制超硬石膏模型，在石膏上磨除双侧第一、二前磨牙并修整牙槽嵴，以模拟双侧后牙游离端缺失的患者牙颌形态，双侧第二前磨牙按常规弹性附着体义齿基牙的预备要求进行牙体预备，分别设计和制作双侧单基牙应力中断式附着体和常规冠外弹性附着体义齿，基牙为钴铬合金烤瓷冠，其中，应力中断附着体义齿的冠外弹性附着体与基托采用Vitallium2000钴铬钼合金设计的分裂基托小连接体设计，两侧附着体以金属舌杆相连（见图1）。激光扫描石膏模型及两组附着体，获得的数据保持为STL格式。

1.2三维有限元模型的建立：通过Geomagic Studio 12（Raindrop公司，美国）和Mimics 15.0（Materialise公司，比利时）逆向工程软件对获得的牙颌模型数据进行处理，获得下颌骨及牙列的三维重建模型，在ANSYS 16.0（Ansys公司，美国）软件中对其进行网格划分，对模型中各材料进行力学参数赋值，弹性模量：牙本质18600.0MPa、牙周膜68.9MPa、皮质骨13700.0MPa，松质骨1370.0MPa、黏膜3.4MPa，钴铬钼合金210000.0MPa、基托4500.0MPa：泊松比：牙本质0.31、牙周膜0.45、皮质骨0.30，松质骨0.30、黏膜0.45，钴铬钼合金0.30、基托0.35。根据以往的文献，建模时假设实验中各材料为各向同性的连续线性材料，对下颌牙槽骨下缘、近中和远中截面进行约束，定义其位移为零。同时通过布尔运算获得包括双侧下颌牙列，牙槽骨，牙周膜，黏膜，附着体义齿在内的两组修复方式的三维有限元模型（见图1）。

1.3载荷的施加和支持组织应力规律的分析：为真实模拟口内正中咀嚼咬合时双侧下颌磨牙的受力大小、方向、作用点，本实验在ANSYS 16.0软件中经过三维重建后获得的两组附着体三维有限元型上，分别对其双侧游离端第一、第二磨牙附着体义齿同时施加100N大小的轴向载荷力，方向与磨牙牙体长轴平行，施加力的部位在磨牙颊尖舌斜面（见图2）。在轴向应力加载后，获得支持组织各部位（基牙、牙周膜、基托下黏膜）的应力分布规律。

2结果

2.1基牙和牙周膜应力分布情况：轴向载荷下，附着体义齿双侧的基牙、牙周膜应力分布和最大Von-Mises（等效应力值）几乎完全相同，基牙最大Von-Mises应力值和集中最明显的区域都分布在基牙的远中近牙颈部，应力中断组基牙和牙周膜受力面积大于冠外弹性组，两组附着体基牙最大应力值分别为12.774MPa和17.943MPa，牙周膜最大应力值分别为1.168MPa和4.577MPa，应力中断组最大Von-Mises应力值约是冠外弹性组的71.0%，牙周膜最大Yon-Miser值是冠外弹性组的26.6%（见表1），应力中断组基牙和牙周膜各部位受力较冠外弹性组更加均匀，受力范围更广（见图3）。

2.2牙槽嵴黏膜应力分布情况：轴向载荷下两组附着体游离端牙槽嵴黏膜应力分布规律相似，呈现从基牙远中至磨牙后垫区域受力渐大的趋势，常规冠外弹性组在近磨牙后垫的区域有一个应力集中区，应力中断组在游离端牙槽嵴黏膜远中有颊舌两个应力集中区，应力中断组较常规冠外弹性组牙槽嵴受力面积大，应力集中不明显，分布更均匀（见图4），应力中断组牙槽嵴黏膜和常规冠外弹性组最大应力值分别为0.526MPa和0.399MPa，应力中断组牙槽嵴黏膜最大应力值约是常规冠外弹组的25.0%（见表1）。

3讨论

常規冠外弹性附着体包含气囊缓冲结构，它在修复游离端缺失时对基牙可以起到一定的应力缓冲作用，但基牙远中基托下黏膜组织受力显著增加。本研究中，应用分裂基托与基牙近中的小连接体结构结合常规冠外弹性附着体，实现具有应力中断效应的附着体义齿设计，以期在减少基牙不良扭力的同时，减少并改善义齿远中基托下方的游离端黏膜组织的应力分布。早期Knapp等在设计可摘局部义齿时就提出了在基托处做“split”（裂隙）的设计理念，以达到应力中断的作用。但受限于传统钴铬合金强度和回弹性较差，该设计并未成功应用于临床。近年来，钴铬钼铸造合金Vitallium 2000的开发和应用逐渐广泛，它通过提高传统的钴铬铸造合金中铬和钼（钼占5%～7%）含量，使其具有了较高的延展系数和维氏硬度，可以保证分裂基托在实现应力中断效应的同时，避免自身因应力过于集中而折断。为此，本实验采用Vitallium2000钴铬钼铸造合金铸造分裂基托。

三维有限元建模须考虑附着体各界面与黏膜的接触问题，这涉及到三维有限元非线性分析，为真实模拟实际咀嚼运动时附着体义齿组织面、侧面与牙槽黏膜间力学传动特点及支持组织各部位的受力状态，本实验采用CBCT、激光、逆向工程软件精准建模。对基托组织面、侧面及牙槽黏膜采用六面体划分，其余部分四面体划分，对根尖区牙周膜和牙槽骨进行细化，建模的速度快、精度高，同时确保了良好的几何相似性和力学相似性。本研究中，轴向载荷下应力中断组基牙和牙周膜在各区域受力值均小于常规冠外弹性组，受力范围大于常规冠外弹性组，两组附着体基牙都有明显的应力集中点，应力中断组基牙和牙周膜的最大应力值都明显小于常规冠外弹性组。应力中断组牙周膜受力分散均匀，无明显应力集中点，牙周膜对基牙有良好的拉应力，对牙周膜刺激较小，可以避免因传递至基牙和牙周膜较大的侧向骀力造成牙周的吸收，起到保护基牙和牙周的作用。

轴向载荷下，常规冠外弹性组远中牙槽嵴黏膜有一个应力集中区，推测可能是由于受力时义齿基托远中旋转和下沉，起到了对轴向力的缓冲作用，同时也造成了应力向远中牙槽嵴黏膜区域集中，容易造成牙槽嵴局部的吸收。应力中断组附着体牙槽嵴应力分布区域面积大于常规冠外弹性组，各位点Von-Mises值小于冠外弹性组，推测是应力中断组分裂基托受到通过义齿传递的轴向力时，由于其裂隙状设计和良好的回弹性，中断和分散了（牙+合）力，并使应力沿近中连接体传递至基牙，由基牙牙冠向根方呈轴向传递。有利于减少作用在基牙上的扭力并延缓牙槽嵴的吸收。

本研究证实该自主设计的应力中断式附着体义齿可以较好地改善义齿支持组织的应力分布，为维护和改善双侧游离端缺失后基牙及其支持组织的健康提供了一种较好的选择；基于临床上牙周条件和缺牙区牙槽嵴吸收程度的复杂状况，后续仍需进一步对其在不同载荷方式下的应力分布进行深入研究。