愈合时间对Ⅲ类骨质中微种植体稳定性影响的三维有限元分析

李晨曦 刘一冰 郄 会 周冠军 芦 琳 单丽华

种植体支抗在正畸治疗中具有疗效可靠、操作简便、创伤小及舒适度佳等诸多优势，已被正畸医师临床上广泛应用。但是临床上经常会遇到骨密度偏低的患者（如处于发育期的青少年，骨的发育并不十分完善），种植体脱落常有发生，严重影响了治疗效果。这种薄弱骨质属于Lekholm和Zarb骨质分类[1]的Ⅲ类骨质，如何提高这类患者的种植成功率，是目前临床上急待解决的难题。种植体稳定性包括了初期稳定性与二期稳定性两方面。有研究表明[2，3]：种植体的初期稳定性受到患者自身因素、手术因素、载荷情况、材料因素等多方面影响，但最重要的是种植部位皮质骨的厚度；影响种植体二期稳定性的主要因素是愈合时间和“骨结合”。针对Ⅲ类骨质，是否需要延长愈合时间或者降低载荷力值以提高种植体稳定性还有待研究。本实验采用三维有限元方法，建立不同愈合时间的Ⅲ类骨种植体—颌骨有限元模型，施加不同力值载荷，并行应力分析，从而观察比较Ⅲ类骨不同愈合时间与不同载荷力对微种植体稳定性的影响，用以指导微型种植体支抗的临床应用，提高成功率。

资料和方法

1.建立Ⅲ类骨的微种植体-颌骨有限元模型

采用Catia V5软件，取一女性青春期志愿者左侧上颌第二双尖牙与第一磨牙之间的颌骨CT纵断面（常用种植体植入部位），根据实际尺寸将断面简化为梯形，然后以断面作为基底面拉伸成六面体，建立简化的颌骨模型。模拟Lekholm和Zarb分类[1]的第Ⅲ类骨质，设定表面皮质骨厚度为0.7mm[4]。

根据某国产临床常用微型种植体形态建立微种植体模型。种植体总长度12mm，骨内段长度8mm，直径1.6mm，螺纹高度0.2mm，螺距0.6mm，螺纹为刃状，顶角60°（图 1）。

图1 微型种植体模型

拟在简化的颌骨模型上距槽嵴顶龈方4mm处垂直于皮质骨骨面植入种植体，利用Catia V5的三维建模功能按其相应位置进行装配。

设定皮质骨与松质骨均为连续、均匀、各向同性的线弹性材料，受力变形为弹性小变形。设定皮质骨与松质骨四周固定，不发生相对移动。本研究模型材料力学参数见表1。

表1 模型材料力学参数

2.加载力的大小和方向

设定远中为X轴正向，龈方为Y轴正向，以种植体长轴为Z轴。将种植体的颈部作为载荷点，分别加载1N与2N载荷。加载方向：平行于X-Y平面且与Y轴平行指向负向（即垂直于种植体长轴向牙合方）见图2。

图2 三维有限元模型加力方向图解

3.实验分组设计

即刻加载组（immediate loading，IL）采用库仑摩擦模型模拟非骨结合状态。应用Abaqus软件，用“过盈配合”的方法模拟种植体-骨界面的初始应力。即刻加载组分三组即：IL1、IL2、IL3，分别设定过盈量为 0.03mm、0.05mm、0.1mm[5，6]。

早期加载组（early loading，EL）与延期加载组（delay loading，DL）分别模拟种植体愈合3周后与愈合7周后加载的情况。以微种植体-骨结合率（bone-implant contact rate，BIC）定义不同愈合时间微种植体-骨接触面，设定EL组BIC为34%，DL组BIC为44%[7]。以不同比例的骨结合区与非骨结合区来模拟不同骨结合率。骨结合与非骨结合区域在种植体-骨界面间隔出现，并随机分配[8]（图3）。种植体-骨界面的骨结合区单元为固定接触，在载荷作用下无相对位移；非骨结合区单元在载荷作用下允许发生相对滑动，摩擦系数μ＝0.2[6]。

图3 微型种植体与骨接触区域

4.网格划分

将三维模型导入软件Hyperwork11.0的Hypermesh模块中以六面体网格进行网格划分，其中种植体—骨界面区域，按照0.07mm网格尺寸进行网格细化，其余非重点考察部分以0.25mm网格尺寸完成网格划分，总网格数量为672189，节点数为146973。将有限元网格模型导入到Abaqus6.10中，建立各部分相应的接触面。

5.求解及计算

查看计算结果，并采集各组沿种植体长轴各部分的Von-Mises应力值。分析微种植体-骨界面在种植体不同愈合时间的应力分布规律。

结 果

建立了Ⅲ类骨质不同愈合时间的微种植体-颌骨模型。微种植体的Von-Mises应力主要分布在种植体与皮质骨接触的区域（图4）；颌骨的Von-Mises应力分布主要集中在微种植体-骨界面的皮质骨区，且衰减迅速，松质骨区应力较小（图5，6）。

图4 微型种植体应力分布图

图5 颌骨Von-Mises应力分布

过盈量明显影响骨界面应力峰值，随着过盈量的增加，种植体-骨界面的应力峰值相应增加，IL1～IL3 组分别为 316MPa、519MPa、902MPa（图 7），但对同一过盈量而言，不同载荷条件下，其应力峰值无明显变化。这说明微种植体-骨界面的初始应力基本由微种植体与骨的机械嵌合力产生。载荷值相同时，EL组和DL组的应力峰值相近，且都远远小于IL组（图7，表2）。但EL组和DL组2N载荷时的应力峰值明显高于1N载荷时，说明在皮质骨较薄的Ⅲ类骨质中，载荷力值对种植体—骨界面应力分布影响显著。

图6 EL组与DL组种植体—骨界面应力分布

图7 不同愈合时间颌骨应力峰值的比较

表2 不同愈合时间颌骨Von-Mises应力峰值

讨 论

1.皮质骨厚度对微种植体稳定性的影响

骨的质量尤其是皮质骨的厚度，与微型种植体的稳定性密切相关[9，10]。Lekholm和Zarb分类法根据密质骨的厚度、密度与松质骨的质量，将骨组织分为四类[1]：Ⅰ类骨质，整个颌骨几乎全由均值的皮质骨组成；Ⅱ类骨质，有一层较厚的皮质骨围绕致密的松质骨核心组成；Ⅲ类骨质，一薄层密质骨围绕较松质骨构成；Ⅳ类骨质，一薄层密质骨围绕低密度的松质骨构成。人类颌骨的不同部位，骨的质量有很大差异[1]：通常下颌骨密度高于上颌骨，上颌骨后部皮质骨的厚度与松质骨的密度均降低，下颌骨反而有增加趋势；薄弱的Ⅲ类骨质在多数青少年和某些成年人（多为女性）上颌骨后部最为常见，Ⅱ类骨质在成年人颌骨分布最广。上颌骨后部是种植体常用植入部位，也是临床上种植体脱落的高发区。但目前针对Ⅲ类骨质的研究却极少。

种植体植入颌骨的部位应力过度集中是导致种植失败的重要因素[3，11]。本研究发现Ⅲ类骨质中颌骨种植体-骨界面的应力很高，且主要集中于皮质骨，松质骨的应力小。Sevimay[12]研究发现：相同条件下，Ⅲ、Ⅳ类骨种植体-骨界面的密质骨Von-Mises应力大于Ⅰ、Ⅱ类骨。原因可能是皮质骨的杨氏模量远大于松质骨，当应力传导至接触区骨界面时，皮质骨对松质骨产生了应力遮挡效应，松质骨承担应力低，且Ⅲ类骨皮质骨厚度小，松质骨密度不高，因此皮质骨承担了更多的应力。

2.不同愈合时间对微种植体-骨界面应力分布的影响

本实验结果显示，IL组微种植体-骨界面的应力峰值最高，最低的IL1组也达到316MPa，远大于而EL组和DL组（表2）。可见Ⅲ类骨质中微种植体-骨界面的初始应力很大，愈合一段时间形成一定的骨结合后加载颌骨应力大幅度降低。由于Ⅲ类骨质皮质骨薄弱这一特点，临床上种植体植入扭力很小，抗力不足，不利于种植体保持稳定[13]；另外植入初期颌骨局部应力过大，有研究发现[3]：皮质骨厚度＜1mm、应力超过28MPa时，可能会出现皮质骨变性，这也必然会影响骨的重建。因此不推荐即刻加载。

本研究中EL组与DL组应力峰值接近，因此可以认为34%的骨结合率足以保持微种植体的稳定性。但是，在三维有限元模型中种植体—骨的结合点是随机分布的，且Ⅲ类骨质的骨密度低，骨质疏松，会出现空结合点，因此模型中44%的骨结合点未必会多于34%（模型与组织学上骨结合有差别）。这可能是本研究中出现DL组应力略高于EL组的原因。

Oltramari-Navarro等[14]通组织学研究认为，低强度的即刻加载与早期加载、延迟加载，对种植体稳定性无影响。但这是针对一般骨质（Ⅱ类骨）的研究，与Ⅲ类骨质相比皮质骨厚度大、骨质也更致密，因此与本实验结果存在差异。吴晶等[15，16]通过动物实验发现，微种植体骨整合完成前，种植体的生物力学性能与愈合时间呈正相关。Yano与Motoyoshi研究认为[17]微型种植体支抗可以应用于颌骨发育中的青少年患者，但必须经过一定愈合期再加载，否则成功率过低。而青少年颌骨相对薄弱，尤其上颌后牙区多数属于Ⅲ类骨质，这也可与本实验结果相互印证。

3.不同加载力值对微种植体-骨界面应力分布的影响

在本实验中，EL组和DL组载荷力值下降了50%时，其应力峰值分别下降了51.17%和50.12%（图7），说明减小种植体载荷值更有利于减小微种植体-骨界面应力峰值。因此可以通过适当减小种植体载荷力值来增加Ⅲ类骨质中微种植体的稳定性。

在IL组中，不同载荷力值对微种植体-骨界面应力分布没有明显影响，说明微种植体-骨界面的初始应力主要是由过盈量产生的，微种植体的初期稳定性是由种植体与颌骨之间的机械嵌合力提供。

4.不同过盈量对微种植体-骨界面应力分布的影响

微种植体植入颌骨时，即便使用先导钻，钻孔的直径也小于种植体的直径，由此产生了种植体-骨界面初始应力，这需要用“过盈配合”来模拟。过盈是指孔的尺寸减去相配合轴的尺寸所得的代数差为负，为正时称间隙。过盈量是这一差值的绝对值，决定了孔和轴结合的松紧程度。临床上助攻型微种植体一般选择与种植体直径相差0.1～0.2mm的先导钻；而自攻型种植体过盈量一般大于助攻型（具体差距未见有报道）。在手术中钻孔的直径会稍大于钻针直径，为了能更真实地模拟临床状态，本研究选择添加的过盈量分别为0.1mm、0.05mm和0.03mm。但是现实中添加过盈量仅能模拟种植体植入后的近期情况，由于颌骨的破坏和改建在持续进行，过盈量可能在颌骨分化出破骨细胞后会发生变化（具体变化时间和过盈量与应力的改变情况未见报道），因此如何模拟动态的初始应力与过盈量的关系有待于进一步的研究。

本实验结果显示，IL组微种植体-骨界面的应力与过盈量值的大小呈正相关关系。根据界面最终初始应力与骨的破坏强度相当的理论[6]，过盈量产生的初始应力，应该在骨组织的耐受范围之内，否则会产生骨裂、骨折损伤等将应力释放。Ⅲ类骨质皮质骨薄，应力高，更容易在高应力下损伤，因此为了减小过盈量产生的初始应力，临床上尽可能选择助攻型种植钉。

在实验中0.1mm过盈量模拟的即刻加载模型应力最大，其皮质骨应力峰值高达902MPa，松质骨中的最大应力也达到了78.3MPa，远大于在EL组和DL组。出现这一结果有两种可能：一是0.1mm的过盈量能够真实地模拟种植体即刻加载的短期情况，应力峰值高是由于Ⅲ类骨质皮质骨很薄；二是在微种植体植入过程中0.1mm的过盈量过大了，只是理论值，临床中没有真实存在。

本研究还存在一些不足：不同愈合时间的骨结合率是参考动物实验[7，15，18]选择的，而人类个体差异较大，植入不同材料或表面形态的种植体都会出现不同结果，准确描述未见报道；且由于Ⅲ类骨质的特点，目前的三维有限元模型模拟的骨结合与组织学上的骨结合还有一些差别。如何利用三维有限元模型来更准确模拟Ⅲ类骨质不同愈合时间种植体-骨界面状态，有待于进一步的研究。

针对Ⅲ类骨质患者，应在微型种植体愈合一段时间达到一定的骨结合后再轻力加载，以增强种植体稳定性，不可即刻加载。微种植体-骨界面的初始应力主要是由过盈量产生的，且与过盈量值的大小呈正相关关系。