下颌二植体支持式种植覆盖义齿的临床及骨改建模拟研究

张燕 李恺 霍丽

[摘要]目的：研究骨改建模拟方法在口腔种植修复中的可靠性。方法：采用临床下颌二植体支持式种植覆盖义齿数据建立骨改建模型，通过骨改建模拟实验结果与临床结果的对比验证骨改建模拟方法的可靠性。结果：在24个月时，骨改建模型中种植体周围皮质骨密度最终达到1.899g/cm3，松质骨密度最终达到1.136g/cm3，均比起始数值高，临床回访病例X线片显示种植体周围未见明显骨吸收。结论：骨改建研究与临床病例结果高度一致，骨改建模拟在口腔种植修复中高度可靠，该方法可以为种植术后种植体周围骨水平的变化提供准确预测。

[关键词]种植覆盖义齿;有限元;应变能密度;骨改建

[中图分类号]R783.6    [文献标志码]A   [文章编号]1008-6455（2019）04-0099-04

Abstract： Objective  To study the reliability of bone remodeling simulation in dental implant restoration.  Methods  A bone remodeling model was established through clinical data of mandibular two implant supported overdenture， and the reliability of bone remodeling simulation method was verified by comparing the results of bone remodeling simulation with clinical results. Results  In the 24 month bone remodeling model， the cortical bone density around the implant eventually reached 1.899 g/cm3， and the density of the cancellous bone reached 1.136 g/cm3， both the data were higher than the initial value. The X-ray data showed no obvious bone resorption around the implant. Conclusion  The bone remodeling study is highly consistent with the clinical case results. Bone remodeling simulation is highly reliable in dental implant restoration.This method can provide accurate prediction for the changes of bone level around the implant.

Key words： implant supported overdenture; finite element analysis（FEA）; strain energy density（SED）; bone remodeling

牙列缺失患者在全口義齿修复后，其牙槽骨由于生理性的骨吸收以及不良力学刺激而产生的应力性骨吸收都会导致牙槽嵴，尤其是下颌牙槽嵴的加速吸收。对于此类下颌牙槽嵴低平的患者，学者普遍推荐使用二植体支持的下颌种植覆盖义齿进行修复[1]。两颗种植体支持的覆盖义齿，其咬合力是否会对种植体周围骨产生不良刺激导致骨吸收以至于修复的失败？成为临床医生所关注的问题。当前，骨改建理论中应用应变能密度变化模拟骨改建的方法广泛应用于牙槽骨改建的计算中[2-3]。因此，本研究将临床二植体支持的下颌种植覆盖义齿修复患者的临床资料与骨改建实验结果相互印证，在直观显示应力刺激对种植体周围骨改建影响的同时，验证骨改建模拟研究的可靠性。

1  一般资料

1.1 研究对象：选择1例拟行下颌种植覆盖义齿修复的患者董某，女，57岁。因所佩戴下颌总义齿经常脱落来笔者医院要求重做义齿。口内检查见全口无牙颌，下颌牙槽嵴低平，旧义齿在下颌无明显固位力。修复方式拟定为2枚太极扣种植体，附着体为ERA弹性附着体，种植位点为下颌双侧尖牙区的下颌二植体支持的种植覆盖义齿。在征得患者同意后将患者下颌骨及其所佩戴义齿进行三维锥形束计算机断层（CBCT）扫描，扫描数据作为本实验建模原始数据。术后对患者行为期2年的回访，记录患者口内术后3个月、6个月、12个月及24个月复查时软组织状态及X线片所示患者种植体周围骨高度的变化。

1.2 实验材料及设备：Zimmer种植体（直径：3.25mm，长度：10mm Zimmer，美国）;弹性附着体 （Zimmer，美国）;三维锥形束CT（Sirona，德国）;惠普台式电脑（Hewlett-Packard，美国）。

1.3 实验软件：Mimics 10.11软件（Materialise公司，比利时）;Geomagic Studio 12.0软件（Raindrop，美国）;Abaqus 6.12 （Dassault，美国）;UG NX7.0软件 （Siemens，德国）;Visual Fortran Compiler Profession 13.0。

2  方法

2.1 有限元模型的建立：将CBCT扫描生成的.dicom格式数据导入Mimics 10.11软件，重建出患者下颌骨与原有义齿的表面形态，生成.stl数据。然后将上一步所得.stl数据进一步导入Geomagic Studio 12.0软件，得到.iges格式数据。同时，在该软件中制作义齿下口底黏膜：选择义齿边缘外2mm的下颌骨骨面，通过剪裁、加厚、平滑等操作得到口底黏膜。最终将数据导入UG NX7.0软件，分别得到义齿、黏膜松质骨（厚2mm）及皮质骨（厚2mm）的实体结构。并在软件中绘制与临床所使用的种植体及弹性附着外形态参数一致的实体模型。将两枚种植体置于与临床病例一致的双侧下颌尖牙处，经布尔运算，装配等操作最终建立起由2枚种植体支持并以弹性附着体连接的下颌种植覆盖义齿的实体模型。最后，将模型导入Abaqus/CAE 6.10软件中，划分网格，定义接触面，赋予各部分材料属性，定义边界条件，最终建立起有限元模型。

根据全口义齿平衡牙合的咬合原则，模型模拟平衡牙合咬合关系，对义齿全牙列加载载荷大小为600N的垂直向载荷。为了便于计算，模型中牙槽骨组织设置为各向同性的线弹性材料。为了模拟修复后义齿行使咬合功能时与下颌骨之间相对静止的状态，模型中用绑定、接触的约束关系定义不同部件之间的接触关系。对下颌角及下颌骨下缘等肌肉附着点采用了位移和旋转的刚性约束。模型中各部件材料属性如表1所示[4-8]。

2.2 基于应变能密度的数值模拟骨改建技术路线：在基于应变能密度的数值模拟骨改建实验中，首先通过有限元模型中不同网格单元的应变能密度（U）及其对应部位骨密度（ρ）信息得到代表每单位骨的应变能（SED）[9]，即    。同时，骨组织的密度与相对应部位的弹性模量的关系用方程可用代表骨弹性模量的E与代表骨的材料的常数C来表达：    。其中，C值为3.79GPa（g/cm3）-2[10]。因此，应变能密度与应力的函数关系可以表达为：        。σ为模型单元中的应力值，由此建立应力与对应单元骨密度的关系。至此，基于有限元分析的应力值即可与骨密度的变化建立联系。骨改建方程可表达为：               。

代表每个单元骨密度的变化速率，B为骨改建常数，B=1g/cm3，K为引起骨改建机械刺激不同的阈值。Kmin表示达到骨改建时最小的机械刺激刺激阈值，Kmin=0.0036J/g。Kmax表示骨改建過程中最大的机械刺激阈值，Kmax=0.0044J/g。Koverloading表示过载时骨受到的机械刺激阈值，Koverloading=0.0358J/g。

本实验在有限元分析的基础上进行24个迭代步的分析计算，以模拟在24个月内下颌骨改建的过程。为了简化计算过程，本实验在模拟分析中分别将下颌皮质骨和松质骨密度设置均匀一致的骨密度，皮质骨密度为1.74g/cm3，松质骨密度为0.90g/cm3[11]。松质骨密度变化范围为0.9～1.2g/cm3，皮质骨密度变化范围为1.74～2.0g/cm3。而当皮质骨的骨组织密度小于1.74g/cm3，松质骨的骨组织密度小于0.9cm3时，则认为该单元出现了骨吸收。

3  结果

3.1 患者X线片结果显示骨高度的变化：选取患者术后12个月、24个月复查影像资料，对比观察双侧种植体周围骨高度的变化。

术后两年内同一位置的影像学资料对比可见，二植体支持的下颌种植覆盖义齿修复后的24个月内，双侧种植体周围骨水平高度并未见明显改变。

3.2 临床资料与模型的对比：患者术后24个月复查时口内状态，可见种植体位于双侧尖牙区，种植体周围黏膜未见充血、红肿及溃烂，种植体周围软组织健康状态良好;模型中种植体相对于下颌骨的种植位点。可以认为模型中，种植体位于下颌骨双侧尖牙区，与临床资料一致。

3.3 下颌骨应力分布结果：由应力分布云图可见，下颌皮质骨所受到的应力刺激比松质骨大，应力主要分布于两枚种植体周围种植窝洞的骨组织，且种植窝洞远中部分骨组织应力值较大。同时，后端牙槽骨顶部与义齿基托接触部分也有低应力分布。

3.4 下颌骨骨改建结果：由24个迭代步时所示下颌骨骨密度云图可见，下颌骨的骨密度变化主要集中于种植窝洞周围牙槽骨，窝洞附近皮质骨与松质骨均未见明显的骨密度下降。后端牙槽骨顶部未见有明显骨密度的改变。

由骨改建模型中种植体周围骨密度变化曲线可见，在24个迭代步的骨改建过程中，松质骨与皮质骨骨密度均表现为缓慢上升的趋势。皮质骨的密度变化从第7个月开始，骨密度由初始值1.740g/cm?上升到1.899g/cm?。松质骨的骨密度变化则开始于从第8个迭代步，骨密度从初始值0.900g/cm?上升到1.136g/cm?。

4  讨论

下颌牙槽骨低平的无牙颌患者的修复是临床修复难点。随着种植修复的出现，可以通过种植体为义齿提供必要的固位及稳定，因此，下颌种植覆盖义齿成为解决此类问题的最佳选择。但植入种植体的数目一度成为学界争论的焦点，当在下颌骨中线植入1枚种植体，虽然能为义齿提供必要的固位力，但义齿在行使咬合功能的过程中还是无法避免摆动、撬动等不良影响，使得种植体受到诸多无法预测的力学刺激，降低了种植体的使用寿命[12-13]。3枚种植体支持的修复方式也会导致中间种植体的受力过大，降低其使用寿命[14]。而4枚种植体修复方式，咬合过程中的咬合力完全由种植体分担，会导致种植体受力过大，产生种植体周围骨吸收[15-16]。因此，2002年的McGill大会推荐使用2枚种植体支持的下颌种植覆盖义齿。此修复方式使得咬合力由种植体和剩余牙槽嵴共同分担，避免了种植体受到较大的力学刺激，同时解决了单种植体修复出现的旋转支点的问题，也最大限度地降低了患者的经济压力。因此，本实验在充分考虑到患者牙槽嵴状况和家庭经济条件的情况下，采取了二植体支持的种植覆盖义齿修复方案。

种植体周围炎和不良的力学刺激是导致种植体周围骨吸收的两大重要原因[17]。本实验中，患者种植体周围软组织状态保持良好，复诊期间未见红肿。因此，可以认为患者种植体周围骨组织的改建是由力学刺激所产生。在2年的回访期内，X线片显示两侧种植体周围骨高度未见明显变化，说明种植体周围骨密度未出现显著降低。骨改建模拟实验结果表明，由同一临床资料来源的模型在24个月的模拟中，皮质骨和松质骨的密度均有一定程度的上升，与X线片所示骨高度未见降低一致。模拟实验的结果与临床资料的一致性说明了基于应变能密度的骨改建理论对种植覆盖义齿种植体周围骨改建预测的可靠性。数值模拟实验作为一种实验方法，在精确建模的基础上，可以为临床医生提供种植修复预后的较为准确的预测。

由于本实验所采用的X线片的临床资料仅能提示种植体周围骨高度的变化而无法准确显示种植体周围骨密度的变化，成为本实验中的一项不足。但通过骨高度的不变，至少验证了种植体周围骨密度没有明显的降低，侧面印证了模拟实验中骨密度逐渐上升的实验结果。后续实验临床资料中种植体周围骨密度的获取将是实验改进的一个重要方向。

[参考文献]

[1]Feine JS，Carlsson GE，Awad MA，et al.The McGill consensus statement onoverdentures. Mandibular two-implant overdentures as first choice standard of care for edentulous patient[J].Int J Oral Max Impl，2002，17（4）：601-602.

[2]Horina JL，van Rietbergen B，Luli? TJ.Finite element model of load adaptive remodelling induced by orthodontic forces[J].Med Eng Phys，2018，62：63-68.

[3] Pei D， Hu X，Jin C，et al. Energy storage and dissipation of human periodontal ligament during mastication movement[J].ACS Biomater Sci Eng，2018，4（12）：4028-4035.

[4]Chang SH，Huang SR，Huang SF，et al. Mechanical response comparison in an implant overdenture retained by ball attachments on conventional regular and mini dental implants： a finite element analysis[J].Comput Method Biomec，2016，19（8）：911-921.

[5]Li K，Xin H，Zhao Y，et al. Remodeling of the mandibular bone Induced by overdentures supported by different numbers of implants[J]. J Biomech Eng-T ASME，2016，138（5）：1-8.

[6]Yoda N，Zheng K，Chen J，et al.Bone morphological effects on post-implantation remodeling of maxillary anterior buccal bone： A clinical and biomechanical study[J]. J Prosthodont Res，2017，61（4）：393-402.

[7]Brunski JB，Puleo DA，Nanci A.Biomaterials and biomechanics of oral and maxillofacial implants： current status and future developments[J].Int J Oral Max Impl，2016，15（1）：15.

[8]Rungsiyakull C，Chen J，Rungsiyakull P，et al. Bones responses to different designs of implant-supported fixed partial dentures[J]. Biomech Model Mechan，2015，14（2）： 403-411.

[9] Wang C，Zhang W，Ajmera DH，et al. Simulated bone remodeling around tilted dental implants in the anterior maxilla[J]. Biomech Model Mechan，2016，15（3）：701-712.

[10]李愷.种植体数目与分布对下颌种植覆盖义齿牙槽骨改建的影响[D].西安：第四军医大学， 2014.

[11]OMahony AM，Williams JL，Spencer P.Anisotropic elasticity of cortical and cancellous bone in the posterior mandible increases peri-implant stress and strain under oblique loading[J].Clin Oral Implants Res，2001，12（6）：648-657.

[12]Kronstrom M，Davis B，Loney R，et al.A prospective randomized study on the immediate loading of mandibular overdentures supported by one or two implants：a 12-month follow-up report[J].Int J Oral Maxillofac Implants，2010，25（1）：181-188.

[13]Liddelow G，Henry P.The immediately loaded single implant-retained mandibular overdenture：a 36-month prospective study[J].Int J Prosthodont，2010，23（1）：13-21.

[14]Liu J，Pan S，Dong J，et al.Influence of implant number on the biomechanical behaviour of mandibular implant-retained/supported overdentures：a three-dimensional finite element analysis[J].J Dent，2013，41（3）：241-249.

[15]Sadig W.A comparative in vitro study on the retention and stability of implant-supported overdentures[J].Quintessence Int，2009，40（4）：313-319.

[16] de la Rosa Castolo G，Perez SVG，Arnoux PJ，et al.Implant-supported overdentures with different clinical configurations： Mechanical resistance using a numerical approach[J].J Prosthet Dent，2019，121（3）：546e1-e10.

[17]汪松，孙刚，周嘉洪，等.人工种植牙失败23例原因分析[J].实用口腔医学杂志，2002， 18（3）：270-271.

[收稿日期]2018-10-19