不同切端设计的上颌中切牙瓷贴面三维有限元应力分析

2019-04-27汪德州姜雅萍王欢欢宋文植

中国实验诊断学 2019年4期

汪德州，姜雅萍，王欢欢，李慧*，宋文植*

(1.吉林大学中日联谊院口腔科，吉林长春130033;2.青岛医学院附属口腔医学中心)

全瓷贴面是一种新型微创修复方法，不同于传统的金属烤瓷冠和全瓷冠，它采取不磨牙或仅磨除唇侧或切端少量牙体组织的方式，将瓷贴面修复体通过粘接材料覆盖于患牙表面，以恢复患牙美观及功能[1]，具有牙髓刺激小、美学效果卓越、生物相容性好等优点，已成为义齿美学的首选修复方式和研究热点[2,3]。

但牙体设计预备对瓷贴面修复效果和成功率的影响一直存在争议，其中牙体切端设计一直是研究和争论热点[4，5]。目前争论主要集中在切端预备与否、切端预备后为斜面钝接型或舌侧包绕型对修复体强度和成功率的影响上。故本实验选用临床最常用的浅凹形颈部设计，采用三维有限元法分析不同切端设计对瓷贴面复合体应力分布的影响，以期为瓷贴面美学修复的临床应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料

参照王惠芸统计的中国人牙体测量平均值标准[6]，选用形态正常、无明显磨耗的成人上颌离体中切牙标本一颗。

日本东芝公司AQUILI ONE 320排动态容积CT机；美国MSC公司 NASTRAN、PATRAN有限元分析软件。

1.2 方法

1.2.1切端不同的上颌中切牙瓷贴面设计瓷贴面颈部采用临床最普遍的浅凹型设计，厚0.5 mm，根据切端设计不同分四种类型：A．开窗型：唇面形似开窗，切缘余留少量牙釉质，切缘及近远中釉质边缘形成浅凹形肩台；B.切缘对接型：唇侧磨除部分切端釉质，粘接后瓷贴面与剩余釉质共同组成切缘；C.切缘斜面型：切缘高度降低2 mm，切缘完全由贴面瓷层组成，但不包绕切端腭侧；D.切缘包绕型：切缘磨除2 mm，包绕切缘至腭侧1 mm，边缘浅凹形肩台(图1)。

A：开窗型B：切缘对接型C：切缘斜面型D：切缘包绕型

1.2.2有限元模型的建立和实验条件假设使扫描平面与牙体长轴垂直，以0.1 mm层厚扫描上颌中切牙，计算机上应用MSC/PATRAN软件生成相应坐标网格,依次输入上颌中切牙及瓷贴面复合体各部分边界信息,经边界平滑处理、坐标转换完成图像数字化,划分有限元单元和结点,均采用四面体单元完成切端不同设计的上颌中切牙瓷贴面修复体三维有限元模型(表1，图2)。

表1 不同设计三维有限元模型单元总数和节点总数

假设瓷贴面复合体各部分间无相对滑动，材料均为连续均质的线弹性材料，材料为各向同性,变形为小变形，牙周膜处行刚性约束。力学参数见表2。

表2 材料力学性能参数

加载条件：载荷100N，切缘顶端正中加载，方向：(1)腭唇向与牙体长轴成60°加载；(2)平行牙体长轴加载。

2 结果

不同加载条件下不同切端设计的瓷贴面复合体应力峰值及应力分布见表3及图3—10。斜向加载时瓷贴面复合体各部分等效应力值明显大于平行加载，应力集中区多出现在加载点附近及颈缘。斜向加载瓷贴面本身应力峰值大小为包绕型>斜面型>开窗型>对接型；粘结层和基牙应力峰值大小为开窗型>对接型>斜面型>包绕型。

表3 不同加载条件下切缘设计不同的瓷贴面复合体 Von Mises值(MPa)

A.瓷贴面；B.粘接层；C.基牙

3 讨论

3.1 瓷贴面复合体受力与加载方向的关系

从实验结果可知60°斜向加载时瓷贴面复合体各部分应力最大值明显高于平行加载。早期Troedson M[9]等分析结果证明应力峰值随着加载方向与牙体长轴所成角度的增加而增加，此时除了加载点，应力集中区还出现在瓷贴面复合体颈部粘接层内，说明斜向载荷对瓷贴面复合体的破坏性较大，导致粘接层破坏的力随受力角度增大而增加。

3.2 瓷贴面复合体受力情况

与瓷贴面复合体承受外力方式及应力传导方式有关。首先瓷贴面本身受力，切端高度不降低的开窗型和对接型在斜向加载时应力峰值较小，磨除部分切端的斜面型和包绕型应力峰值较大。是因为在开窗型和对接型中，外力载荷首先作用于切端部分保留的牙釉质上，而斜面型和包绕型则直接作用于瓷贴面切端，瓷贴面内部直接承受较大应力。与之相反，在粘接层和基牙牙体中，开窗型和对接型粘接层和基牙牙体受力明显大于斜面型和包绕型，斜向力加载时开窗型粘接层应力峰值分别是斜面型和包绕型的2.10倍、2.88倍，基牙牙体应力峰值均为斜面型和包绕型的4.11倍。

有趣的是，同样不降低切端高度的对接型，无论是瓷贴面本身还是粘接层和基牙，各部分的应力峰值均小于开窗型,这可能是不同的应力传递方式决定的。开窗型设计中，载荷力经高弹性模量的切端牙釉质传导至瓷贴面和粘接层，虽然可使瓷贴面本身应力峰值有所下降，但牙体组织因直接承受外力导致形变增加，使基牙本身和粘接层受到较大的破坏性应力，而在对接型瓷贴面设计中，外加载荷直接由牙釉质和瓷贴面切端共同承担，相应地基牙和粘接层形变较小，应力分布比较均匀。

在斜面型和包绕型中，粘接层和基牙应力峰值均较低。这是因为切端的斜面形和包绕形设计增大了瓷贴面与基牙的粘接面积，使单位面积上承受的的破坏性应力减小。同时切端预备改变了应力传递方式，斜面形切端设计和包绕形切端设计分别为瓷贴面提供了垂直向停止作用和唇向停止作用，不仅有助于临床精确就位和固位，而且减小了粘接层内所受的垂直和水平向破坏性应力，使粘接层和基牙应力分布更加均匀。临床上瓷贴面的失败多由于瓷材料的破裂或贴面松动脱落，因此临床选择病例要严格，设计和使用时均应注意增加应力集中区瓷层厚度和强度，增加粘结面积，引导应力沿牙体长轴传导。