种植体周围炎与种植体形态关系的三维有限元分析

魏 玮

(江苏省常州中医医院 口腔科, 江苏 常州, 213000)

随着口腔医学技术的不断发展，牙种植逐渐成为牙列缺损患者的首选治疗方案。目前，牙种植失败时有发生，其原因为种植体受到过大的负载而导致种植体周围骨组织破坏，进而引发种植体周围炎，最终导致牙种植失败。造成种植体负载过大的原因很多，其中种植体与天然牙的形态差异是一个重要的因素。本研究在控制种植体与天然牙材质、牙根长度等变量的情况下进行三维有限元分析[1-3], 鉴于种植体与天然牙在形态上均较为复杂，以整体形式进行应力分析的难度较大，故采用将种植体与天然牙模型整体分解为多个简单区域进行分析的方法，比较种植体与天然牙的形态差异[4-5], 现报告如下。

1 材料与方法

1.1 实验仪器及软件

模型牙, Geomagic Studio(3D Systems, Rock Hill, SC, USA), ANSYS workbench 18.0 (ANSYS, Inc.Canonsburg, PA, USA)。

1.2 方法

1.2.1 建立模型: 通过扫描模型牙及种植体获得对应的三维模型。本研究选择的牙位为右下颌第二前磨牙、右下颌第一磨牙、右上颌第一磨牙。采用Geomagic Studio系统将得到的三维模型转化为几何模型，将几何模型导入有限元分析软件ANSYS workbench 18.0, 建立有效的三维有限元模型。

1.2.2 假设实验条件: 假设实验中各组织及材料均为连续、均质、各向同性的线弹性材料; 假设种植体及天然牙与骨界面为完全骨结合; 假设种植体与天然牙的临床牙根长度均为10 mm; 假设种植体与天然牙材料为钛。

1.2.3 加载条件：本实验设计对模型施加力量为100 N的垂直方向、水平方向及斜45°方向的载荷[6-7]。垂直方向：沿牙体长轴向根方向加载负荷，模拟牙齿在咀嚼时的受力情况；水平方向：与牙体长轴垂直，向腭侧或舌侧加载负荷; 斜45°方向: 与牙体长轴呈45°, 向舌腭侧根方向加载负荷。

1.2.4 相关材料力学特性: 本实验所涉及的材料的弹性模量及泊松比见表1。

表1 有关材料的力学参数

1.3 数据分析

使用分析软件ANSYS workbench对假设实验条件下的有限元模型加载不同方向的瞬间负荷，获得各方向载荷下各模型(主要是天然牙或种植体)以及其对应的骨松质的应力分布情况及最大应力值。

2 结 果

种植体及天然牙的三维有限元分析结果见图1～4。受到垂直力量作用时，各天然牙及种植体模型应力最大值见表2。种植体在承受100 N的垂直力量时对骨松质所产生的最大应力值略大于天然牙，而种植体本身的最大应力值则为天然牙的5～14倍，远大于天然牙的最大应力值。

图1 种植体及周围组织在加载100 N负荷时不同方向的应力分布

图2 上颌第一磨牙牙体及周围组织在加载100 N负荷时不同方向的应力分布

图3 下颌第一磨牙牙体及周围组织在加载100 N负荷时不同方向的应力分布

图4 下颌第二前磨牙牙体及周围组织在加载100 N负荷时不同方向的应力分布

表2 天然牙及种植体在垂直方向100 N作用下各组成部分的最大应力值 MPa

受到水平力量作用时，各天然牙及种植体模型应力最大值见表3。与承受垂直力量时相比，种植体在承受同样为100 N的水平方向力量时，其对骨松质产生的最大应力值远大于天然牙，为天然牙的10～30倍。同样，在100 N水平力量的作用下，种植体本身及骨皮质的最大应力值均远大于天然牙。

表3 天然牙及种植体在水平方向100 N作用下各组成部分的最大应力值 MPa

受到斜45°方向的力量作用时，各天然牙及种植体模型应力最大值见表4。种植体承受来自斜45°方向的100 N力量时，周围组织产生的最大应力值介于垂直方向与水平方向之间，而对种植体本身产生的应力为3个方向中最大的，说明在这种力量作用下种植体更加容易受到破坏。

表4 天然牙及种植体在斜45°方向100 N作用下各组成部分的最大应力值 MPa

3 讨 论

本研究结果显示，种植体在硬组织中产生的应力均高于各天然牙，特别是对骨松质产生的应力约是天然牙的10倍。在正常的应力下，骨组织会沿力量方向发生骨改建，但若力量过大，则会造成骨吸收速度大于骨形成速度，导致种植体周围骨组织破坏，进而形成种植体周围炎[8-10]。

在同样力量作用于牙体及种植体上时，骨松质受到的最大应力值是有区别的，复数牙根可以更加有效地减小牙体或种植体对骨松质的应力。同样是在单根的情况下，有着牙形态的下颌第二前磨牙牙根形态比螺纹种植体形态更有利于减小骨松质的应力，降低种植体周围炎的发生率。因此，在不考虑牙周膜等缓冲组织的情况下，多根结构更有利于减小力量对周围组织尤其是骨松质的直接作用，从而降低骨组织破坏的可能性。

人类多根牙的功能主要以研磨食物为主[11]，因此需要承受的力量远大于前牙。目前常用的众多种植系统多采用柱形的螺纹种植体，代替牙根的部分多为单根，且由于种植体骨结合的需要，种植体与牙槽骨之间没有牙周膜等软组织作为缓冲，因此磨牙牙位的种植体因种植体周围炎导致种植失败的可能性较其他牙位更大。

同样的力量以不同方向作用于牙体及种植体上时，骨松质受到的最大应力值及应力分布也不相同。力量沿牙体长轴作用时，牙体、种植体或周围组织的最大应力值均小于其他任意方向，应力分布也相对均匀。该方向的载荷是用来模拟牙齿在进行正常咀嚼功能时来自对颌牙齿的力量，这是日常生活中各个牙位的牙齿，特别是磨牙位的牙齿最常承受的力量。研究结果[12]显示，常用的螺纹种植体在承受这种力量时，尽管会使骨松质产生相对较大的应力，但与下颌第二前磨牙相比区别并不明显，可以认为螺纹种植体能较好地承受来自垂直方向的力量。若力量来自水平方向，即力量方向与牙体长轴垂直时，种植体与天然牙的差异就很明显。

当承受相同大小的水平方向力量时，种植体对骨松质产生的应力是天然牙的10～30倍，可认为种植体在这种情况下更容易造成骨松质损伤。在正常咀嚼过程中，咀嚼力的水平分力较小，该力量可以沿牙弓分散到各个牙位，对种植体及骨松质的影响较小。若咀嚼习惯存在问题，比如偏侧咀嚼等，则会出现颊舌向的咀嚼力量，对完全骨结合的种植体来说，这样的力量会直接作用在骨组织上，产生足够大的应力，最终造成骨组织的破坏。

当天然牙或种植体受到来自外部力量作用时，也可能产生水平方向的力量。当受到同样大小的水平方向力量时，除了种植体本身更容易遭到破坏外，周围的骨组织也会直接受到该力量的作用，可能造成骨组织的吸收甚至破坏，最终导致种植失败。但外部的水平力量多是瞬间载荷，相较于骨组织的吸收并最终造成种植体周围炎，种植体的损坏或骨组织物理性的折裂情况更容易发生[13-14]。通过比较各实验模型在受到力量时应力集中的区域发现，在受到水平方向的力量作用时，种植体应力最集中的区域在牙颈部区域，这个位置是种植体折裂、损坏的好发部位，但种植体在承受水平方向力量时对周围骨组织，尤其是骨松质造成损害的风险依然远大于承受垂直方向力量的风险。

天然牙或种植体承受斜45°方向力量的情况通常出现在前牙特别是切牙切割食物时。从数值上可以看出，以100 N力量斜向作用于牙齿时，各组数据均介于垂直方向和水平方向数值，种植体对骨松质产生的应力是天然牙的5～10倍。尽管最大应力值不如水平力量作用的数值，但从应力分布情况可以看出，天然牙或种植体在承受斜向力量时应力更容易集中于根尖区，因而在这种情况下骨松质更容易受到破坏，最终造成种植体周围炎。

本研究各个三维有限元分析用模型在建模时为了控制牙齿及种植体的牙根长度，假设了临床牙根为10 mm的条件，但在实际情况下，牙齿及种植体的黏膜-空气界面多位于牙或种植体颈部，因此这种假设与实际情况存在些许偏差，但这种区别主要体现在黏膜层，对其他组分的应力分布及最大应力值的影响较小[15]。

综上所述，单纯从形态角度而言，螺纹种植体在承受各个方向的力量时，其对骨松质造成损害的可能性均大于天然牙，因此种植体比天然牙更容易引起种植体周围炎，最终导致种植失败。