基台颈部缓冲层对种植体应力分布影响的三维有限元分析

张帅 吕川 李进红 朱保民 王维倩

1.浙江中医药大学口腔医学院/附属口腔医院，杭州 310053；2.杭州市东宁口腔诊所，杭州 310017；3.浙江中医药大学附属广兴医院，杭州 310021；4.杭州口腔医院VIP中心，杭州 310002

种植修复作为牙列缺失或牙列缺损的一种修复方式，被越来越多的患者所选择。但种植修复也有其并发症，种植体折断在其中占很大的比例，折断多发生在种植体颈部[1]。种植体与牙槽骨的结合方式与天然牙有很大的差异。天然牙具有起缓冲垫作用的牙周膜结构，使牙齿有较大范围动度，可以对抗侧向和扭转力。而种植牙与牙槽骨是骨性结合，种植义齿行使咀嚼功能时，仅允许骨组织在极小的范围内移动（micromovement），力直接传递到骨组织引起微损伤导致种植失败[2]。目前临床上所使用种植系统的种植体与基台的连接均为刚性连接，本研究在基台表面增加缓冲层，通过施加垂直向载荷和水平向载荷，对种植体及基台的颈部、体部受力情况进行分析，比较有无缓冲层对种植体应力的影响，以期对种植体设计提供新的思路。

1 材料和方法

1.1 样本的选择及数据获取

研究对象为36岁成年人，女性，36牙缺失，35、37牙无明显龋坏及松动，无全身系统性疾病。根据CT扫描数据形成DICOM文件，以此重建下颌第一磨牙区域的牙槽骨结构模型，并导出颌骨结构STL文件。

1.2 种植体几何模型CT重建

对颌骨结构STL文件进行曲面拟合和光顺处理，分别重建基台与种植体颈部连接处有缓冲层和无缓冲层2种模型，形成颌骨结构三维实体几何模型。参考文献4和文献5中种植体的结构尺寸参数，通过SolidWorks软件对种植体、中央螺栓、基台与种植体之间的缓冲层、基台、第一磨牙的牙冠进行三维建模，并与下颌骨的皮质骨和松质骨进行布尔运算，其中皮质骨厚度设置为2 mm，基台与种植体之间的缓冲层厚度设置为0.5 mm（在有限元软件中建立2D面结构，相关材料参数直接输入，单元属性定义为2D-shell单元，厚度设为0.5 mm）；种植体尺寸设置为长9 mm、外径3.6 mm、内径2 mm，将逆向处理好的下颌骨皮质骨、松质骨、第一磨牙牙冠、种植体、基台、中央螺栓、缓冲层等结构形成三维几何实体模型，并导入MSC.Patran软件中（图1～3）。

图 1 整体几何模型Fig 1 The global geometric model

图 2 第一磨牙处下颌骨及牙冠几何模型Fig 2 Geometric model of the mandibular groove bone and crown of the first molar

图 3 种植体三维几何实体模型Fig 3 3D geometric solid model of implant

1.3 网格划分

模型网格划分情况：种植体、颌骨等实体结构均采用实体单元网格，共计85 155个节点、473 144个网格单元；种植体与牙槽骨之间模拟骨结合条件，结构间采用绑定连接，确保受力正常传递。

1.4 材料参数的设定

参考文献6～8，设置牙冠、牙槽骨、缓冲层、种植体等各结构的材料参数（表1）。

表 1 各结构组织材料参数Tab 1 Parameters of different structures

1.5 边界条件的假定

对种植体有限元模型进行边界约束（图4）和计算参数，定义如下：将牙槽骨底部完全固定约束，将远中、近中断面的法向位移约束，不限制其他方向运动约束；假定下颌骨结构为各向同性、均匀、连续的线弹性材料；缓冲层单元类似于硅橡胶特性，定义为超弹性材料；在牙冠处施加动态荷载（垂直向200 N，水平向100 N，45°，冲击速度44.9 mm·s-1）[3]，作用点位于中央窝处，沿中央螺丝轴线方向施加5 N预紧力，预先固定连接种植体系统各个部件，分别计算2种不同工况下的种植体、中央螺栓、基台的体部和颈部以及下颌骨各部位上受到的应力。 2种不同工况分别为：1）基台与种植体之间无缓冲层；2）基台与种植体之间有缓冲层。

图 4 种植体有限元模型边界约束条件Fig 4 Boundary constraints of finite element model of implant

2 结果

针对基台有无缓冲层对种植体有限元模型进行生物力学有限元仿真模拟，分别得出种植体及下颌骨皮质骨等对应的Von Mises等效应力云图，各结构应力峰值如表2所示，从表中可见：1）在受到非轴向的力时，种植体周围下颌骨应力集中在种植体颈部周围的骨皮质，种植体颈部受到的应力最大，基台应力集中在基台颈部，中央螺栓应力集中在颈部，体部。2）基台有缓冲层组在种植体、中央螺栓、基台的体部和颈部、以及下颌骨各部位上受到的应力均明显小于基台无缓冲层，应力减少了45.6%～54.1%。

表 2 种植体及下颌骨近远中、颊舌侧的应力峰值Tab 2 The stress peaks of the implant and the distal proximal middle and buccal tongue of the mandibular groove bone

3 讨论

3.1 种植体的设计

学者[4-6]研究认为，种植体外形为实心螺纹圆柱形，螺纹顶角为60°时最有利于应力的分布，具有较好的生物力学相容性。种植体颈部与基台连接处为种植体结构中最薄弱的部分，在受到过大应力时，最容易折断。种植体颈部增加微螺纹可以降低骨界面的应力值[7]。种植体长度的增加不会减少骨界面应力[8]，会降低周围骨的骨密度[9]，而种植体直径的减少会显著增加骨界面应力。因此，本实验模型中在下颌磨牙区采用较短长度、较小直径的种植体，以期产生较明显应力。

3.2 种植体及颌骨应力集中区域

种植体折断的临床病例中，负荷过大是一个很重要的诱因，Kinni等[10]通过光弹模型分析，证明种植体底部在轴向负荷下受到的应力最大，而种植体颈部在受到非轴向负荷时应力最大。本实验对修复体施加垂直向载荷200 N，加载集中于种植体顶部中心，水平向载荷100 N（45°），设计施力方向为垂直向结合水平向。对于颌骨，最高的应力集中在种植体上部周围的皮质部分[11]，与本研究结果相同。

3.3 研究方法的选择

采用CT成像技术对下颌骨左侧第一磨牙区域的颌骨结构进行三维重建，并通过几何结构建模方法建立种植体、牙冠、缓冲层等结构。采用有限元方法对两种工况情况（基台无缓冲层，基台有缓冲层）进行三维有限元仿真模拟，并定性定量研究分析了种植体及下颌骨近远中、颊舌侧对应的Von Mises等效应力分布情况，以及相对基台无缓冲层组对应的结构应力变化情况。

3.4 缓冲层材料的选择

目前临床上使用的种植体系统中，种植体与基台的连接均为刚性连接，使得牙冠、基台受到应力后无缓冲的空间，直接传导至种植体颈部。高聚合度聚氯乙稀树脂是指平均聚合度在1 700以上或者其分子间具有轻微交联结构的聚氯乙烯树脂，其中以平均聚合度为2 500最为常见。高聚合度聚氯乙稀树脂具有多种优异的性能，如较高的回弹性、较低的压缩永久变形、优异的耐热变形性能、较高的拉伸强度、抗撕裂性及耐热性等，具有热塑弹性体的性能。高聚合度聚氯乙稀广泛应用于人工椎间盘中髓核的制作，可与金属结合，提供良好的缓冲。高聚合度聚氯乙稀在人工椎间盘置换术中已使用多年，将其用于种植体的缓冲系统，可以兼顾良好的骨结合和压力缓冲，形成对种植体的保护。

本实验中在基台表面与种植体连接处利用高聚合度聚氯乙稀涂层制造缓冲空间，使得牙冠、基台受力后高聚乙烯涂层吸收部分应力，从而减少种植体受到的应力。实验结果表明，增加了缓冲层后，在上部修复体受到非轴向的应力时，种植体的体部及颈部受到的应力显著减小，缓冲层的设计减轻了种植体的受力。

利益冲突声明：作者声明本文无利益冲突。