骨替代材料修复牙槽骨缺损的有限元分析

2020-12-02方炜马伟群陈军罗震杨柳青

医药前沿 2020年16期

方炜马伟群陈军罗震杨柳青

（1 南方医科大学口腔医院颌面外科门诊广东广州 510280）

（2 广州市妇女儿童医疗中心口腔科广东广州 510623）

牙槽嵴吸收主要表现在牙槽嵴垂直高度的降低和水平宽度的减小。在拔牙后的前6 个月吸收速度最快，牙槽嵴骨水平宽度平均减少2.9% ～63%，骨垂直高度降低11% ～22%。临床可采用的治疗策略包括引导骨再生、块状骨移植、牙槽嵴劈开或牵张成骨[1]。引导骨再生技术指的是通过植入膜和移植材料为骨缺损提供修复的空间和促进骨组织再生[2]。已有众多研究证明引导骨再生技术可有效促进骨缺损再生，已成功运用在临床治疗中。但众所周知垂直向骨缺损比水平向骨缺损的治疗更具有难度[3-5]。由于口腔这一特殊环境，垂直向骨缺损再生失败的主要原因是咀嚼压力过大，导致膜和移植材料所维持的成骨空间塌陷。

但目前未见相关文献分析咀嚼压力作用下，颌骨内骨替代材料的力学分布。因此本研究设计一种固定钛膜的钛种植体，利用三维有限元分析其支撑和分散颌骨内咀嚼压力，并研究颗粒状骨替代材料在骨缺损区的移位和力学分布。

1. 材料和方法

1.1 实验模型

用ABAQUS 软件绘制简化的下颌骨缺损局部梯形骨块模型，总高20mm，近远中方向为23mm，颊舌方向为8mm，皮质骨厚2mm，分别在颊、舌、上三个方向包绕松质骨。骨缺损区域深度8mm，近远中方向为7mm，颊舌方向为8mm，颊舌侧骨壁缺失。该简化模型排除周围组织和神经肌肉系统。本实验模型的每个构件认为线性弹性并为均匀。

实验共设计三组模型，A 为下颌骨缺损骨块模型，骨缺损区域充填颗粒状骨替代材料；B 为下颌骨缺损骨块模型，骨缺损区域充填颗粒状骨替代材料，钛膜覆盖缺损区域；C 为下颌骨缺损骨块模型，骨缺损区域充填颗粒状骨替代材料，钛种植体植入骨缺损区域固定支持钛膜。

1.2 材料性能及负载条件

皮质骨和松质骨(II 类骨) 的杨氏模量为13700MPa 和1370MPa，泊松比均为0.3。颗粒骨替代材料的杨氏模量为365MPa，泊松比为0.2。钛膜、钛帽和钛种植体的杨氏模量为103400MPa，泊松比均为0.35。在三组模型相同位置，均匀加载垂直向力200N，负载力面积相等（D=5mm）。

2. 结果

3.1 应力分布

整体模型中，A 模型Mises 应力最大值位于颗粒状骨替代材料中，呈弧形塌陷。A 模型颗粒状骨替代材料Mises 应力最大值为8.042MPa，B 模型颗粒状骨替代材料Mises 应力最大值为8.009MPa，C 模型颗粒状骨替代材料Mises 应力最大值2.612MPa，位于负载作用面的正下方，呈弧形塌陷，位于颗粒状骨替代材料中。B、C 模型Mises 应力最大值分别位于钛膜和钛种植体。B模型颗粒状骨替代材料Mises 应力最大值为8.009MPa。C 模型颗粒状骨替代材料Mises 应力最大值2.612MPa，降幅为67.52%，位于与种植体中部连接处。B 模型应力集中的区域分布在钛膜负载作用面的中心处，Mises 应力最大值1114MPa，C 模型应力集中区域位于种植体内部中心轴，Mises 应力最大值1525MPa，钛帽和钛种植体连接处Mises 应力最大值17.02MP。

2.2 讨论

生物力学是植入物成功和稳定的重要考虑因素之一，特别在口腔这一复杂环境，植入物受到来自颊部、舌部肌肉和咀嚼力等多方面应力影响[6]。有限元分析具有许多优势，给予适当的条件和已知物理性质，排除不相关的实验外部因素，可用于研究复杂几何结构或各种材料组成的物体三维整体的应力分布、方向、应力大小和移位[7]。植入物的成功取决于外力是如何分布到周围的骨组织[8]。本研究中钛种植体固定钛膜为植入颗粒骨维持空间，达到“帐篷效应”，当垂直向力作用通过种植体有效传递到松质骨。三组模型对比，模型颌骨内应力集中位置从植入物- 皮质骨- 松质骨接触界面转移到皮质骨- 松质骨接触界面。模型中颗粒状骨替代材料Mises 应力最大值，下降幅度也是相当明显。

需要注意的是，在本研究中的模型是均匀和线性弹性，这不一定在临床实践中存在，而且在实际临床中存在许多不确定性，如颗粒状骨替代材料随压力和时间推移，其密度也变化；皮质骨和松质骨条件随个体变化等因素。本研究的目的是提供一个生物力学原理，为临床治疗作参考。