基台角度对种植体周围骨组织应力分布的影响

马新扬,王 方,唐成芳,左艳萍,王丹杨,崔晓明

(1西安医学院口腔医学院,西安 710032;2西安交通大学口腔医学院;*通讯作者,E-mail:maxinyang1984@126.com)

种植义齿因其外形与使用舒适度与天然牙接近已得到推广使用[1]。理想的种植体长轴应与修复后的牙冠长轴相平行,然而在临床修复过程中,由于拔牙后牙槽骨的吸收导致种植体植入区骨量不足、邻牙的位置及其牙根的走向要求种植体避开相邻重要解剖结构(下颌管、上颌窦),种植体无法按照理想位置植入,角度基台可结合患者现有骨组织条件植入,避免骨移植或骨移植后术区感染给患者带来的创伤,减轻了患者的痛苦,缩短了修复周期,然而,角度基台与直基台有所不同,它改变了咬合力的传导,使咬合力在种植体周围骨组织内的分布与大小发生了改变,对种植体周围骨组织的分化与改建产生一定的影响[2],因此,角度基台的使用在临床上受到一定的限制。如何合理使用角度基台,促进种植体与周围牙槽骨形成良好的骨结合,是需要研究和探索的一个课题。本研究通过建立不同角度基台种植体与骨组织结构有限元模型,分析咬合力作用下,种植体周围牙槽骨应力分布的变化,为临床种植修复过程中合理使用角度基台提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料及设备

1.1.1 实验设备及软件 牙科锥形束计算机扫描成像技术(cone beam computed tomography, CBCT),德国Sirona公司;图像处理软件Mimics 15.0,比利时Materialise公司;UG NX10.0软件,德国Unigraphics Solutions公司;逆向工程软件Geomagic Studio 10.0,美国Raindrop公司;有限元分析软件ABAQUS 6.13,美国Simulia Corp公司。

1.1.2 实验取材 对即将进行种植修复的患者进行三维锥形束断层扫描(CBCT),获得其种植区域骨组织影像学数据。

1.2 方法

1.2.1 角度基台种植体与骨组织三维实体模型的建立 将扫描后患者下颌骨影像学数据以DICOM格式文件储存并导入Mimics 15.0软件中,应用Caculate3D命令重建骨组织三维形态。对骨组织表面形态进行光滑处理,以STL格式文件导入Geomagic Studio 10.0逆向工程软件软件,修整模型表面不平整区域,将模型转化为非均匀有理B样曲面结构,以.iges格式导入UGNX10.0软件中[3]。对骨组织表面进行缝合,使壳体模型转化为实体模型。对模型进行裁剪,保留种植区域20 mm骨组织结构,选取种植体骨组织表面2 mm为皮质骨区域,并通过装配将皮质骨与松质骨组装为一体。

在UGNX10.0软件中构建角度基台种植体结构,绘制种植体与和角度基台的二维草图,利用旋转、扫略、形成种植体结构,缝合后形成实体模型,种植体规格为长度8 mm,直径为4 mm,螺纹深度为0.6 mm,螺纹间隔0.5 mm,角度基台高度为4 mm,基台长轴与种植体长轴分别呈15°,25°,35°,分别装配种植体与角度基台,将种植体置于骨组织种植区域,使用布尔运算的减法命令去除骨组织与种植体重合区域后,得到备洞后的骨组织结构,并以.prt格式保存,用于后续实验有限元模型的建立。

1.2.2 角度基台种植体与骨组织三维有限元模型的建立 将骨组织与种植体模型导入Abaqus6.13有限元分析软件中,在Part模块中将各部件设置为独立结构,定义模型为各向同性的均质材料,材料参数见表1。装配模型,将种植体嵌入骨组织内,使种植体螺纹与骨组织完全密合,角度基台位于种植体正上方。定义模型的接触关系和边界条件,种植体表面与骨组织接触面见图1,接触关系定义为tie,将种植体与角度基台使用merge命令连接在一起,同时限定模型两侧的骨组织3个方向的位移限定为零(见图2)。采用网格单元为C3D10m四面体单元对各实体部件进行网格划分[4],最终获得模型单元数为124 531,节点数为41 765(见图3)。在角度基台表面施加100,200 N的咬合力,建立分析步后提交模型分析。

图2 定义骨组织边界条件

图3 角度基台种植体与骨组织网格划分后模型

1.2.3 咬合力作用下角度基台种植体周围骨组织的应力分析 在所建有限元模型的基础上,给角度基台表面分别施加100,200 N咬合力,分析基台角度的改变以及咬合力的大小对种植体周围骨组织应力分布的影响。

2 结果

2.1 不同角度基台周围骨组织应力分布

在咬合力作用下,基台角度的改变对种植体周围骨组织的应力分布产生一定影响。基台角度为15°和25°时,种植体颈部皮质骨应力分布均匀(见图4),无明显的应力集中区域,在倾斜侧的松质骨结合界面,两组出现局部应力集中(见图5)。随着基台角度的增大到35°,应力集中区域面积增大(见图4)。

15°组与25°组种植体颈部皮质骨无应力值明显高于周围组织的红色应力集中区域;而35°组出现明显的红色应力集中区,与颈部其余部位相比,应力分布不均匀

15°组与25°组在角度基台倾斜对侧有较小面积颜色较深的局部应力集中区域;35°组应力集中面积扩大

2.2 咬合力大小对种植体周围骨组织应力分布的影响

在咬合力作用下,骨组织的高应力区主要分布在种植体皮质骨周围和倾斜侧骨结合区域松质骨。咬合力为100 N时,种植体倾斜侧皮质骨应力均值增高(见图6)。在倾斜侧种植体结合界面螺纹处的松质骨区域,压应力明显大于非倾斜侧松质骨,结合界面松质骨的应力大小随着基台角度的增加而增大(见图6)。随着咬合力的增加,三组角度基台应力均值增加(见图7),咬合力为100 N时,骨组织内应力值虽然随着基台角度增加而增大,但是增大幅度不明显。当咬合力增大至200 N时,35°基台种植体倾斜侧皮质骨和松质骨应力集中区域面积迅速扩大,应力值明显增高(见图7)。

图6 咬合力100 N时皮质骨和松质骨应力大小与基台角度关系

图7 咬合力200 N时皮质骨和松质骨应力大小与基台角度的关系

3 讨论

种植体与周围骨组织形成的骨结合是影响种植体成功与否的关键因素[5],而骨周围力学环境(应力、应变)对骨结合产生重要作用,角度基台的使用改变了咬合力的传播方向以及骨组织应力的分布,更容易造成应力集中而导致种植体周围骨组织吸收[6,7]。本研究通过建立不同角度基台种植体修复的三维有限元模型,分析研究咬合力作用下,基台角度的改变对种植体周围牙槽骨应力分布的影响,为临床种植修复过程中合理使用角度基台提供理论依据。研究结果发现,在咬合力作用下,种植体颈部倾斜侧皮质出现不同程度的应力集中,应力集中随着基台角度的增大而增加。随着咬合力的增大,基台角度增大使得种植体倾斜侧皮质骨应力快速增加,研究结果表明,种植体周围骨组织的应力分布大小与基台角度相关,基台角度的改变会造成倾斜侧种植体周围皮质骨及结合界面松质骨应力增大,长时间的应力集中最终可能导致骨组织的吸收。提示临床医生:在进行角度基台种植修复时,应关注患者的皮质骨厚度及评估患者种植区骨量,避免使用过大角度的基台,必要时应降低患者的咬合力以促进形成骨结合。

为了建立骨组织结构的三维有限元模型,本研究选用即将种植修复的病例下颌骨组织的CT影像学数据作为建模依据,获得微结构清晰完整骨组织二维图像数据,在Mimics 15.0软件中调整阈值,应用Caculate3D命令重建骨组织三维形态。使用Geomagic Studio 10.0设置骨组织结构模型轮廓线,将模型轮廓线拟合后形成连续的NURBS曲面。将模型数据以IGES格式文件输出后导入UGNX10.0软件中,缝合曲面得到骨组织微观结构实体模型,同时建立种植体与角度基台模型,装配种植体与骨组织模型,使骨组织模型与种植体中轴线相吻合并进行模型相减,得到备洞后的骨组织微观模型。这一过程使模型在几何形态上尽可能地与原始骨组织的实际情况保持一致,保证了模型的结构相似性,使计算结果更加可信。

种植体植入后与周围组织形成骨结合,承担咬合力的分散与传播[8]。在一定的咬合力作用下,有利于骨结合的形成和种植体的稳定[9],然而当种植体承受不利的咬合力时,可能导致骨组织的吸收和种植体的松动[10]。研究发现,给基台表面施加100 N咬合力时,随着加基台角度的改变,种植体周围骨组织的应力分布有所不同,高应力区域随着基台角度的增大而缓慢增加,其中,15°与25°时应力值增加不明显,35°时基台应力均值增加较为明显;当咬合力调整为200 N时,倾斜侧皮质骨区域应力均值增加,35°时皮质骨与松质骨应力均值明显大于25°时。研究结果表明,基台角度在15°和25°时,咬合力大小对骨组织应力的分布尚未造成明显的变化。当基台角度较大时,倾斜侧骨组织在承受咬合力时,应力峰值较大,同时受到压缩应力和剪切应力,长时间的应力集中不利于骨组织形成骨结合,最终可能会造成种植体周围皮质骨与骨结合界面松质骨的吸收,提示临床医生在进行角度基台种植修复时应关注患者种植区域皮质骨的质量,根据实际情况选择合适的基台以确保种植体的稳定性,避免使用角度过大的基台而影响种植体与骨组织的结合。