牙种植体形态结构设计的研究进展

杜巧琳，顾新华

种植治疗被认为是对余留天然牙损害最小的一种缺失牙替代的方法[1]。牙种植体的形态和结构设计与种植治疗息息相关，是影响种植体初期稳定性、边缘骨水平和骨结合后承受载荷能力的最关键因素之一。骨-种植体界面的整体稳定性是维持种植体寿命的重要因素[2]。为了实现良好的初期稳定性和骨结合，牙种植体在外部形态，颈部设计，螺纹和凹槽设计，直径和长度，与基台的连接方式等方面上有了显著进步。本综述将系统性地阐述牙种植体形态结构设计的研究进展，为临床治疗提供理论依据。

1 牙种植体的形态设计

从牙科种植的发展史来看，学者们为了追求较高的治疗成功率和良好的美观效果，发明和改进了各式各样的牙科种植体。而在如今的牙种植体体系中，主流形态是骨内种植体，骨膜下、黏膜内种植体和叶片状、盘状种植体等类型因难以取得满意的骨结合和长期稳定的临床效果已渐渐被淘汰[3]。为了获得足够的稳定性和受力时良好的应力分布，学者们针对不同的骨骼类型和临床情况设计了不同的种植体几何形状，比如圆柱形、锥形、卵圆形或阶梯式。目前，最常见的种植体几何形状为圆柱形和锥形[4]。从早期的Branemark时代开始，牙种植体在外形设计上是柱状的。Waechter等[5]通过各项指标检测发现从植入到骨结合的最后阶段，位于下颌骨后区的锥形和圆柱形种植体表现出相似的生物力学和生物学行为。但Schiegnitz等[6]发现，对于萎缩性上颌骨的种植治疗，锥形种植体能通过锥状外形和螺纹螺距的减小来获得较高的初期稳定性。而且，越来越多的证据显示，在骨质量较差的种植条件下，调整种植体的形态，特别是通过使用锥形种植体，对种植体的初期稳定性有显著影响，实现良好的临床效果[7]。另有研究证明锥形种植体因其解剖学设计可贴合拔牙窝，特别适合用于拔牙或缺失天然牙齿后的即刻或早期植入[8]。

为了缩短治疗总体持续时间、实现初期稳定性和控制种植体的三维位置，使用与天然牙根相同设计的根形种植体也被认为是非常有益的。这种个性化设计，称为根模拟种植体(root-analogue implant, RAI)，该技术于1969年首次被提出，并且多年来已经开发了多种类型的种植体。RAI的发展得益于数字化技术的进步。通过CBCT获得牙和牙槽骨的三维模型，再使用CAD软件三维重建种植体，再利用数字光处理、3D打印技术，实现临床患者的个性化种植体制作[9]。Cheng等[10]提出了一种优化的个性化牙种植体制作方法，其基于患者骨密度、皮质骨厚度等数据，对种植体的形态结构设计进行多因素耦合数字化模拟，包括螺纹螺距、螺纹深度、种植体的颈部直径和体部尺寸等，最终选择提供最小微运动的氧化锆RAI用于即刻种植治疗，获得了良好的疗效。

2 牙种植体的结构设计

2.1 颈部结构

种植体周围的边缘骨吸收被认为与功能性和非功能性负荷时的应力分布有关[11]。边缘骨吸收会增加细菌感染的风险，影响种植体周围的黏膜附着水平，这可能会导致不理想的修复效果，尤其是在前牙美学区[12]。近年来，种植体颈部设计致力于减轻种植体周围骨骼的压力并刺激骨骼进行重塑，减少边缘骨丢失，以达到长期美学需求。

种植体颈部是种植体冠方部分，最冠方称为种植体平台。种植体穿黏膜颈部与种植体位于骨内的体部合为一体，为一体式种植体(one-piece implant)，该种植体颈部位于软组织内，也称为软组织水平种植体；种植体本身没有穿黏膜颈部，其穿黏膜部分与种植体分离，为分体式种植体(two-piece implant)，该种植体颈部位于牙槽嵴内，也称为骨水平种植体[13]。在传统设计理念中，前者适用于非潜入式种植，只有植入同时穿黏膜这一阶段，又称为一段式种植体(one-stage implant)；后者适用潜入式种植，需要植入和穿黏膜两阶段，又称为两段式种植体(two-stage implant)[14]。但目前在临床上，选择潜入式或非潜入式种植方式主要是根据种植体的初期稳定性、愈合时间与危险因素等多方面，而不是考虑种植体类型[15-16]。

软组织水平种植体以Straumann系统为代表，颈部有一定高度的光滑表面，形成软组织封闭。在与基台连接时，因其连接界面高于牙槽骨水平，减少细菌渗漏与定植，有利于保存边缘骨。但由于呈锥形膨大的颈部会增加美学区牙龈退缩的风险，容易在后期修复时露出种植体金属边缘[17]。Sánchez-Siles等[18]对软组织水平和骨组织水平种植体进行了10年的临床观察研究，发现1 244例种植体中有120例发生了种植体周围炎，其中15例是有2.5 mm的光滑颈部设计的软组织水平种植体，而105例是骨水平种植体。而且通过X射线影像片测量出软组织水平种植体的边缘骨吸收较少，具有统计学上的显著差异。但该调查发现骨组织水平的种植体更能提高患者对美观修复的满意度。

骨组织水平种植体以Branemark系统为代表，颈部平台平齐或低于牙槽骨面，种植体上方软组织充足，能够取得较好的美学需求。为了减少边缘骨的吸收，通过改变颈部形态，例如使用反锥形颈部设计的种植体来实现平台转移连接设计(采用直径小于种植体平台的基台)被认为是一种有效手段[19]。此外，为了贴合牙槽嵴的自然形态，有学者将平面式的颈部平台设计成倾斜形和扇贝形颈部。Schiegnitz等[20]发现颈部倾斜的种植体在植入2年后具有较高的成活率，倾斜的种植体颈部平台有助于支撑种植体颈部周围的硬组织和软组织，den Hartog等[21]比较了具有光滑颈部，粗糙颈部或扇贝形粗糙颈部的单个种植体的5年放射影像和临床结果，研究表明光滑组的骨损失总量为(1.26±0.90)mm，粗糙组的骨损失总量为(1.20±1.10)mm，扇形组的骨损失总量为(2.28±0.97)mm(P<0.05)，扇形颈部种植体的边缘骨吸收明显增加，并且显示出较深的牙周袋和技术并发症。

即使是微不足道的力也可能被传递到边缘骨，导致颈部的骨吸收。而在种植体颈部引入微螺纹或“保留凹槽”则可增加初始接触，增加功能表面积并促进界面区域的应力消散，实现更好的初期稳定，从而有助于缩短愈合阶段所需的时间[22]。Geramizadeh等[23]通过静态载荷、动态载荷证实颈部微螺纹的存在具有积极的作用，可以改善骨的应力分布。Nickenig等[24]通过一项5年的临床研究表明，颈部具有微螺纹的粗糙表面种植体可以在愈合期间维持边缘骨水平，并且在长期功能负荷下可显著减少边缘骨的丧失。种植体颈部微螺纹可以分为微螺环、单螺纹开螺纹、双螺纹开螺纹、扇形螺纹等设计类型。一项动物研究表明，微螺环颈部的边缘骨吸收多于开螺纹颈部，而且颊侧和舌侧软组织差异显著[25]。此外，颈部微螺纹的位置、形状、螺距、深度等设计仍有待进一步研究。

2.2 体部结构

种植体体部为种植体植入骨内的部分。目前，种植体部基本是螺纹状设计，该设计一般包括以下几个方面：①几何形状和端面角度；②螺距；③螺纹深度(高度)；④螺纹宽度(厚度)；⑤螺纹螺旋角[26](图1)。

图1 种植体体部螺纹设计示意图：端面角度、螺距、螺纹深度、螺纹宽度和螺纹螺旋角

螺纹几何形状包括：V形、方形、支撑和反支撑形状等。一项动物实验研究表明V形和反向支撑形螺纹显示出更小的骨-种植体接触百分比。在初期愈合后的反向扭矩测试中，方螺纹形状显示出最高值[27]。端面角度是螺纹的面和垂直于种植体的长轴的平面之间的角度。由不同螺纹形状产生的剪切力随着螺纹面角度的增加而增加，V形螺纹在轴向载荷作用下传递的剪切力比方形螺纹所传递的压缩力要大[28]。因此V形螺纹相较于方形螺纹的种植体自攻性强，植入阻力小。

螺距指的是从螺纹中心到下一个螺纹中心的距离。在长度相等的种植体中，螺距越小，螺纹越多。Orsini等[29]研究了动物松质骨中的骨结合过程，测试了两种具有相同表面处理的种植体：一种具有窄的螺距，一种具有宽的螺距，测试结果表明具有窄螺距的种植体由于骨与种植体的接触表面积更大而具有更好的锚固性。此外，研究还表明，对于螺距的增减，松质骨的应力变化比皮质骨更敏感[22]。

螺纹深度为从螺纹尖端到种植体主体的距离。深度深的螺纹会增加功能表面积,这在疏松骨中是有利的；较浅的螺纹则更容易植入牙槽骨，这对于致密骨是有利的。种植体螺纹设计可在根部区域形成具有较大螺纹深度的渐进螺纹，并向冠部逐渐减小。目的是增加向更柔软的松质骨的负荷转移，减少向冠部皮质骨的负荷转移，这可能有助于减少皮质骨吸收[22,28]。螺纹宽度是指在同一轴向平面上单根螺纹的冠部和底部之间的距离。Ao等[30]在他们的有限元分析研究中发现，与深度相比，种植体螺纹的宽度对骨应力的影响较小。

在单线螺纹种植体中，螺距等于导程。市场上还推出了相互平行的双线螺纹和三线螺纹种植体。从理论上讲，这可以使种植体更快地植入(螺距为0.6 mm的三螺纹种植体每次旋转360°时都会植入1.8 mm)。而随着螺纹数量的增加，螺纹螺旋角会发生变化。在Ma等[31]的一项研究中，结果表明随着螺纹线数的增加，螺旋角增加，种植体对垂直和水平载荷的抗力降低。该研究通过三维有限元分析表明，就种植体稳定性而言，最有利的配置是单螺纹，然后是双螺纹，三螺纹是最不稳定的[32]。而另一动物实验研究发现在D3骨中与单螺纹设计的种植体相比，使用双螺纹设计的种植体能发现更高的初期稳定性。原因可能是由于小梁骨与双螺纹设计种植体之间的骨接触更好且小梁骨分散应力速度更快[33]。总而言之，在种植患者骨骼质量不佳以及高咬合应力时，使用更小螺距、更多螺纹、更深螺纹，较小螺纹螺旋角的种植体来增加种植体与骨组织的接触表面积是被认为有益的。

种植体体部设计除了螺纹的设计，还有不少研究关注种植体内部的设计。Kim等[34]发现种植体中间部分的螺旋形侧开口和空心内部通道可以在植入后的早期愈合阶段进行骨向内生长。Zhu等[35]则通过弯曲强度、硬度、断裂韧性和疲劳寿命的机械测试证实，采用部分中空的结构可以制造出性能接近甚至超过普通种植体要求的氧化锆种植体。他们还通过动物实验验证，由于其中空多孔的结构，其锁固力和骨结合有明显的改善。

2.3 根部结构

种植体的根部设计对于即刻种植的种植体初期稳定性有重要作用。根部设计包括根部轮廓，如圆柱形或锥形，以及种植体根部切割槽和螺纹的应用[17]。槽状种植体的优势包括热量的减少，插入扭矩的增加，手术时间的减少，手术器械的数量减少以及种植体尖端的自攻能力增加。从历史上看，种植体切割槽曾使用过几种形状，如边缘、碗和螺旋形。Wu等[36]研究发现碗状设计凹槽产生的用于存储挤压骨屑的空间最小，因此插入扭矩和弯曲强度都明显更高，产生了更好的初期稳定性。

2.4 直径和长度

种植体的直径是种植体螺纹的外部尺寸。目前可用的种植体直径为3～7 mm。从生物力学的角度来看，使用更宽的种植体可以实现最大量的骨骼接触面积，并且理论上可以改善周围骨骼中的应力分布。Shemtov-Yona等[38]评估了3种不同直径种植体的总疲劳寿命。在失效分析中发现，可能引起疲劳裂纹产生的各种失效位点均与应力集中有关。研究表明，种植体直径越窄，对种植体疲劳性能影响越大，越易引起断裂。然而，宽种植体的使用受到剩余牙槽骨的宽度和自然轮廓的美学要求的限制。

一般来说，更长的种植体在一定程度上保证更好的成功率和预后效果[39]。但由于可用骨量有限，长种植体无法植入，因此常采用多孔表面处理的短种植体作为替代，短种植体可成功地支持单个或多个固定或覆盖义齿在萎缩的上下颌骨中的应用，从而减少复杂的骨增量手术需要，减少了并发症、成本和治疗时间[40]。然而，当患者的牙槽骨严重吸收或骨质较软时，建议谨慎使用短种植体。

2.5 种植体-基台连接方式

根据种植体平台中心向冠方凸起或向种植体内部凹陷，种植体-基台的连接方式分为外基台连接和内基台连接。理想的基台连接设计应该具备基台和(或)修复体的固位、抗旋转、定位和应力分散等功能，以维持种植体周围骨的软组织结合的长期稳定[13]。

外部六角形连接设计是使用最广泛的外基台连接方式。但该设计存在一些缺点，比如种植体-基台之间的微间隙和基台微动较大，这会引起机械磨损和基台螺丝的松动、断裂[41]；在抗旋转性和长期稳定性方面，该设计也有所欠缺[42]。相比于外基台连接，内基台连接如内部六角和锥度连接设计则使种植体和基台更为紧密接触[43-44]，该设计可增强种植体周围的应力分散，减少了种植体-基台的机械并发症，减少边缘骨丢失[45]。其中莫氏锥度连接的设计特征是种植体和基台两个锥形结构之间的内部连接，通过高度平行性产生了显著的摩擦力，增加了密封性[46]。在长期随访的过程中，与内部六角连接相比，莫氏锥度连接种植体发生更少的种植体周围骨吸收[47]。此外，当内基台连接采用平台转移的设计时，种植体-基台界面的周围骨应力集中会显著减少[48-49]。Salamanca等[50]在一项回顾性临床研究中通过根尖周X射线片测量种植体边缘骨的垂直和水平骨缺损量，发现平台转移设计比非平台转移设计更有效地减少了种植体周围牙槽骨的吸收。Canull等[19]通过10年的双盲随机对照实验比较平台转移和非平台转移设计的软硬组织差异，研究证明平台转移种植体边缘骨吸收较少，而龈乳头和龈缘高度均较高，有利于即刻修复的美学效果和长期稳定性。

除了机械并发症，生物学并发症的发生率与种植体-基台连接方式的关系也相当密切。在种植体和基台之间的微间隙是细菌滋生的温床，会影响种植体周围软硬组织的健康[51]。外部六角连接设计易导致种植体与基台之间的微间隙增大，引起微渗漏和细菌定植[52]。在内基台连接设计中，不同类型连接方式的密封性也有差异。Khorshidi等[53]通过体外链球菌培养发现，在14 d内11°莫氏锥度连接设计比对接连接设计的种植体产生更少的细菌，有更好的抗微生物渗漏性。微间隙引起种植体-基台的相对微磨损和微位移称为微运动。而微运动不但会干扰种植体颈部周围软组织的附着，破坏软组织的稳定性[54]，而且会导致微泵效应[55]，加速血液、唾液和蛋白多糖进入种植体内腔[56]，从而使细菌定殖并扩散，最终导致种植体颈部周围的边缘骨丢失和种植体周围炎[45,57]。

3 总 结

随着科技进步和生活质量提高，人们对种植治疗提出了更高的要求：即刻种植、即刻负载、美学需求等，这就要求种植体在植入后能有合适的应力分布，具有较高的初期稳定性，有一定的自攻性和维持软硬组织的能力。许多研究结果证实，良好的种植临床效果除了患者本身的骨骼质量因素，也取决于牙种植体的形态和结构设计：即牙种植体的锥状外形，颈部的凹槽和微螺纹，体部的螺纹设计，根部的自攻性，合适的直径和长度，以及与基台的内部锥度连接和平台转移设计等。但现有关牙种植体形态和结构设计的研究主要为三维有限元分析研究和动物实验研究，缺乏有效临床直接证据和长期随访数据，这也是日后的研究重点。