不同桩核系统修复下颌第一磨牙残根的生物力学分析

朱 镇，王 谜，张惠利*

(1.吉林大学口腔医院，吉林 长春130021；2.镇江市口腔医院)

桩核冠为牙冠大面积缺损的重要修复方式[1-2]。牙本质肩领可提高桩核冠修复中牙齿抗折性[3]，但完整牙本质肩领常难以获得。因此，适用于缺少完整牙本质肩领的残根的桩核系统是临床热点问题。此外，适当的牙尖斜度有利于提高咀嚼效能，但也会产生较大侧向力[4]。因此，对于剩余牙体组织薄弱者，牙尖斜度的设定值得探寻[5]。

本研究在下颌第一磨牙数字化模型的基础上[6-7]，建立不同牙尖斜度与不同桩核材料相匹配的有限元分析实验组模型，并加载垂直向载荷来模仿口腔内的咬合力。分析剩余牙体组织的应力分布情况，用以筛选出合适无牙本质肩领的桩核系统。

1 材料与方法

1.1 实验材料及软件

通过利用CBCT软件模拟出下颌第一磨牙[6]，[CATPart(Computer aided three-dimensional part,计算机辅助三维部件)格式]。使用Mimics 10.01软件和Geomagic studio 12.0构建牙体牙髓结构。运用CATIA V5R21系统模拟出单颗牙的牙体组织、牙周组织及牙槽骨等结构。该模型各部分复合天然牙体形态，各组分边界线清晰平滑。

1.2 模型建立

1.2.1对照组模型建立 将上述模型导入Unigraphics NX 12.0软件，将牙尖斜度分别调整为 10°、20°、30°(近中、远中舌尖)。于该两牙尖牙尖嵴上自牙尖顶至中央窝做一平行于牙体长轴的截面。牙尖斜度以该截面上牙尖嵴的中点与水平面的夹角为参考并进行测量[8]。

1.3 网格划分

使用ANSYS Workbench 18.2自由网格工具中的10节点四面体单元生成网格，得到复杂网格模型。

1.4 模型实验条件及参数的设定

实验中均运用均质、连续、各向同性的线弹性材料，受力后变形较小。将牙槽骨外周每一侧设置为自由边界，并将底部设置为完全约束。设置模型内各部分结构为绑定接触关系，且过程中各部分结构间无相对位移，各单元间足够稳定。全瓷冠选择 IPS e.max CAD材料，粘接剂则用 Relyx Unicem。

1.5 应力加载

将200 N的垂直向静态载荷以小面形式加载到模型咬合面的颊尖舌斜面、舌尖颊斜面中点共5个点[9-10]，即每处为40 N。

1.6 分析评价

按照实验设计，利用ANSYS Workbench 软件处理并得到相应的结果。

2 结果

2.1 有限元模型的建立

在前期实验结构基础之上，建立断端完全位于龈下的下颌第一磨牙残根模型，继而建立不同牙尖斜度与不同桩核材料相匹配的修复体模型，并与临床实际情况相符，具有良好的几何相似性。

2.2 牙体组织应力峰值

经垂直向应力加载后的对照组及实验组的应力峰值见表1。

表1 下颌第一磨牙von Mises 应力和最大主应力峰值(MPa)

2.3 牙体组织应力分布

2.3.2实验组牙体组织应力分布 三种材料桩核冠的10°组的剩余牙体组织牙釉质von Mises应力

集中区主要位于近远中面；20°和 30°组的应力集中区主要位于近中舌侧，如图1。但三种材料桩核冠的牙本质von Mises应力集中区有所不同，见图1，钴铬桩核冠组中10°组的应力集中区位于近中邻面颈部、根分叉区及近远中根尖部，20°组的应力集中区主要位于近中牙颈部，且随着牙尖斜度增大，更趋向于颈部、近中根尖和远中根中下部。纯钛桩核冠组中10°组的应力集中区主要位于近中邻面颈部、根分叉区及近远中根中下部；20°组的应力集中区主要位于近中牙颈部和远中根中部；30°组的应力集中区主要位于近中颈部、近中根尖及远中根中下部。纤维桩树脂核全瓷冠组中10°组的应力集中区主要位于近远中颈部、根分叉区及远中根中下部；20°和 30°组的应力集中区主要位于近中颈部、根分叉区、远中根中下部及近中邻面。对于剩余牙体组织最大应力，实验组牙釉质所受应力均主要集中在轴角处，且随牙尖斜度的增加逐渐趋向于近远中舌侧，应力峰值也呈上升趋势，见图2。且所有实验组的牙本质所受应力均主要集中在根分叉区，但钴铬组在远中根的中下部仍有应力分布，纤维桩树脂核全瓷冠组在颈部及远中根中下部也有分布，见图2。

图1 实验组修复后牙釉质、牙本质 von Mises 应力分布

图2 实验组修复后牙釉质、牙本质最大主应力分布

3 讨论

口腔修复中，牙本质肩领是桩核冠修复的重要影响因素。但临床上多不能获得完整连贯的牙本质肩领，这就使桩核修复系统的选择变得至关重要。本实验通过 CBCT成功构建出缺少牙本质肩领的下颌第一恒磨牙残根模型，并建立了不同桩核材料与不同牙尖斜度匹配的修复体模拟修复。

实验组剩余牙体组织的应力峰值低于牙体组织的断裂强度33-50 MPa，由此证明实验所选的3种桩核系统均可作为备选修复方式。并且，所有组别中，牙釉质与牙本质的两个应力峰值均随牙尖斜度的升高而增大，提示牙尖斜度增加会使应力加大，并可能增加牙修复后剩余牙体组织断裂的风险[11-13]。因此，可通过适当降低牙尖斜度以提升其最终治疗效果。

本研究中牙釉质的von Mises 应力和最大主应力峰值在同一牙尖斜度下，均为纤维桩树脂核>纯钛桩核>钴铬桩核。其中纯钛和钴铬的应力分布集中区均随着牙尖斜度的增大向近舌侧趋近。而纤维桩的应力分布集中在近远中舌侧，但其峰值位于近中舌侧。这提示，选择纤维桩修复方式其颈部牙釉质的断裂风险要高于铸造桩核修复。

本研究选用的钴铬桩核、纯钛桩核和纤维桩其弹性模量分别是205 GPa、112 Gpa及40 Gpa，其中钴铬、纯钛桩核的弹性模量显著高于天然牙本质，而纤维桩只略高于牙本质的弹性模量。结果表明，相同牙尖斜度时，纯钛桩核、钴铬桩核、纤维桩树脂核其三者的牙本质的von Mises应力和最大主应力峰值依次递减。这可能是因为纯钛与钴铬桩核的弹性模量不同所致。此外，导致应力分布不同的原因也与弹性模量有关。如铸造桩是将应力沿着桩体自身向下传递，因而应力更易集中于根尖部位，当产生过大咀嚼力时则有断裂风险[14-16]。而纤维桩树脂核与上述二者不同，其整体弹性模量与天然牙体组织相近，使得其应力更集中于牙颈部。而实验中无牙本质肩领的残根，其应力集中在颈部更为多见。

通过本研究得知，在选择金属铸造桩时要避免根部牙本质的过度切削，以提高根部牙体组织的抗折能力。而在使用纤维桩树脂核修复时，则应注意保护颈部剩余的牙体组织。而从临床应用角度分析，虽然纤维桩存在颈部牙体组织断裂的风险，但其导致的断裂较铸造桩导致的剩余牙体组织断裂更便于再次修复，所以其更适合于此种缺损方式的修复。