不同尖端形态的种植体在上颌窦底黏膜不同剥离范围时窦底黏膜的生物力学分析*

邓引昕 马 攀

上颌后牙区由于上颌窦的存在，该区域可利用的剩余牙槽骨高度不够，加上该区域骨质较疏松，种植的失败率相对较高。为了解决此问题，需要进行上颌窦提升，分为较传统的侧壁开窗的上颌窦外提升术（牙槽嵴顶高度不足4 mm）和创伤相对较小的穿牙槽嵴顶上颌窦内提升术（牙槽嵴顶高度大于5 mm）[1-5]。为了能在牙槽嵴顶高度不足4 mm时仍然可以选择上颌窦内提升术，我们在临床上对上颌窦内提升术进行了改良，将上颌窦外提升术中的侧壁开窗后进行上颌窦黏膜的剥离程序与穿牙槽嵴顶的上颌窦内提升术进行了结合（在使用summer骨凿轻轻敲击上颌窦底骨板后，我们采用剥离器械，在牙槽嵴顶的上颌窦底对上颌窦黏膜进行充分剥离）。在我们已经完成的临床病例上均得到了比较理想的疗效，但是这种穿牙槽嵴顶剥离上颌窦底黏膜的改良术式是否能有效改善上颌窦底黏膜破裂穿孔的发生以及可靠性和安全性都还需进一步观察研究。

然而不管行哪种术式，不管对术式进行哪种改良[6-8]，上颌窦底黏膜破裂穿孔都是最常见的并发症[9-12]。冲顶器顶端或种植体尖端会与上颌窦底黏膜发生直接的接触，因此种植体的尖端形态[13,14]也将会是导致上颌窦底黏膜破裂穿孔的一个主要影响因素。目前对于种植体的尖端形态是否会影响上颌窦内提升过程种窦底黏膜的研究尚未有报道。

本实验将采用三维有限元法[15-20]，通过建立不同尖端形态的种植体和上颌窦区域的骨骼和黏膜的三维有限元模型，动态模拟并研究使用不同尖端形态的种植体行传统上颌窦内提升术和窦底黏膜剥离后的改良式上颌窦内提升术时上颌窦底黏膜的应力应变情况，分析不同尖端形态的种植体对上颌窦底黏膜形变的影响。

1.材料和方法

1.1 实验设备 硬件：NewTöm VG CBCT(意大利)电压110 kV，电流3.6 mA，重建层厚为0.125 mm。

建 模 软 件：Mimics 21.0 软 件（Materialise Cömpany, Belgium）；Geömagic Studiö2014软件（Raindröp Cömpany, America）；Hypermesh14.0软件（Altair Cömpany, America）。

有限元分析软件：MSC.Patran 2012前处理软件（NASA Cömpany, America）和MSC.Nastran2012后处理软件（NASA Cömpany, America）。

1.2 三维有限元模型的建立 我们首先建立了三种种植体模型：柱状钝头种植体（顶端圆弧面，直径4.45 mm）；锥柱状平头种植体（顶端圆锥平面，直径2.5 mm，距离下端圆柱高度2 mm）；锥状尖头种植体（顶端圆锥平面，直径0.5 mm，距离下端圆柱高度3 mm）。种植体下端直径均为4.8 mm、总高度均约为10.2 mm。三种种植体模型如下图1所示。

图1 三种不同尖端形态的种植体几何模型

随后我们采用Mimics 21.0软件重建出上颌窦及黏膜三维几何模型，并导出STL格式文件。其次，在Geömagic Studiö2014软件中对所有模型进行修补、降噪及曲面化，并导出STP 格式文件。继而在Hypermesh 14.0软件中进行网格划分，为了提高计算精度、收敛性、计算效率等，将黏膜划分成六面体网格单元（IsöMesh Hex8 Element），种植体、上颌骨划分成四面体网格单元（TetMesh Tet4 Element）。随后导出BDF格式文件并导入MSC.Patran2012软件进行有限元网格属性设置、材料参数定义、荷载施加、边界条件约束等处理。参考已发表的研究数据，各结构材料参数[21]，如下表所示。

结构组织上颌骨皮质骨上颌骨松质骨黏膜种植体（钛）弹性模量（MPa）13700 1370 Hyperelastic 110000泊松比0.30 0.30 C10=0.253，C01=0.027 0.35

1.3 边界条件假定 固定约束上颌窦颌骨上表面节点，限制其三个方向位移自由度；假定上颌骨、种植体为各向同性、均匀、连续的线弹性材料；黏膜为Hyperelastic超弹性材料。种植体运动过程中只允许发生顶推高度方向的位移，侧向位移限制其自由度。种植体顶端与黏膜底部按摩擦接触处理、种植体四周与上颌骨备洞区域不接触、分离黏膜与不分离黏膜之间按共节点处理，以保证受力真实传递。模拟黏膜进行不同程度的分离时，未分离黏膜区域与对应上颌骨区域共节点处理，所分离区域的黏膜与对应上颌骨区域的节点不接触、不共点处理。

1.4 实验分组 三种不同尖端形态的种植体分别在上颌窦底黏膜分离0 mm 时和上颌窦底黏膜分离4 mm 时进行不同高度的提升（提升1 mm-10 mm），分别代表传统的上颌窦内提升术（黏膜分离0 mm 组）和改良式上颌窦内提升术（黏膜分离4 mm组），实验分组如下表所示。

1.5 计算分析 将各组工况模型提交给MSC.Nastran 2012软件，进行有限元仿真分析计算和查看结果，得出各组模型对应的上颌窦黏膜结构的应力分布规律及应力峰值，主要观察指标为上颌窦底黏膜的等效应力vön-Mises数值。

2.结果

从仰视图上观察各工况模型中上颌窦底黏膜的应力分布云图并得出应力峰值。分析其应力分布特点，绘制图表比较各组模型应力峰值。

2.1 不同种植体在上颌窦底黏膜分离0 mm时窦底黏膜应力峰值（MPa）如下表及图2所示：

提升高度（mm）1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0柱状钝头种植体（种植体一）2.81 4.84 7.34 10.21 17.10 20.94 31.73 39.40 48.42 73.89锥柱状平头种植体（种植体二）1.12 3.70 7.64 14.50 25.32 33.94 48.61 62.72 84.50 110.34锥状尖头种植体（种植体三）4.36 9.08 19.30 33.64 47.13 61.57 79.69 101.55 127.71 158.32

images/BZ_30_296_1942_707_2278.pngimages/BZ_30_920_1919_1359_2280.pngimages/BZ_30_1615_1939_2033_2279.png柱状钝头种植体分离0 mm和4 mm提升1 mm-10 mm锥柱状平头种植体分离0 mm和4 mm提升1 mm-10 mm锥状尖头种植体分离0 mm和4 mm提升1 mm-10 mm

图2 上颌窦底黏膜分离0 mm时，三种工况的窦底黏膜应力峰值（MPa）曲线图

2.2 不同种植体在上颌窦底黏膜分离4 mm时窦底黏膜应力峰值（MPa）如下表及图3所示：

图3 上颌窦底黏膜分离4 mm时，三种工况的窦底黏膜应力峰值（MPa）曲线图

提升高度（mm）1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0柱状钝头种植体（种植体一）0.81 0.73 0.92 1.25 2.42 3.91 4.33 8.39 15.07 16.55锥柱状平头种植体（种植体二）0.76 1.52 1.69 1.84 4.31 5.51 8.23 18.51 20.30 22.72锥状尖头种植体（种植体三）3.38 3.67 4.36 5.92 8.70 13.93 18.51 24.50 29.74 38.03

从上述实验结果图表中可以发现，窦底黏膜在分离0 mm 和分离4 mm 这两组工况下，上颌窦黏膜在抬高的过程中，三种种植体作用下的窦底黏膜应力均呈现随着内提升高度增加而增加的趋势，锥状尖头种植体增加的幅度最显著，其次是锥柱状平头种植体，柱状钝头种植体应力变化相对平缓，应力增加幅度也没有另外两种种植体显著。这与它具有顶部圆弧状的设计和较大的接触面积有直接的关系。而在比较种植体在不同工况下的窦底黏膜应力峰值时我们也可以发现，窦底黏膜分离4 mm 时比分离0 mm 时的窦底黏膜应力峰值均变小，这说明分离黏膜也是直接有效的，我们所进行的这种改良是可靠的并且相对安全的。

3.讨论

3.1 实验方法和参数设计 有限元法已由以前简单的二维结构分析发展到复杂的三维结构分析[22,23]。并在口腔生物力学中得到广泛应用和发展[24,25]，虽然通过体外实验[21,26,27]我们已经对上颌窦黏膜的力学性能和形变特点有了一定的了解，但是由于其属于大变形非线性的复杂软组织材料，因此计算时通过拟合得到较为相近的超弹性Hyperelastic 的C10、C01 参数，从定性角度来研究不同尖端形态的种植体对上颌窦黏膜受力特性的研究。最后计算顺利并得到了收敛的实验结果，界面产生的应力与位移值的变化趋势也可以看出我们对实验参数的设计是合理的，并且对临床操作也起到一定的指导作用，同时也验证了我们所建立的模型具有良好的几何相似性和生物力学相似性。最后需要指出的是，要想完全模拟复杂的口腔生物力学环境建立计算模型，目前尚无法达到，仍待进一步研究。

3.2 三维有限元模型的几何精度 为了尽可能真实的模拟改良式上颌窦内提升术，我们选用临床上已经进行完改良式上颌窦内提升术的患者的术前CBCT 数据进行精确建模，与此同时，因为上颌骨形态的多样性，本文又仅定性比较三种不同尖端形态和锥度的种植体在旋转植入的过程中上颌窦底黏膜的应力、应变和位移，我们对建好的模型进行了一定程度的简化，这种简化模型的处理也是一种广泛应用的建模方法。

上颌窦黏膜的厚度存在很大的个体差异，国内外的很多学者都对上颌窦黏膜的厚度进行了测量和研究，大部分研究都将1 mm 作为一个参考[28-32]。因此我们在这里也对上颌窦黏膜进行了简化处理，将其厚度设定为1 mm。

3.3 不同工况的上颌窦底黏膜的应力峰值比较 从应力云图上亦可发现，锥柱状钝头种植体和锥状尖头种植体，在提升高度较少时在种植体顶端与黏膜接触的区域就开始出现明显的应力集中现象，随着提升高度逐渐增加，其应力增加幅度也越来越明显，且在接触区域黏膜应力集中现象也相对明显，这些都提示我们在实际手术过程中黏膜破坏的区域可能发生在种植体顶端与黏膜接触的区域四周处。此外三种种植体在分离0 mm 状态下应力增加幅度均较明显，随着内提升高度增加下的应力曲线更陡。因此如果能选择尖端接触面积更大的种植体，并且对上颌窦黏膜进行充分的减张，应力集中区域的受力情况也会得到相应的改善，窦底黏膜破裂的风险自然会相对降低。

综上所述，柱状钝头种植体的顶部有一定圆弧设计及接触面积较大，能在结构形态上与黏膜形成较好的吻合，在实际受力时产生的黏膜应力集中现象也相对种植体顶部面积较小、且平整的尖端面设计要减轻很多，不同提升高度下对黏膜的损伤也相对较轻。种植体顶端设计平整的形态较容易在种植体顶端四周围出现明显的应力集中现象，且增加了该区域内黏膜发生破裂的风险。而圆弧端面设计在提升到较高高度时（7 mm 以上）在圆弧面相对中心处才出现应力集中，从生物力学角度分析，这种情况要比在提升较低高度时平整尖端面形态就产生较为明显的应力集中现象要好很多。结合临床实际情况我们也可以得出这样的结论：使用柱状钝头种植体在行传统的上颌窦内提升术和改良式上颌窦内提升术时上颌窦底黏膜应力增加幅度最为平缓，对上颌窦底黏膜的损伤也相对较轻，上颌窦底黏膜破裂穿孔的风险也就相对较低。可见柱状钝头种植体可以最大限度的降低黏膜破裂的风险，因此推荐在临床上使用种植体顶端有一定圆弧面设计并且整体形态为柱形的种植体进行上颌窦内提升术。