有限元分析不同材料对超短种植体的影响

吕虹雨,孙 毅,李天佑,谢伟丽

自骨结合理论创立以来,种植修复已成为恢复牙列缺损及缺失的重要方法。缺牙后牙槽骨发生生理性骨改建并且发生进行性骨吸收,导致骨垂直向高度不足,给种植带来了困难和风险。短和超短种植体的应用能够扩大种植的临床应用范围,替代复杂的外科手术简化手术过程,同时降低费用,减少术后反应,缩短治疗时间[1]。现在普遍认为长度<8 mm为短种植体[2],长度<6 mm为超短种植体[3]。Benlidayi和吴茴等[4-5]研究发现短种植体三年内生存率和成功率高达90%。但是Hasan等[6]研究表明短种植体的骨负荷明显增加,超过了常规种植体周围骨应力。长期高应力会造成边缘性骨吸收甚至种植体周围骨骨折,不利于种植体的长期留存,同时短种植体的机械并发症也高于常规种植体[7],因此降低短种植体周围骨应力,提高短种植体的长期留存率成为我们研究的目标。

种植体现有的材料主要集中在三大类,分别为金属类、高分子类以及陶瓷类。金属类中的钛及钛合金一直是口腔种植的首选材料[8]。近年来许多研究表明钛种植体植入人体后存在美学缺陷以及致敏等问题,同时钛种植体的机械拉伸强度不能满足临床需要,应力疲劳折裂风险较大[9]。因此寻找新型的种植替代材料成为现在研究的热点。钛锆合金(Ti-Zr)具有更好的抗折裂能力,对机体组织无毒,有较好的拉伸强度以及抗疲劳强度[10],已经在Straumann窄直径种植体中广泛应用。陶瓷类中氧化锆(ZrO)种植体具有良好的生物安全性以及空间稳定性[11],在种植体和种植牙基台中已经开始使用,自上市以来逐渐普及有望替代传统钛种植体。高分子材料中的碳纤维加强型聚醚醚酮(carbon fiber reinforced polyether ether ketone,CFR-PEEK)是一种高性能热塑性聚合物,具有良好的生物相容性、化学稳定性,无细胞毒性,是一种射线透射性材料,可以避免在影像检查中出现伪影[12],目前国内外学者研究在其优良物理性能的基础上进行化学改性,改善其表面惰性提高成骨性[13],纤维加强型聚醚醚酮已成为钛及钛合金的可行替代品,目前已尝试应用于种植体、基台和基台螺丝等方面。本实验运用三维有限元分析,探究三种新型材质超短种植体在咬合力下的应力分布。

1 资料与方法

1.1 三维有限元模型建立

1.1.1 颌骨模型建立应用 SolidWorks软件进行简化Ⅲ类骨块建立,模拟环形骨钻得到种植体周围骨的柱状骨块,在前视基准面绘制长5 mm、宽2 mm的矩形,旋转凸台基体指令得到皮质骨块,同理得到直径10 mm、高18 mm松质骨骨块,拉伸切除结合扫描切除指令得到骨内螺纹,整体骨块为均质各向同性。

1.1.2 种植体和基台模型建立 参考ARSTRA系统的种植体螺纹形态建立,利用SolidWorks软件,在上视基准面绘制直径5 mm的圆形,拉伸凸台基体高度5 mm,转化实体引用引入螺纹线,螺纹深度0.2 mm、螺距0.6 mm,扫描切除指令,种植体上表面4 mm处建立参考平面,绘制4 mm直径圆,放样凸台基体指令建立种锥度为6°柱形基台。

1.2 材料性质和实验假设

1.2.1 定义材料属性 表1中列出三维有限元分析实验所用材料的力学参数,即弹性模量和泊松比。设置牙冠为二硅酸锂玻璃陶瓷材料,种植体与基台分别采用ZrO、Ti-Zr和CFR-PEEK(添加30%碳纤维)三种材料。

表1 材料属性Tab.1 Material attributes

1.2.2 约束条件 将种植体、牙冠、皮质骨和松质骨在SolidWorks装配体中通过同轴心、重合等配合指令进行相应的组合,根据材料属性进行装配,设定分析步为静态综合等。假定模型中所有材料为无间隙、均匀、各向同性、连续的弹性材料,种植体与骨、种植体与基台、基台与修复体之间均设置为绑定接触,种植体与周围骨质完全形成骨结合,材料弹性形变为最小。在下颌骨的四周及底部施加固定的约束力。

1.2.3 网格划分 将装配完成三组模型以X_T格式导入ABAQUS软件,分别为ZrO组、Ti-Zr组、CFR-PEEK组。将导入的种植体模型在部件模式下分别进行以C3D4单元类型进行网格区域划分,创建元素,模型各自的节点,并定义边界条件,再将划分网格完成的部件进行组装装配,得到数据如表2。

表2 模型单元数和节点数Tab.2 Model unit number and node number

1.2.4 加载条件 在种植冠的面中央施加轴向100 N以及斜向45°、100 N载荷模拟咬合力[18-21](图1)。提交作业得到应力分布云图。

图1 三维实体模型Fig.1 Three dimensional solid models

1.3 主要观察指标

不同种植材料对超短种植体及种植体周围骨的最大(拉伸)主应力、最小(压缩)主应力和Von-Mises应力。

2 结 果

2.1 超短种植体周围骨应力分布

表3示在咬合力下种植体周围骨的最大主应力、最小主应力和Von-Mises应力,总体而言,在所有模型中皮质骨展现出比松质骨更高的应力值。此外,三组模型的应力集中位置相似,均位于皮质骨上下表面以及松质骨的上表面(图2)。CFR-PEEK组皮质骨的最大主应力值为8.061 MPa,相较Ti-Zr组的皮质骨应力值13.400 MPa降幅39.8%,相较于ZrO组14.270 MPa降幅43.5%,CFR-PEEK组皮质骨的最小主应力为1.571 MPa,相较于ZrO组5.789 MPa降幅达72.9%。CFR-PEEK组皮质骨的Von-Mises应力值最低。在松质骨中三组模型的最大主应力值、Von-Mises应力和最小主应力较为接近。斜向载荷下骨应力明显提高,但均未超过骨组织屈服强度,不会造成病理性骨折。

2.2 超短种植体应力分布

表3显示了种植体的最大主应力、最小主应力和Von-Mises应力,所有种植体模型均未超过材料的屈服强度,因此不会造成永久变形。CFR-PEEK组种植体的Von-Mises应力值更低。在咬合力下三组模型的Von-Mises应力分布区域相似,主要位于一段式种植体上表面、种植体与皮质骨结合区(图2),斜向载荷下种植体应力明显提高至4倍。

表3 各模型中最大主应力、最小主应力和Von-Mises应力Tab.3 Maximum principal stress, Von-Mises stress, minimum principal stress values in each model MPa

图2 种植体和周围骨Von-Mises应力分布Fig.2 Von-Mises stress distribution of implant and bone

3 讨 论

3.1 关于三维有限元分析

三维有限元能将人体解剖的整体结构网格划分为大量的单元和节点,进而将复杂且难以直接观察的应力通过计算分析以应力分布云的直观形式展现出来。有限元分析已经普遍应用于口腔种植领域,具有高效率、高重复性、且不与患者接触的优势[22],因其结果可以指导并提前预测结构的稳定性,所以先进行计算机层面的三维有限元分析,再进一步进行实验室动物研究,有助于提高实验针对性以及成功率。因此本研究借助三维有限元分析软件探究不同材质的超短种植体周围骨应力分布情况,对管嵴距较小、垂直方向骨量不足的下颌后牙缺失利用超短种植体修复提供一定的理论基础[5]。

现有关于种植体以及周围骨的应力研究多集中在Von-Mises应力值,而忽略了最大(拉伸)主应力和最小(压缩)主应力的研究,根据第四强度理论,Von-Mises应力是考虑了第一、第二、第三主应力的综合概念,但是种植体以及骨是脆性材料,如果单独研究Von-Mises应力值则会掩盖拉伸与压缩的真实值,应该结合主应力共同分析受力,了解拉伸和压缩最大值位置对于骨将在何处发生吸收有非常重要的指导意义。因此本实验利用有限元分析法对三组模型分别施加载荷,研究种植体在咬合力下的应力消散,综合考虑最大(拉伸)主应力、最小(压缩)主应力和Von-Mises应力。

3.2 关于短种植体的力学风险

生物力学因素与种植体骨结合水平有直接关系已经被广泛认识,将骨组织暴露在过大的机械负荷加载下通常会造成骨吸收。种植失败往往和颈部皮质骨丢失有关,这种骨丢失常常受到生物因素以及咬合机械因素影响。Hof等[23]研究表明短种植体相较于常规长度种植体而言,增加了冠和根的比例,从力学角度分析,冠根比变大导致杠杆力臂变长,当受到咬合力时,皮质骨和种植体基底骨应力变大,可能增加机械并发症的风险。因此本实验通过研究三种新型材料的种植体,探究种植体周围骨的应力分布以及大小,旨在减少短及超短种植体周围骨高应力的潜在风险,进而提高种植成功率。

3.3 关于种植体以及周围骨的应力分析

材料的应力分布机制表明,当不同材料组装在一起时,并在其中一个物体上施加载荷,我们可以观察到两种材料接触区域有明显的应力集中,且弹性模量高的物体会承担更大的载荷[24]。首先就种植体与种植体周围骨而言,种植体的弹性模量高于皮质骨和松质骨的弹性模量,种植体分散承担更多的应力,皮质骨和周围松质骨应力值较小,因此种植体应力值高于周围骨质应力值。其次就种植体周围骨本身而言,应力分布云图(图2)可见,应力较大区域集中在种植体颈部的皮骨质,这是由于皮质骨弹性模量为13.70 GPa,松质骨弹性模量为1.37 GPa,皮质骨弹性模量高于松质骨,相同载荷下皮质骨的应力更大,因此颈部骨组织发生骨吸收的可能性更高。

本研究结果表明三组模型周围骨应力均未超过骨质强度阈值(约60 MPa)[25]。其中CFR-PEEK组相较于Ti-Zr组与ZrO组种植体周围皮质骨的应力更小。传统种植牙的应力传导不同于天然牙,天然牙齿的周围存在牙周膜具有一定缓冲作用,而种植体与骨的结合方式为骨结合,这就导致咬合力会通过种植体直接传导至种植体周围骨上,较大的应力会增加骨质流失风险,造成种植体周围骨损伤。而CFR-PEEK弹性模量为18 GPa接近皮质骨弹性模量,因此受到咬合力时,CFR-PEEK相较于弹性模量较大的Ti-Zr、ZrO可以起到缓冲作用,将咬合力以更加轻柔的方式传递到周围骨上。有利于降低短种植体高应力集中的不良影响,植入物-骨界面的应力分布得到改善。斜向载荷下种植体以及周围骨应力明显提高,不利于种植体的初期稳定性和远期疗效,因此在临床中要通过降低牙尖斜度等措施使咬合力尽量以轴向载荷的方式作用在周围骨上。

综上所述,本实验采用三维有限元分析ZrO、Ti-Zr、CFR-PEEK三种不同材质超短种植体修复下颌第一磨牙缺失,探究种植体及周围骨质最大主应力、最小主应力和Von-Mises应力的分布和大小。结果表明CFR-PEEK降低种植体应力的同时可以降低皮质骨应力,缓冲咬合力使得整体应力分布更加均匀,从生物力学角度分析是一种较为理想的种植材料。实验采用有限元研究虽然已尽量模拟口腔条件,但由于口腔是一个动态复杂的环境,尚无法替代口腔临床实际情况,因此本实验可以作为短种植体修复下颌第一磨牙生物力学方面的理论参考。