不同垫底材料用于聚合瓷嵌体修复后牙体组织应力变化的研究

吕越，陈晓敏

[摘要]目的：建立下颌第一恒磨牙聚合瓷嵌体修复后的三维有限元模型，分析不同垫底材料的厚度及弹性模量对基牙牙体组织应力分布的影响。方法：应用锥形束CT数据，建立下颌第一恒磨牙三维有限元模型。采用临床常用的6种弹性模量不同材料：光固化玻璃离子、流体树脂、高强度玻璃离子、后牙大块树脂、化学固化玻璃离子和后牙树脂，分别设定0.5 mm、1 mm、1.5 mm的厚度垫底，施加垂直向150 N、垂直向300 N、斜向150 N的静止载荷模拟不同生理咬合状态。计算并分析各组在不同载荷下基牙牙体组织各部分的应力分布情况，比较应力集中部位、等效应力及最大主应力的差异。结果：聚合瓷嵌体修复后的牙体组织内应力主要分布于牙釉质的颈部边缘处、牙本质的龈壁处及垫底层内。随着垫底材料弹性模量逐渐接近牙本质，牙釉质中的应力呈下降趋势，垫底层的应力呈增高趨势，牙本质中的应力变化趋势不明显。随垫底材料厚度增加，牙釉质颈部边缘处的应力升高，垫底层内的应力降低，牙本质中的应力变化趋势不明显。结论：选择弹性模量接近牙本质的材料进行适宜厚度地垫底，有利于应力在剩余牙体组织中的稳定传导，提高聚合瓷嵌体修复的远期成功率。

[关键词]有限元分析；高嵌体；应力分布；弹性模量；垫底材料；聚合瓷

[中图分类号]R783.1    [文献标志码]A    [文章编号]1008-6455（2023）04-0061-05

Analysis in the Tooth Tissue Repaired of Polymerized Porcelain Onlay with Different Base Materials

LYU Yue，CHEN Xiaomin

（Department of Stomatology，Suzhou Kowloon Hospital，Shanghai Jiao Tong University School of Medicine，Suzhou 215080，Jiangsu，China）

Abstract： Objective  To investigate the biomechanical effect changes with different type and thickness of base materials after polymerized porcelain onlay restoration for mandibular first molar by finite element stress analysis. Methods  The model of the mandibular first molar restored with polymerized porcelain onlay was constructed based on CT data. Six types of different elastic modulus of base materials was adopted： light cure glass ionomer， flowable composite resin， high strength glass ionomer， posterior bulk resin， chemical glass ionomer and posterior resin， setting the thickness as 0.5 mm， 1.0 mm and 1.5 mm. The model was applied with static load of 150 N in vertical direction， 300 N in vertical direction and 150 N in oblique direction， respectively， stimulating different occlusal states. The stresses changes on different parts of tooth tissue were calculated and analyzed by three-dimensional finite element analysis. Results  The stress distribution in tooth tissue mainly focused on the neckline edge of enamel， the area towards gingival of dentin and the base layer. As the modulus of base material approaching to dentin， the stress distribution showed a downward trend in enamel， an upward trend in base layer and no significant change in dentin. As the thickness of base material increased， the stress distribution showed a downward trend in both enamel and base layer， no significant change has been detected in dentin. Conclusion  Choice suitable thickness base material which was modulus similar to dentin in favour of stress stable conduction in the remaining dental tissue， and improved the long-term success rate of polymerized porcelain restoration.

Key words： finite element analysis; onlay; stress distribution; lastic modulus; base material; polymerized porcelain

后牙因咬硬物或局部龋坏造成的牙体单尖缺损并不少见，该类缺损牙备牙后的洞型常常接近髓腔，垫底材料不仅能保护牙髓组织健康，同时承担牙体组织、修复体之间力的传导作用，保证牙体组织在应力下的抗折性能。此外，活髓牙此类缺损的修复难度不仅在于需要避免垫底材料对牙髓组织产生刺激，同时，直接充填技术在临床操作时难以恢复良好的牙体外形，且充填体后期存在二次折裂的风险。应用嵌体修复此类缺损的优势明显[1]，聚合瓷作为新型的瓷化树脂材料，制作的嵌体可达到良好的临床效果，不仅具备良好的机械性能，而且弹性模量远低于传统的铸瓷材料[2]，同时价格更为低廉。临床在充填修复时常用的垫底材料包括氧化锌丁香油水门汀、硅酸钙、玻璃离子、各类树脂材料等；而嵌体修复由于粘接技术的要求，多使用玻璃离子及树脂材料。研究同时应用垫底材料及聚合瓷修复此类缺损的报道较为少见。本研究通过建立下颌第一恒磨牙聚合瓷高嵌体修复后的三维有限元模型，选取临床常用的不同种类及厚度的垫底材料进行模拟，观察牙体组织中的应力变化，为聚合瓷嵌体修复活髓牙牙体缺损理论研究和临床工作提供参考。

1  材料和方法

1.1 样本来源：选择一名全口牙列完整、咬合关系正常、牙齿形态标准且牙周情况良好的青年志愿者。通过曲面体层片观察，全口牙槽骨未见明显的水平性及垂直性吸收，右侧下颌后牙牙根形态无明显异常。

1.2 CT扫描：使用藻酸盐印模材料制取志愿者全口标准模，制作咬合板。志愿者佩戴自制的咬合板仰卧于CT床上，由下颌骨颏下往上逐层扫描至下颌髁状突。扫描厚度0.33 mm，獲得轴位断层图像。

1.3 建立模型：将数据导入至Mimics 17.0软件中，逐层剥离，提取牙釉质、牙本质、牙髓组织，获取右下颌第一磨牙的模型。将提取的各个部分数据导入至Geomagic Wrap 2017中进行精修绘制，继而将模型导入CATIA进行洞型设计后，导入Ansys 20.0软件中划分网格，建立右下颌第一磨牙的有限元模型。

1.4 实验分组和模型参数选择：采用不同弹性模量的垫底材料，从低到高分别为：光固化玻璃离子（3M Vitrebond，美国），流体树脂（3M Filtek Flowable Restoration，美国），高强度玻璃离子（松风FX-II，日本），后牙大块树脂（DMG后牙树脂，德国），化学固化玻璃离子（Fuji IX，日本）及后牙复合树脂（3M Filtek P60，美国）。定义模型中牙体组织及垫底材料的属性，弹性模量及泊松比具体参数见表1。

1.5 实验条件：模型中的材料均假设为连续、均匀和各向同性的线性弹性材料，假设各部分结构在加载条件下不发生相对滑动。

1.5.1 边界条件：将牙槽骨周围定为固定约束。

1.5.2 载荷条件：正常咀嚼食物时咬合力为3～30 kg，据此拟定载荷取平均值150 N和最大值300 N。①当广泛牙合接触时，加载点位于牙尖交错位时的牙合接触面，将150 N和300 N载荷加载在中央窝和功能尖近颊牙合边缘嵴处，与牙长轴平行；②当侧方牙合接触时，将150 N载荷加载于功能尖近颊牙合边缘嵴处，与牙长轴斜向呈30°[8]。

1.5.3 研究部位：选取牙釉质中央窝、牙釉质轴壁、牙釉质颈部边缘、牙本质轴壁、牙本质龈壁及垫底层等不同方向的牙体组织进行研究。

1.6 统计学分析：运用ANSYS 20.0软件进行计算加载负荷时的选取的各部位的应力分布、等效应力、拉应力即最大主应力（σ1）。根据不同方向载荷下获得的牙体组织应力值，分析不同垫底材料弹性模量、厚度及不同方向载荷对牙体组织应力的影响。

2  结果

2.1 不同的垫底材料在牙体组织内的应力分布规律：各类垫底材料对牙体组织造成的应力集中部位无差别。牙釉质中应力主要集中于牙颈部边缘。牙本质部位中应力主要集中于龈壁。垫底层中的应力显著高于牙本质及牙釉质。见图1。

2.2 采用不同垫底材料时牙体应力峰值的变化：本研究采用的不同的垫底材料，弹性模量逐渐趋近于直至略高于牙本质。取垫底厚度为1 mm的各组进行第一主应力及等效应力分析，结果表明，在同样的方向和大小载荷下，随垫底材料的弹性模量升高：①在牙釉质中，应力在轴壁及牙颈部边缘处无明显差异（见图2B～C），但在中央窝呈现降低趋势（见表2，图2A）；②在牙本质中，应力在轴壁及牙颈部边缘处无明显差异（见图2D～E）；③在垫底层中，应力逐渐呈增高趋势（见表3，图2F）。

2.3 垫底层厚度变化时牙体应力峰值的大小变化：取牙体各组织中的应力分布最大处分析，即牙釉质的颈部边缘处、牙本质龈壁和垫底层，在同样的方向和大小载荷下，随垫底材料厚度的增加，可得：①在牙釉质的颈部边缘处，应力逐渐升高，尤其在垫底层厚度从1.0 mm变为1.5 mm时变化明显，第一主应力在斜向载荷150 N下明显升高（见图3A），等效应力在垂直向300 N载荷下明显升高（见图3B）；②在牙本质龈壁处，应力逐渐降低，尤其在垫底层厚度从1.0 mm变为1.5 mm时变化为明显，第一主应力在斜向载荷150 N下明显降低（见图4A），等效应力在垂直向300 N载荷下明显降低（见图4B）；③在垫底层内，第一主应力及等效应力均有所降低（见图5）。

3  讨论

近年，在微创治疗理念指导下，伴随口腔修复新材料的发展及铸造工艺的进步，嵌体修复的使用率越来越高[9]。较传统充填术而言，嵌体的优势包括外形佳、聚合收缩少、微渗漏较低[10]和抗疲劳破坏性强[11]等。其中，铸瓷嵌体具有不影响磁共振成像、色泽及美学效果接近天然牙、粘接效率高等优点，在临床已替代大部分传统贵金属嵌体而广泛应用。而聚合瓷作为一种新兴的嵌体修复的新材料，兼具瓷和树脂材料的优点，表现出良好的美观效应、耐磨性及较低的边缘微渗漏效应[12]。

临床上涉及牙尖的牙体缺损面积大，受力过大时易发生牙体二次折裂[13]。应用于活髓牙的垫底材料需满足对牙髓组织刺激性小，同时不影响粘接效率两个基本条件。在嵌体修复中，还需考虑适宜的力学性能[14-15]。Farah提出[16]垫底材料对应力分布影响主要取决于弹性模量，相邻材料之间的弹性模量差别会产生应力分布不均，而对充填或修复治疗的远期效果产生影响。依据以上特征，本实验选取了嵌体修复时临床中常用的玻璃离子及树脂类垫底材料进行研究。同时由于新技术的发展，即便是同类垫底材料的弹性模量仍具有不小的差别，本实验选取了弹性模量区间跨度较大的几种常用玻璃离子及树脂，获得了相对丰富的数据。

本实验中各类垫底材料对牙体组织造成的应力集中部位无差别，与汤英娜[17]等的研究结果一致。由于牙体各部分组织内的应力均主要集中于在近龈处，提示临床上尤其需要注意牙体颈部要保留足够的牙体组织。垫底层中最大主应力低时，对应的牙釉质、牙本质中的最大主应力相应升高。即弹性模量的垫底材受力时会传导更多的应力至剩余牙体组织，提示较高弹性模量的垫底材料有利于缓解牙体的应力集中，与姜又升[5]等的研究结果一致。低弹性模量材料产生的等效应力较低，提示其在同样载荷下产生的微小形变更大，更容易因疲劳造成粘接失效，最终导致修复失败。同时，本实验的应力变化趋势提示，当弹性模量达到一定程度时，不同材料间的应力差距已不明显，如高强度玻璃离子及后牙树脂之间应力差距极小；其中，化学固化玻璃离子的技术敏感性稍高也需考虑其中，不同的粉液配比可能导致这种材料弹性模量的不稳定[18]。

各类材料在厚度变化时应力的变化趋势基本一致，其中低弹性模量的垫底材料变化更为显著，高弹性模量造成的应力变化趋势更加平缓。所有材料中，光固化玻璃离子的厚度改变造成的牙體组织应力变化最为显著，提示其作为此类缺损嵌体修复的垫底材料需谨慎的考量。同一类型的垫底材料，垫底层由0.5 mm增厚至1.0 mm时，各向载荷下，牙釉质、牙本质内的应力改变不明显，垫底层内有所下降。垫底层由1.0 mm增厚至1.5 mm时，牙釉质颈部边缘处的应力会显著升高，牙本质内的应力显著降低，垫底层内的压力逐渐降低。王艳艳[19]及Bottacchiari[20]在研究全瓷高嵌体时认为在颊侧剩余的牙体组织越少，应力越集中，这与本实验对于聚合瓷嵌体的研究结果一致。出现这一现象的原因，可能是由于进行垫底操作时，必须留存足够的牙釉质面积进行后续粘接操作，由牙釉质外侧传导的应力不能获得缓冲所致。冯娟[21]也认为没有垫底材料时，冠部的主应力会直接从牙釉质垂直传递到髓腔，应力集中于龈阶边缘。当有垫底材料时，应力传递在垫底层产生中断后再传至牙体组织。提示临床中若缺损较大或垫底层较加时，缺损区牙颈部釉质的强度必须足够。同时，垫底厚度增加时，牙体组织长期承受过大的应力还可能损伤牙体组织导致折裂以及引起牙髓炎症，不利于远期效果的维持。闫瑛[22]的研究认为垫底厚度应维持在0.5～1.0 mm，与本实验的观点近似。

综上所述，单尖缺损的聚合瓷嵌体修复应考虑垫底材料的弹性模量和厚度，弹性模量高的化学固化玻璃离子及后牙树脂类对牙体组织的应力作用小，远期效果更为乐观，且垫底的厚度不应超过1 mm，避免牙体组织的应力过大，才能获得更好的临床预后。

[参考文献]

[1]Jiang W，Bo H，Yongchun G，et al.Stress distribution in molar restored with inlays or onlays with or without endodontic treatment：A three-dimensional finite element analysis[J].J Prosthet Dent，2010，103（1）：6-12.

[2]李艳芬.聚合树脂修复和聚合瓷嵌体修复分别联合根管疗法治疗后牙体缺损的效果比较[J].中国当代医药，2019，26（17）：130-132.

[3]张丹，白保晶，张振庭.垫底厚度对全瓷嵌体修复应力分布影响的三维有限元分析[J].北京口腔医学，2015，23（2）：105-108.

[4]Chung S M，Yap A U，Koh W K，et al.Measurement of Poissons ratio of dental composite restorative material[J].Biomaterials，2004，25（13）：2455-2460.

[5]姜又升，冯琳，高学军.口腔垫底材料弹性模量对髓腔固位冠修复后上颌前磨牙应力分布的影响[J].北京大学学报，2021，53（4）：764-769.

[6]Zhu J，Rong Q，Wang X，et al.Influence of remaining tooth structure and restorative material type on stress distribution in endodontically treated maxillary premolars：A finite element analysis[J].J Prosthet Dent，2017，117（5）：646-655.

[7]Yap A U，Wang X，Wu X，et al.Comparative hardness and modulus of tooth-colored restoratives：A depth-sensing microindentation study[J].Biomaterials，2004，25（11）：2179-2185.

[8]李岩，张少峰，陈建军.下颌第一磨牙全瓷冠强度可靠性的三维有限元分析[J].中华口腔医学杂志，2010，45（4）：233-236.

[9]孙小迪，胡书海.口腔陶瓷及类陶瓷修复材料在嵌体和高嵌体修复中的应用[J].大连医科大学学报，2022，44（3）：269-272.

[10]Naumova E A，Schiml F，Arnold W H.Marginal quality of ceramic inlays after three different instrumental cavity preparation methods of the proximal boxes[J].Clin Oral Investig，2019，23（2）：793-803.

[11]Awada A，Nathanson D.Mechanical properties of resin-ceramic CAD/CAM restorative materials[J].J Prosthet Dent，2015，114（4）：587-593.

[12]吴传兴，林敏，陈铭晟，等.CAD/CAM陶瓷树脂复合体材料在超薄嵌体应用中的疲劳性能研究[J].实用口腔医学杂志，2020，36（4）：5.

[13]张雨.根管治疗后牙冠部的修复方式与牙折裂发生相关性的回顾研究：中华口腔医学会牙体牙髓病学专业委员会第十四次全国牙体牙髓病学学术大会论文汇编[C].成都：[出版者不详]，2022.

[14]张白冰，李健.三维有限元在牙体牙髓病学中的应用[J].广东牙病防治，2014，22（11）：614-616.

[15]Chevalier Y，Matsuura M，Krueger S，et al.Micro-CT and micro-FE analysis of pedicle screw fixation under different loading conditions[J].J Biomech，2018，70：204-211.

[16]Farah J W，Powers J M，Dennison J，et al.Effects of cement bases on the stresses and deflections in composite restorations[J].J Dent Res，1976，55（l）：115-120.

[17]汤英娜，张修银，王忠华.有限元应力分析不同垫底材料在邻牙牙合面缺损磨牙的髓腔固位冠修复效果[J].健康研究，2021，41（4）：462-465.

[18]周振平，马洪顺，王玉臣.玻璃离子水门汀弹性系数测定实验研究：第九届全国生物材料学术会议（CBMS-9）论文集[C].成都：《生物医学工程学杂志》编辑部，2002.

[19]王艳艳.不同材料及边缘设计对下颌第一磨牙MOD高嵌体应力分布的影响[D].济南：山东大学，2022.

[20]Bottacchiari S.Composite inlays and onlays structural，periodontal，and endodontic aspects[J].Stomatol Edu J，2017，4（3）：228.

[21]冯娟，郭慧慧，申晋斌，等.磨牙髓室底垫底厚度对全瓷嵌体冠应力分布的影响[J].牙体牙髓牙周病学杂志，2017，27（1）：16-21.

[22]闫瑛.垫底材料和修复方式对牙齿应力分布影响的三维有限元分析[D].唐山：华北理工大学，2018.

[收稿日期]2021-11-15

本文引文格式：呂越，陈晓敏.不同垫底材料用于聚合瓷嵌体修复后牙体组织应力变化的研究[J].中国美容医学，2023，32（4）：61-66.