贴面式瓷嵌体修复上颌第一前磨牙穿髓型非龋性颈部缺损的三维有限元应力分析

马典 钱捷

昆明医科大学附属口腔医院口腔修复科，昆明 650100

非龋性颈部缺损（non-carious cervical lesion，NCCL）是指釉牙骨质界（cemental-enamal junc‐tion，CEJ）处牙体硬组织发生的慢性进行性非龋性丧失[1]，临床发病率极高，好发于第一前磨牙。穿髓型NCCL 由于其牙体缺损大，且根管治疗后牙体脆性增加，大大降低了此类患牙的抗折能力[2-3]。目前临床对该类患牙的修复尚无标准化治疗方案[4]，常见修复方式包括：根管治疗后行直接充填、纤维桩伴树脂充填、全冠、桩核冠等。直接充填修复易出现抗力不足、边缘继发龋、颜色匹配度差等问题[5-6]，全冠修复则因牙体预备量大，易发生颈部横折、增加了不利型断裂模式的概率[7-8]。贴面式嵌体（surface-mounted inlay）作为一种微创、美观的修复方式，是颈部嵌体与唇侧贴面的结合，有不同学者[9-10]将其应用于非穿髓型的楔状缺损修复中，均表明该种修复类型具有良好的修复效果，并有利于牙体应力的改善。对于穿髓型NCCL 来说，目前尚未见贴面式嵌体修复的应用报道。

与此同时，与修复形式相比，修复材料的考量也至关重要[11]，以IPS e.max CAD（下文简称LD）和Lava Ultimate（下文简称LU）分别为代表的二硅酸锂玻璃陶瓷与树脂基纳米陶瓷近年来在修复体中广为使用。此外纤维桩由于具有良好的力学性能，广泛应用于修复根管治疗后机械性能下降的患牙，但关于桩的放置位置与数量，目前尚未形成共识[12]。

本文采用三维有限元分析探讨穿髓型NCCL上颌第一前磨牙，经2种瓷材料贴面式嵌体及纤维桩修复后的应力情况，以期为临床选择微创、有效的修复方法提供参考。

1 材料和方法

1.1 实验设备与软件

New Tom 3G 型锥形束CT （cone beam CT，CBCT）（Verona 公司，意大利），软件Mimics Medical 21.0 （Materialise 公司，比利时）、Geo‐magic Studio （3D Systems 公司，美国）、Solid‐Works 2021（Dassault 公司，法国）、Ansys Work‐bench 21.0（Ansys公司，美国）。

1.2 样本选择

选择就诊于昆明医科大学附属口腔医院修复科，牙列完整、咬合关系正常的患者的1颗双根管上颌第一前磨牙的CBCT 数据，牙体完整无龋坏、面形态完整、扁根、牙根发育完成且牙根较直，以标准DICOM 格式储存，建立上颌第一前磨牙三维形态数据。

1.3 实验分组

建立健康对照（HC）组、缺损未修复的缺损对照（DC）组，根据2 种贴面式嵌体材料LD、LU 以及不同的纤维桩位置［无纤维桩（NP）、颊侧根管纤维桩（B）、腭侧根管纤维桩（P）、颊腭侧根管纤维桩（BP）］，建立8 个实验组（LDNP、LDB、LDP、LDBP、LUNP、LUB、LUP、LUBP），如表1所示。

表1 实验分组Tab 1 Experimental groups

1.4 模型建立

1.4.1 建立右上颌第一前磨牙三维几何实体模型将CBCT 中DICOM 格式数据导入Mimics 软件中，根据不同灰度值识别釉质、牙本质、牙髓腔等不同组织，形成初步的三维实体模型，导入到Geo‐magic Studio 中，进行模型的细化和组装，以STEP 格式导入至SolidWorks 中对各结构进行装配。在CEJ下2 mm 牙根轮廓线外均匀扩展0.2 mm模拟牙周膜，向外扩展直径17 mm、高14 mm 圆柱体模拟牙槽骨[13]，牙槽骨外表面直径向内2 mm为皮质骨，余为松质骨，形成右上第一前磨牙牙体及牙周组织的三维模型。

1.4.2 建立右上颌第一前磨牙穿髓型NCCL 牙体预备形及修复体模型 将所得STEP格式数据导入SolidWorks 软件，在上颌第一前磨牙实体模型的颊侧CEJ 处切除部分牙体组织，缺损范围：宽度为3.0 mm；深度为颊舌侧牙颈部直径的1/3，最深处穿髓；高度为壁位于CEJ 中点上方2.5 mm，龈壁位于CEJ 中点下方0.5 mm；壁与龈壁夹角（即内线角）为45°。纤维桩长度设置为16.0 mm，尖端直径为0.8 mm，末端直径为1.6 mm，根尖保留4.0 mm 的牙胶充填，并在面水平位置截断纤维桩。颊侧采用开窗式预备方式，除颈部缺损外均匀去除0.5 mm，邻面为浅凹形斜面，在牙体预备形上均匀增厚50 μm 模拟粘接层，在粘接层上方颈部缺损按缺损大小增厚、缺损方均匀增厚0.8 mm[14]（死髓牙遮色角度需保证的厚度）模拟贴面式嵌体，在面缺损处按缺损范围行树脂充填。分别将数据保存为牙体预备形、贴面式嵌体、树脂粘接剂、牙胶、纤维桩、树脂的STEP 格式数据文件，见图1。

图1 右上第一前磨牙NCCL缺损模型、预备形、修复体及牙周组织模型Fig 1 Models of NCCL, preparation, resroration and periodontal tissue in upper right first premolar

1.5 模型装配、边界设定、网格划分

将上述各结构进行装配获得健康、缺损对照组与实验组共10 个有限元模型，导入Ansys Work‐bench 21.0中，赋予力学参数，见表2[15-17]。所有组织均为线弹性、各向同性、均匀，牙槽骨底部固定连接、各结构之间固定接触，对各组模型进行四面体网格划分。

表2 材料力学参数Tab 2 Mechanics parameters of materials

1.6 实施加载

实施恒定静态加载，大小为100 N。轴向（F1）载荷：加载于中央窝接近近远中边缘嵴处（2 点），每点50 N，接触面积为1 mm²，与牙体长轴平行；侧方（F2）载荷：加载于腭尖的颊斜面的顶1/3（2点）[18]，每点50 N，接触面积为1 mm²，与牙长轴呈45°，如图2所示。

图2 加载示意图Fig 2 Loading diagram

1.7 分析指标

采用最大主应力对贴面式嵌体、树脂粘接剂、缺损尖端牙体、釉质及牙本质进行分析，在颊尖顶点进行颊尖位移量分析。

牙体缺损行固定修复时，修复形式与材料的选择不仅要改善作为薄弱环节的缺损区域的应力情况，还要保护剩余牙体形成类似健康牙的生物力学功能。故本研究以DC 组为对照，对各实验组缺损尖端牙体进行变化量百分数分析；以HC 组为对照，对各实验组颊尖位移量、釉质、牙本质进行变化量百分数分析，变化量百分数小于5%认为是无差异的[19]。

2 结果

2.1 各实验组贴面式嵌体及树脂粘接剂应力峰值大小

修复体及树脂粘接剂应力均表现为LD 组明显高于LU 组，且呈现同一材料同一载荷下不同实验组（NP、B、P、BP）之间峰值相似，如图3、4所示，均未超过两陶瓷材料及树脂粘接剂的抗拉强度（LD：124 MPa[20]，LU：160 MPa[20]，树脂粘接剂：45.1 MPa[21]）。在F1 载荷下，应力均集中于尖端壁处；而在F2 载荷下，均集中于颊侧颈部边缘，如图5~8所示。

图3 贴面式嵌体最大主应力峰值Fig 3 Maximum principal stress of surface-mounted inlay

图4 树脂粘接剂最大主应力峰值Fig 4 Maximum principal stress of resin adhesive layer

图5 贴面式嵌体最大主应力F1载荷应力云图Fig 5 Maximum principal stress of surface-mounted inlay under F1 load

图6 贴面式嵌体最大主应力F2载荷应力云图Fig 6 Maximum principal stress of surface-mounted inlay under F2 load

图7 树脂粘接剂最大主应力F1载荷应力云图Fig 7 Maximum principal stress of resin adhesive layer under F1 load

图8 树脂粘接剂最大主应力F2载荷应力云图Fig 8 Maximum principal stress of resin adhesive layer under F2 load

2.2 各组缺损尖端牙体应力峰值大小

缺损尖端牙体位置如图9绿色区域所示（即由NCCL 区域龈壁与壁构成的45°V 型区域），DC组与各实验组在不同载荷下，缺损尖端应力峰值均位于缺损尖端壁釉牙本质交界处，如图10、11 所示。由表3 可知，与DC 组对比，各修复组缺损尖端各应力峰值均有明显下降，表现为LD 组下降范围（48.55%~88.06%）大于LU 组（56.49%~77.11%），同一材料不同修复组之间变化量相似。此外，釉质与牙本质抗拉强度分别为46.9 MPa[22]、40~86.5 MPa[23]，各实验组均在正常范围内。

图9 缺损尖端牙体位置Fig 9 Position of defective tip

图10 缺损尖端牙体最大主应力F1载荷应力云图Fig 10 Maximum principal stress of defective tip under F1 load

图11 缺损尖端牙体最大主应力F2载荷应力云图Fig 11 Maximum principal stress of defective tip under F2 load

表3 缺损尖端牙体最大主应力峰值和各实验组较DC组的变化量Tab 3 Maximum principal stress of defective tip and changes in each experimental group compared to group DC

2.3 各组的颊尖位移量大小

由表4 可知，与HC 组相比，2 种材料中NP、B、P组颊尖位移量的变化量无明显差异（绝对值＜5%），而BP 组呈现明显下降趋势（在F1 载荷下，LDBP组下降28.90%，LUBP组下降25.89%；在F2载荷下， LDBP组下降8.30%， LUBP组下降6.37%）。

表4 不同载荷下颊尖位移量和各实验组较HC组的变化量Tab 4 Buccal displacement under different load and changes in each experimental group compared to group HC

2.4 各组的釉质应力峰值大小

图12 釉质最大主应力F1载荷下的应力云图Fig 12 Maximum principal stress of enamel under F1 load

图13 釉质最大主应力F2载荷下的应力云图Fig 13 Maximum principal stress of enamel under F2 load

表5 釉质最大主应力峰值和各实验组较HC组的变化量Tab 5 Maximum principal stress of enamel and changes in each experimental group compared to group HC

2.5 各组的牙本质应力峰值大小

HC 组应力峰值位于腭侧牙颈部区域，DC 组应力峰值位于缺损尖端壁釉牙本质交界处，各实验组在F1 载荷下集中于缺损尖端壁，在F2 载荷下集中于颊侧缺损下方颈1/3区域，如图14、15所示。牙本质最大拉伸强度为40~86.5 MPa[23]，各实验组均在正常范围内。与HC 组相比，各实验组应力峰值基本均呈现下降趋势，由此可见，2种材料的下降幅度基本一致（表6）。

图14 牙本质最大主应力F1载荷应力云图Fig 14 Maximum principal stress of dentine under F1 load

图15 牙本质最大主应力F2载荷下的应力云图Fig 15 Maximum principal stress of dentine under F2 load

表6 牙本质最大主应力峰值和各实验组较HC组的变化量Tab 6 The maximum principal stress of dentine and changes in each experimental group compared to group HC

3 讨论

本研究贴面式嵌体修复形式设计出发点为：1）微创修复，剩余牙体预备量小；2）牙体大面积受压应力，可有效改善牙体应力分布；3）对于此类根管治疗后的变色死髓牙，该修复体的设计形式与厚度（0.8 mm）可在保证修复体强度的同时又可兼顾美观恢复；4）贴面式嵌体固位形式为颈部嵌体机械固位联合唇侧贴面大面积粘接固位，有研究[24]提出，釉质环粘接面积占总边界粘接面积的70%，釉质粘接面积50%即可提供可靠的粘接强度；本实验模型预备在颈部缺损以上进行深度为0.5 mm 的牙体预备，可保证足够的釉质粘接面积。在此基础上，通过三维有限元分析法对牙体及修复体各部分进行应力分析，发现缺损未修复组缺损尖端的牙体、釉质最大主应力等指标明显高于健康组，且均超过各牙体结构的抗拉强度，说明未修复组在正常负载状态下面临极大的牙体断裂风险；而进行贴面式嵌体修复的各实验组，牙体各结构应力峰值与健康组相近，表明在正常负载状态下具有良好的力学性能及抗折性能。因此贴面式嵌体应用于穿髓型NCCL 的临床修复中，可达到类似天然牙的生物力学强度，符合近年来提出的微创仿生的修复理念[25]。

在本研究中，与LU 组相比，LD 组可承担更多的应力，从而明显改善作为薄弱环节的缺损尖端牙体的应力。这与材料的弹性模量不同相关，LD弹性模量高出LU约9倍，当弹性模量越高硬度越大时能承受更大的应力与应变，此时向周围组织传递的应力减小，可对牙体组织形成保护作用，这与较多学者[19,26]的研究结果一致，他们都表示弹性模量高的玻璃陶瓷容易在陶瓷内部集中更多的应力，而弹性模量低的树脂基纳米陶瓷往往会将更多的应力传递到牙齿结构，进而使患牙面临更大的断裂风险。但有研究提出，与牙体组织相近的低弹性模量材料有利于应力传导与分散，解释其可能原因为，当弹性模量相近的不同结构组合在一起时，更容易形成力学性能相近的复合体，在应力传导过程中不易在各结构界面处出现应力集中的现象[27]，但目前对于修复材料弹性模量高低的最佳选择尚无定论。获取可靠的粘接固位是关乎微创修复长期成功的必要因素[11]，本实验选择树脂类水门汀，50 μm 厚度的粘接层厚度设置在宁未来[28]的实验中优于其他的厚度设置，虽然LD 组树脂粘接剂应力峰值高于LU 组树脂粘接剂1.6~2.5 MPa，但这一较小的差距使得无法预测粘接效果方面是否会出现明显差异。此外，在材料成分方面，LD 含高达质量分数60%的玻璃相[29]，采用氢氟酸酸蚀与硅烷化的预处理方式，而LU 在质量分数80%纳米陶瓷填料中含大量氧化锆颗粒，预处理方式通常选择喷砂。有学者[30]通过对LD 与LU 在粘接前进行不同方式的预处理来探索粘接强度的变化，发现经氢氟酸与硅烷化处理后，LD 粘接强度明显高于LU（P＜0.05），而经喷砂处理后，二者粘接强度未出现明显差异（P>0.05）。综上，虽然LD 组修复体应力峰值较高，但远小于其极限拉伸强度值，在实验条件下不会发生断裂，并且改善缺损处牙体应力集中效果明显，粘接效果可靠，建议IPS e.max CAD应作为贴面式嵌体修复的较优材料。

在研究中，纤维桩—牙本质界面应力均匀，所受拉应力与其周围根管壁牙本质应力分布情况基本一致（1~8 MPa），远小于以往研究[31]报道的纤维桩的抗弯强度741 MPa，因此可认为纤维桩不会出现断裂。在同一修复材料中，可发现不同的纤维桩位置对各结构应力峰值无明显影响，表明纤维桩的使用并未产生使牙体应力分散、传导的作用。这与Skupien 等[32]提出，桩的使用可避免因颈部缺损导致的颈部应力集中，而有利于应力向其他区域传导这一观点相反。但也有观点认为，桩可为核与冠提供固位，在提供抗力方面作用微弱。此外，在任何修复中，牙本质肩领作为关键因素将影响修复体长期修复预后[33]。本实验侧向载荷位于腭尖颊斜面，将其分解后水平分力指向腭侧，而腭侧存在完整的颈周牙本质及牙本质肩领，能有效对抗侧向力、减少应力集中，进而提高牙体抗力，在此条件下也弱化了纤维桩的作用。在探索前牙残根不同牙本质肩领保留对牙体抗力影响时，不同的研究中均得出保留腭侧肩领组患牙抗折强度仅次于360°环形肩领组，再次表明受力侧牙本质肩领建立的重要性。然而在颊尖位移量方面，颊腭根纤维桩组明显低于健康组及其余修复组，因纤维桩的弹性模量明显高于牙髓及牙胶，相应抵抗变形的能力增大，可减少对粘接界面的破坏，进而减少脱粘接事件的发生，这与赵凌等[34]观点一致。但无纤维桩组、单根管纤维桩组也可达到与健康牙相当的位移量，故建议单独行贴面式嵌体修复即可，若考虑放置纤维桩，则建议双根管放置。

对于釉质，健康组与各修复组在斜向载荷下，最大主应力峰值高达50~55 MPa（面加载点周围），小范围超过釉质极限抗拉强度46.9 MPa。按照最大主应力原则，当最大主应力超过抗拉强度时，相应结构将发生不同程度的裂纹。釉质作为最外层结构，首先承担咀嚼力量且脆性较高，但因其断裂韧性低于下方牙本质，故牙本质对其具有缓冲保护作用，可阻止裂纹向内部发展，在维持牙齿功能、预防牙髓症状、牙折裂等方面存在重要意义。同时有研究提出，釉质抗拉强度可高达75.8 MPa，远高于本实验中的釉质应力峰值，故研究中各组模型釉质层是否会出现裂纹尚需验证。

在缺损组中发现，牙体各结构最大主应力峰值在斜向载荷下均高于健康组，而轴向载荷下与健康组相近，这表明，斜向载荷是NCCL 发展恶化的重要刺激因素，提示在关注修复材料与修复形式的同时，还应重视患牙咬合接触情况，建议在合理范围内通过减小牙尖斜度来降低侧向力。

由于本实验所用有限元分析方法的特殊性，仅采用一个模型，虽然此标本在形态上具有很强的代表性，但尚需更多研究标本来证实本研究所得初步结果。此外，对穿髓型NCCL 缺损范围设定单一，未对更多的缺损范围进行分析。口腔咀嚼运动为动态负载过程，而本实验采用恒定静态载荷，与口内实际情况存在一定差异，并且研究中仅探讨修复材料、牙体结构应力与弹性模量、泊松比之间的关系，未考虑口腔温度、唾液环境、循环咀嚼力等对材料疲劳性能的影响，因此在未来还应通过多种体内外研究探索贴面式瓷嵌体在穿髓型NCCL修复中的应用效果。

利益冲突声明：作者声明本文无利益冲突。