摘要

通過(guò)運(yùn)用三維有限元方法建立I一Ⅳ類骨質(zhì)中種植體不同角度傾斜種植模型24個(gè)，垂直集中加載300N。分析研究顯示，在同一骨質(zhì)中，隨著種植體傾斜角度的增加，密質(zhì)骨和松質(zhì)骨中的最大應(yīng)力及應(yīng)變量均逐漸增大；而相同角度的種植體于不同質(zhì)量的頜骨中時(shí)，最大應(yīng)力發(fā)展趨勢(shì)為：密質(zhì)骨：Ⅳ類骨質(zhì)>Ⅲ類骨質(zhì)>II類骨質(zhì)>I類骨質(zhì)；松質(zhì)骨：Ⅲ類骨質(zhì)>IV類骨質(zhì)>II類骨質(zhì)。

關(guān)鍵詞傾斜種植；不同質(zhì)量頜骨；應(yīng)力分析；三維有限元

后牙區(qū)由于受到解剖條件的限制，常出現(xiàn)骨高度不足，通常需要在常規(guī)種植的基礎(chǔ)上輔以植骨術(shù)。然而，植骨術(shù)存在術(shù)后反應(yīng)大、費(fèi)用高、治療周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)。目前，有學(xué)者提出“傾斜種植”的概念，即種植體植入方向與原牙體長(zhǎng)軸成角度，以避開(kāi)關(guān)鍵的解剖結(jié)構(gòu)(如上頜竇、下頜神經(jīng)管等)，在不附加手術(shù)的前提下獲得足夠骨量_lJ。傾斜種植多用于無(wú)牙頜、后牙連續(xù)缺失以及前牙這些對(duì)咬合力要求較小的區(qū)域J。但對(duì)應(yīng)用于后牙單個(gè)牙缺失這樣對(duì)咬合力要求較高的區(qū)域存在爭(zhēng)議。頜骨質(zhì)量有區(qū)別，并且它對(duì)種植體的穩(wěn)定性意義重大。對(duì)于傾斜種植可否適用于所有頜骨骨質(zhì)的后牙區(qū)以及最大適用角度，目前尚無(wú)研究論證。該研究擬對(duì)不同質(zhì)量頜骨中的傾斜種植體周圍骨質(zhì)的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行三維有限元分析(three—dimensional finite element method，3DFEM)，以期對(duì)單個(gè)后牙缺失傾斜種植的I臨床應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1．1 材料

計(jì)算機(jī)的CPU：AMD雙核；內(nèi)存：4G；硬盤：320G。有限元軟件：ANSYS12．0大型三維有限元分析軟件。

1．2 模型建立

1．2．1 種植體模型 的建立

根據(jù)ITI的基本數(shù)據(jù)建立圓柱形種植體的三維有限元模型?直徑為4.1mm,高10mm,螺距1.25mm,齒高0.5mm?上部角度基臺(tái):簡(jiǎn)化為下底直徑4.1mm?上底直徑3.5mm?高5mm的圓臺(tái)?由于IT1種植系統(tǒng)中最大角度基臺(tái)的角度為20?,為避免受到限制,該實(shí)驗(yàn)將角度基臺(tái)的角度增大至25?,即種植體長(zhǎng)軸與角度基臺(tái)長(zhǎng)軸分別呈0°?5°,10°?15°?20°?25°,形成6種種植體模型?該實(shí)驗(yàn)設(shè)置種植體的材料為鈦,彈性模量為1.1*6MPa,泊松比為0.35?

1．2．2 牙冠模型的建立

簡(jiǎn)化為8mm；l：8mm8mm的瓷性正方體。由于本實(shí)驗(yàn)主要觀察種植體周圍骨質(zhì)的應(yīng)力應(yīng)變情況，與上部結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)，故對(duì)上部角度基臺(tái)及牙冠進(jìn)行簡(jiǎn)化。該實(shí)驗(yàn)設(shè)置瓷的彈性模量為710MPa，泊松比為0．19。

1．2．3 骨塊模型的建立

頜骨骨塊的尺寸為：近遠(yuǎn)中向16mm，頰舌向8mm，高15mm，骨塊簡(jiǎn)化為內(nèi)含松質(zhì)骨，外包密質(zhì)骨，松質(zhì)骨的近遠(yuǎn)中向未被密質(zhì)骨包繞的長(zhǎng)方體。根據(jù)Wakimoto et all采用的骨質(zhì)分類方法，即I級(jí)：頜骨幾乎完全由均質(zhì)的密質(zhì)骨構(gòu)成；11級(jí)：厚層的密質(zhì)骨包繞骨小梁密集排列的松質(zhì)骨；Ⅲ級(jí)：薄層的密質(zhì)骨包繞骨小梁密集排列的松質(zhì)骨；1V級(jí)：薄層的密質(zhì)骨包繞骨小梁疏松排列的松質(zhì)骨；構(gòu)建四種骨質(zhì)模型，即I類骨：全由密質(zhì)骨構(gòu)成；Ⅱ類骨：密質(zhì)骨厚3mm；m類骨：密質(zhì)骨厚1mm；1V類骨：密質(zhì)骨厚1mm，松質(zhì)骨的彈性模量降低。該實(shí)驗(yàn)設(shè)置密質(zhì)骨的彈性模量為13700MPa，I～Ⅲ類松質(zhì)骨的彈性模量為1370MPa，Ⅳ類松質(zhì)骨的彈性模量為690MPa，泊松比均為0．3【6-8】。

1．2 ．4 模型的裝配與單位劃分

將種植體、骨塊、牙冠進(jìn)行一一裝配。種植體完全位于骨塊中，保證上部基臺(tái)的長(zhǎng)軸與骨塊長(zhǎng)軸平行，即形成種植體傾斜種植的模型。共形成24個(gè)模型。本實(shí)驗(yàn)采用自動(dòng)劃分單元的形式對(duì)建立的24個(gè)模型進(jìn)行單元?jiǎng)澐?，單元?shù)為70593—73210個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為97435—99853個(gè)，見(jiàn)圖1.

1.3實(shí)驗(yàn)條件假設(shè)與約束

假設(shè)模型中所有材料均為均質(zhì)、線彈性、各向同性。假設(shè)種植體與周圍骨組織為100%骨結(jié)合。骨塊的近遠(yuǎn)中、底面全部約束，模型在加載后不發(fā)生位移，但約束區(qū)以內(nèi)的骨組織受力后可發(fā)生位移。

1.4加載方式

由于正常情況下，人咀嚼食物時(shí)所用的力約3~30kg，即約30~300N，故加載方式為垂直集中加載300N。

1.5計(jì)算分析

應(yīng)力和應(yīng)變是三維有限元分析力學(xué)常用的最直觀的變量。本實(shí)驗(yàn)使用ANSYS12.0大型有限元分析軟件對(duì)各個(gè)模型進(jìn)行計(jì)算，分析在載荷條件下，密質(zhì)骨和松質(zhì)骨的最大等效應(yīng)力及最大應(yīng)變量，以確定傾斜種植在不同質(zhì)量頜骨中能否應(yīng)用，以及可應(yīng)用的最大角度。

2結(jié)果

2.1密質(zhì)骨的最大應(yīng)力、最大應(yīng)變及其分布情況

在同一骨質(zhì)中，隨著種植體傾斜角度的增加，密質(zhì)骨中的最大應(yīng)力及應(yīng)變量逐漸增大；而相同角度的種植體位于不同質(zhì)量的頜骨中時(shí)，I類骨質(zhì)的應(yīng)力最小，其余依次增大。見(jiàn)圖2。

當(dāng)種植體垂直植入頜骨中時(shí)，其密質(zhì)骨的最大應(yīng)力分布于種植體頸部。而傾斜種植時(shí)，密質(zhì)骨的最大應(yīng)力分布于反傾斜向的種植體頸部。四類骨質(zhì)模型中密質(zhì)骨的應(yīng)力分布規(guī)律基本相同。見(jiàn)圖3。

2.2松質(zhì)骨的最大應(yīng)力、最大應(yīng)變及其分布情況

在同一骨質(zhì)中，隨著種植體傾斜角度的增大，松質(zhì)骨的最大應(yīng)力及應(yīng)變呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，其應(yīng)力明顯小于密質(zhì)骨中的應(yīng)力。而當(dāng)種植體傾斜角度相同時(shí)，松質(zhì)骨應(yīng)力的變化趨勢(shì)為：Ⅲ類骨質(zhì)>Ⅳ類骨質(zhì)>Ⅱ類骨質(zhì)。但隨著骨質(zhì)密度的降低，松質(zhì)骨的應(yīng)變依次增大。見(jiàn)圖4。

在Ⅱ類骨質(zhì)中，松質(zhì)骨的最大應(yīng)力分布于種植體的底部（最下方的螺紋處)，而在Ⅲ、V類骨質(zhì)中種植體周圍松質(zhì)骨應(yīng)力分布較均勻，但在密質(zhì)骨與松質(zhì)骨交界處出現(xiàn)了應(yīng)力較集中的區(qū)域。同一骨質(zhì)不同角度的種植體松質(zhì)骨應(yīng)力分布情況基本相同。見(jiàn)圖5。

3討論

自1976年3DFEM被引入口腔種植學(xué)以來(lái)，3DFEM已成為口腔種植力學(xué)分析的重要手段并得到廣泛應(yīng)用，對(duì)臨床具有重要指導(dǎo)意義。而本實(shí)驗(yàn)中使用的ANSYS12.0軟件是當(dāng)前使用最廣泛、功能最強(qiáng)大的有限元軟件。該實(shí)驗(yàn)將頜骨簡(jiǎn)化成規(guī)則形狀，而未使用CT掃描建立頜骨模型，其原因?yàn)椋阂环矫嬗捎趥€(gè)體的差異，使用CT掃描建立的頜骨模型并不具有共性；另一方面，李湘霞等研究表明，在有限元研究中將下頜骨形態(tài)簡(jiǎn)化成規(guī)則形態(tài)是合理的。因此，本研究結(jié)果是真實(shí)可信的。

當(dāng)種植體傾斜角度相同時(shí)，最大應(yīng)力的發(fā)展趨勢(shì)為：密質(zhì)骨：Ⅳ類骨質(zhì)>Ⅲ類骨質(zhì)>Ⅱ類骨質(zhì)>I類骨質(zhì)；松質(zhì)骨：Ⅲ類骨質(zhì)>V類骨質(zhì)>Ⅱ類骨質(zhì)。這與Danza eta]的研究結(jié)果相類似。其中Ⅲ、Ⅳ類骨質(zhì)較Ⅰ、Ⅱ類骨質(zhì)增長(zhǎng)幅度大。以種植體垂直植入為例，Ⅱ、Ⅲ、IⅣ類骨質(zhì)中的密質(zhì)骨最大應(yīng)力較I類骨質(zhì)分別增長(zhǎng)了136%、486%、865%。Ⅲ、Ⅳ類骨質(zhì)中的松質(zhì)骨最大應(yīng)力較Ⅱ類骨質(zhì)分別增長(zhǎng)了692%和637%。IV類骨質(zhì)中的松質(zhì)骨最大應(yīng)力略小于Ⅲ類，這可能是由于Ⅳ類骨質(zhì)中的松質(zhì)骨的彈性模量降低了一半。這提示在I、Ⅱ類骨質(zhì)中進(jìn)行傾斜種植在生物力學(xué)方面優(yōu)于Ⅲ、Ⅳ類骨質(zhì)。因此當(dāng)臨床上要為Ⅲ、IV類骨質(zhì)患者進(jìn)行傾斜種植時(shí)，應(yīng)適當(dāng)通過(guò)其他術(shù)式增加骨密度(如骨擠壓等)。

骨組織受力的作用而變形，當(dāng)骨組織受力而增長(zhǎng)至原有長(zhǎng)度的101%，其變化為1%，單位為0.01strain(應(yīng)變），或10000 ustrain(微應(yīng)變）。當(dāng)骨組織受力小于50ustrain時(shí)，骨組織處于廢用狀態(tài)。當(dāng)外力作用在50~3000ustrain時(shí)，骨組織可自我調(diào)節(jié)避免骨吸收。當(dāng)外力作用在3000ustrain以上時(shí)，骨組織的自我調(diào)節(jié)已無(wú)法抗衡吸收，因此，當(dāng)外力作用小于50ustrain或大于3000ustrain時(shí)，骨組織發(fā)生骨吸收。

實(shí)驗(yàn)中，I類骨質(zhì)的6種傾斜種植模型的最大應(yīng)變?yōu)?200ustrain，低于3000ustrain，說(shuō)明I類骨質(zhì)可進(jìn)行25。以下的傾斜種植。Ⅱ類骨質(zhì)中25。傾斜種植的模型的最大應(yīng)變?yōu)?752ustrain，其余模型均低于3000ustrain，因此Ⅱ類骨質(zhì)可進(jìn)行20。以下的傾斜種植。Ⅲ、Ⅳ類骨質(zhì)傾斜種植的模型中，除了Ⅲ類骨質(zhì)0。種植模型的最大應(yīng)變?yōu)?769ustrain，其余均高于3000ustrain。這提示Ⅲ、Ⅳ類骨質(zhì)不適用于傾斜種植，同時(shí)，當(dāng)Ⅳ類骨質(zhì)進(jìn)行垂直種植時(shí)，也建議其首先增加骨密度。

由于本實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭心M的是100％骨結(jié)合，在臨床上難以達(dá)到，因此要探究?jī)A斜種植是否能在臨床上推廣應(yīng)用，仍需進(jìn)行進(jìn)一步的動(dòng)物試驗(yàn)和臨床試驗(yàn)。