微型種植體長(zhǎng)度對(duì)骨界面應(yīng)力分布的影響

單麗華 董福生 宮偉偉 張雄

（1.河北醫(yī)科大學(xué)第二醫(yī)院 口腔正畸科，石家莊 050000；2.河北醫(yī)科大學(xué)口腔醫(yī)院 頜面外科，石家莊 050017；3.清華大學(xué) 工程力學(xué)系，北京 100084）

微型種植體長(zhǎng)度對(duì)骨界面應(yīng)力分布的影響

單麗華1董福生2宮偉偉3張雄3

（1.河北醫(yī)科大學(xué)第二醫(yī)院 口腔正畸科，石家莊 050000；2.河北醫(yī)科大學(xué)口腔醫(yī)院 頜面外科，石家莊 050017；3.清華大學(xué) 工程力學(xué)系，北京 100084）

目的 探討微型種植體長(zhǎng)度對(duì)骨組織內(nèi)應(yīng)力分布的影響。方法 建立直徑1.6mm，長(zhǎng)度分別為6、8、10、12mm的種植體-下頜骨三維有限元模型，垂直植入種植體，給以1.96N的水平向前及前上方向的載荷，記錄并分析不同情況下的應(yīng)力分布。結(jié)果 種植體水平向前載荷的應(yīng)力峰值范圍為3.500～3.765MPa，位移峰值范圍為1.266～1.288μm；前上方向載荷的應(yīng)力峰值范圍為4.075～4.510MPa，位移峰值范圍為1.668～1.694μm。水平向前載荷的應(yīng)力峰值及位移峰值均低于前上方向載荷的峰值。結(jié)論 在所研究的尺寸（6～12mm）范圍內(nèi)，種植體長(zhǎng)度對(duì)骨界面應(yīng)力影響不大，而種植體載荷方式對(duì)骨界面應(yīng)力分布有重要影響。

微型種植體； 應(yīng)力分布； 三維有限元分析

微型種植體支抗技術(shù)逐漸成為正畸領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，目前存在的最大問(wèn)題在于種植體承受較大正畸力時(shí)容易脫落[1]。微型種植體多植入在牙槽骨兩牙根之間，距離牙根、上頜竇、神經(jīng)管、鼻腔等較近，因此增加種植體長(zhǎng)度會(huì)增加損傷鄰近器官的危險(xiǎn)性。微型種植體長(zhǎng)度對(duì)骨界面應(yīng)力分布的影響及與載荷方式的關(guān)系尚不明確，目前國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)少見(jiàn)這方面的報(bào)道。本實(shí)驗(yàn)應(yīng)用三維有限元法，探討不同微型種植體長(zhǎng)度及載荷方式對(duì)周?chē)墙M織內(nèi)應(yīng)力分布的影響，為種植體開(kāi)發(fā)及臨床醫(yī)生選擇合適的種植體長(zhǎng)度提供參考依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 微型種植體的選擇

參照德國(guó)Medicon公司生產(chǎn)的螺紋型微型種植體（純鈦，Aarhus Screw Syst 1.6型），設(shè)定種植體的頭部和頸部為直徑1.6mm的光滑圓柱形結(jié)構(gòu)，總長(zhǎng)度為3.4mm。螺紋體頂部直徑1.6mm，根部直徑1.5mm，中間線性變化。種植體螺紋高為0.3mm，螺距0.6mm，頂角90°。種植體螺紋部分長(zhǎng)度有6、 8、10、12mm共4種。

1.2 下頜骨及微型種植體三維有限元模型的建立

采用日立W2000 CT螺旋掃描機(jī)（GE公司，美國(guó)），對(duì)1名志愿者進(jìn)行頜骨CT掃描。掃描條件：選擇骨組織窗掃描，螺距0.875mm，種植區(qū)層距為0.5mm，其他區(qū)域?qū)泳酁?mm，床進(jìn)速度0.5mm·s-1。以眶耳平面為參照平面，平行于牙合平面，由髁突頂端至頦部下緣進(jìn)行橫斷面掃描。轉(zhuǎn)數(shù)為20，共掃描52層，對(duì)下頜骨進(jìn)行三維重建。設(shè)一側(cè)下頜骨第二前磨牙與第一磨牙牙根間牙槽骨為種植體植入部位，取此處一個(gè)斷面，掃描結(jié)果以DICOM形式存儲(chǔ)。

在Pro/E 2.0軟件中，將植入部位斷面表面部分設(shè)置為皮質(zhì)骨（厚度1.65mm），內(nèi)部為骨松質(zhì)。根據(jù)實(shí)際的尺寸，將斷面簡(jiǎn)化成六邊形，六邊形斷面尺寸：上表面寬10.89mm，中間寬18.20mm，下面寬11.94mm，高39mm（圖1）。將此面沿著下頜骨橫斷面拉伸成體，構(gòu)成下頜骨。用ANSYS 10.0軟件建立下頜骨三維有限元模型。根據(jù)種植體的選擇建立4種長(zhǎng)度種植體的三維有限元模型。

圖1 微型種植體植入部位斷面示意圖Fig 1 Schematic drawing of cross-section view when mini-implant was inserted

1.3 裝配實(shí)體微型種植體-下頜骨三維有限元模型

種植體植入位置及角度設(shè)定：以下頜牙合平面與地平面平行為準(zhǔn)，設(shè)一側(cè)下頜骨第二前磨牙與第一磨牙牙根間距離牙槽嵴頂4mm處為植入點(diǎn)，將種植體與皮質(zhì)骨表面形成90°垂直植入（圖1）。

裝配種植體-頜骨模型：在ANSYS 10.0軟件中，對(duì)頜骨硬組織與種植體的三維有限元模型進(jìn)行處理。按照不同長(zhǎng)度種植體，復(fù)制種植體模型的骨內(nèi)部分，運(yùn)用ANSYS命令從骨模型中去除這一部分，從而形成具有內(nèi)螺紋的骨模型。種植體的實(shí)體模型與骨實(shí)體模型通過(guò)ANSYS命令使兩實(shí)體界面各節(jié)點(diǎn)連接，從而建立直徑1.6mm，長(zhǎng)度分別為6、8、10、12mm的種植體-下頜骨三維有限元模型（圖2）。

圖2 微型種植體垂直植入下頜骨三維有限元模型及載荷示意圖Fig 2 3D finite element model of the mandible with mini-implant inserted vertically and schematic diagram of loading

1.4 定義材料特性

假設(shè)種植體、皮質(zhì)骨和骨松質(zhì)均為連續(xù)、均勻、各向同性的線彈性材料，材料變形為彈性小變形。種植體和骨界面完全骨整合，不發(fā)生相對(duì)位移。各材料參數(shù)見(jiàn)文獻(xiàn)[2]。

1.5 網(wǎng)格劃分

種植體-下頜骨界面附近及螺紋等復(fù)雜不規(guī)則的部分采用四面體劃分單元格，其余部分均采用六面體劃分單元格，節(jié)點(diǎn)與單元在種植體附近加密，在近遠(yuǎn)中方向適當(dāng)延長(zhǎng)。不同長(zhǎng)度種植體植入模型節(jié)點(diǎn)數(shù)及單元數(shù)見(jiàn)表1。

表1 4種長(zhǎng)度種植體下頜骨模型單元及節(jié)點(diǎn)數(shù)Tab 1 Element and note numbers of mandible models with four kinds of im plant length

1.6 載荷方向

通過(guò)種植體載荷點(diǎn)做與牙合平面平行的直線（A線，圖2），通過(guò)此直線做與地平面垂直的平面，在此平面上給種植體頂端施加1.96 N載荷。水平向前載荷為通過(guò)A線向前（近中）的載荷（A線方向），前上方向載荷為向前上方向與A線成45°的載荷（B線方向）。

1.7 觀測(cè)分析指標(biāo)與方法

觀測(cè)分析指標(biāo)采用Von-Mises等效應(yīng)力，分別通過(guò)A線、B線沿種植體長(zhǎng)軸中心縱剖有限元模型（圖3、4），記錄Von-Mises應(yīng)力峰值、位移峰值，得到2種方向載荷的骨界面應(yīng)力分布圖，分析比較骨界面上的應(yīng)力分布特點(diǎn)。

圖3 通過(guò)A線及種植體中心縱剖的有限元模型示意圖Fig 3 Schematic drawing of finite element model cutting across A line and implant axis

圖4 通過(guò)B線及種植體中心縱剖的有限元模型示意圖Fig 4 Schematic drawing of finite element model cutting across B line and implant axis

2 結(jié)果

在種植體-皮質(zhì)骨-骨松質(zhì)系統(tǒng)中，不同長(zhǎng)度種植體模型均為種植體受力最大，然后是皮質(zhì)骨，骨松質(zhì)受力最小。種植體上應(yīng)力主要集中在種植體的頸部，皮質(zhì)骨上應(yīng)力主要集中在與種植體接觸的區(qū)域，見(jiàn)圖5、6。

圖5 不同長(zhǎng)度種植體水平向前載荷的Von-Mises應(yīng)力分布圖Fig 5 Von-Mises stress distribution of varied length of implants loaded mesiolly

圖6 不同長(zhǎng)度種植體前上方向載荷的Von-Mises應(yīng)力分布圖Fig 6 Von-Mises stress distribution of varied length of implantsloaded mesiol-vertically

6、8、10、12mm長(zhǎng)度種植體水平向前載荷的應(yīng)力峰值分別為3.765、3.726、3.627、3.500 MPa，應(yīng)力峰值范圍為3.500～3.765MPa，位移峰值范圍為1.266～1.288μm；前上方向載荷的應(yīng)力峰值分別為4.510、4.477、4.392、4.075MPa，應(yīng)力峰值范圍為4.075～4.510MPa，位移峰值范圍為1.668～1.694μm。水平向前載荷的應(yīng)力峰值及位移峰值均低于前上方向載荷的峰值。

3 討論

微型種植釘憑借其體積細(xì)小的優(yōu)勢(shì)，有效地克服了傳統(tǒng)種植體支抗所受的植入部位的限制，幾乎能夠植入正畸醫(yī)師所需要的任何一個(gè)部位，但種植體穩(wěn)定性受到一定影響，且有損傷鄰近器官的危險(xiǎn)。隨著材料學(xué)的不斷發(fā)展，人們逐漸認(rèn)識(shí)到生物力學(xué)因素對(duì)種植體成功的重要性，載荷狀態(tài)直接關(guān)系到種植的成敗，其中種植體界面的應(yīng)力傳導(dǎo)與分布是需要考慮的一個(gè)重要方面。本研究探討了2種載荷方向下種植體長(zhǎng)度對(duì)骨界面的影響，結(jié)果表明：隨著種植體長(zhǎng)度的增加，周?chē)莾?nèi)應(yīng)力分布趨勢(shì)沒(méi)有明顯變化，應(yīng)力峰值有所降低但變化不大，位移峰值的變化也很小，而載荷方式對(duì)界面應(yīng)力分布有明顯影響。

種植體的穩(wěn)定性受多種因素綜合影響且關(guān)系復(fù)雜。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明，植入扭力峰值及對(duì)側(cè)向力的承受力與種植體長(zhǎng)度成正比[3-4]；長(zhǎng)種植體即刻或早期載荷的成功率高于短種植體[5]；而不同長(zhǎng)度種植體愈合后載荷組與非載荷組的骨結(jié)合量均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異[6]。臨床研究表明，微型種植體的長(zhǎng)度與脫落率并不相關(guān)[1]。相同長(zhǎng)度種植體在不同界面骨狀態(tài)時(shí)對(duì)載荷的反應(yīng)不同，受骨質(zhì)骨量、種植體設(shè)計(jì)、載荷及初期穩(wěn)定性等因素的綜合影響。

三維有限元法有效克服了一些因素的干擾，是種植體生物力學(xué)研究的重要手段。以往國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究種植體長(zhǎng)度與應(yīng)力的關(guān)系時(shí)所選用的種植體大多為修復(fù)用種植體，直徑一般大于3mm。研究結(jié)果顯示：種植體的長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)力分布的影響要比直徑的影響小[7]；增加種植體長(zhǎng)度可減少應(yīng)力，但過(guò)大尺寸的種植體將導(dǎo)致骨內(nèi)應(yīng)力過(guò)大，建議采用適當(dāng)尺寸的種植體[8]；種植體長(zhǎng)度的變化對(duì)應(yīng)力峰值影響不大[9]。而微型種植體的直徑一般為1.4～2.0mm，長(zhǎng)度為6～12mm。近來(lái)有學(xué)者[10-11]建立微型種植體支抗模型，但觀點(diǎn)不一。本研究結(jié)果表明種植體長(zhǎng)度對(duì)界面應(yīng)力分布影響不大，原因可能是皮質(zhì)骨是承受應(yīng)力的主要部分，骨松質(zhì)內(nèi)應(yīng)力分布很少，而增加種植體長(zhǎng)度主要是增加了骨松質(zhì)內(nèi)部分的長(zhǎng)度，且正畸載荷力值較小，因此，增加的種植體長(zhǎng)度并沒(méi)有承擔(dān)更多的應(yīng)力，沒(méi)有明顯改變應(yīng)力分布。本結(jié)果提示臨床選擇種植體時(shí)不必刻意增加種植體長(zhǎng)度，同時(shí)也表明應(yīng)用短種植體是可行的。不同長(zhǎng)度種植體在較強(qiáng)載荷下的應(yīng)力分布特性及微型支抗種植體允許的最短長(zhǎng)度問(wèn)題尚有待進(jìn)一步研究。

另外，由于游離齦的活動(dòng)性影響了種植體的穩(wěn)定性，因此臨床一般將微型種植體種植在頰側(cè)膜齦聯(lián)合處，即微型種植體多植入在距離牙槽嵴較近的唇頰側(cè)牙槽骨上。關(guān)于載荷方式對(duì)骨應(yīng)力分布的影響目前研究不多。龍紅月等[12]應(yīng)用三維有限元法將種植體植入在牙槽嵴頂，并施加近遠(yuǎn)中向、頰舌向及軸向正畸載荷，結(jié)果顯示種植體周?chē)M骨的寬度影響骨界面的應(yīng)力及位移大小，寬皮質(zhì)骨的應(yīng)力峰值低于窄皮質(zhì)骨，因此他們認(rèn)為在植入支抗種植體時(shí)，應(yīng)根據(jù)正畸載荷力的形式，盡量不要過(guò)于偏頰、舌側(cè)，以免造成應(yīng)力過(guò)于集中。從力學(xué)原理看，2個(gè)力值相同且均與種植體長(zhǎng)軸垂直的載荷，其產(chǎn)生的骨界面應(yīng)力峰值和位移峰值應(yīng)該相近，而本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明前上方向載荷的應(yīng)力峰值及位移峰值始終高于水平向前載荷的峰值，原因可能是微型種植體植入位置距離牙槽嵴頂較近，造成種植體牙合側(cè)骨量較少，因此，前上方向載荷時(shí)承受載荷的皮質(zhì)骨骨量比水平向前載荷時(shí)少，導(dǎo)致種植體前上方向載荷時(shí)應(yīng)力分布較集中。載荷骨量對(duì)界面應(yīng)力分布的影響尚有待進(jìn)一步研究。

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（本文編輯 李彩）

The effect of mini-imp lant lengths on stress distributions in peri-imp lant surface

SHAN Li-hua1,DONG Fu-sheng2,GONG Wei-wei3,ZHANG Xiong3.（1.Dept.of Orthodontics,The Second Hospital,Hebei Medical University,Shijiazhuang050000,China;2.Dept.of Oral and Maxillofacial Surgery,Hospital of Stomatology,Hebei Medical University,Shijiazhuang050017,China;3.Dept.of Engineering Mechanics,Tsinghua University,Beijing100084,China）

ObjectiveTo observe the effect of mini-implant lengths on stress distribution in peri-implant surface.MethodsThe 3D finite element analysis mandible and mini-implant models with diameter of 1.6mm,lengths of 6, 8,10 and 12mm were established.The mini-implants were inserted into designed site of mandibular vertically,respectivly.A force of 1.96 N were applied mesioly and 45°tilted mesio-vertically in models.The stress distribution under every condition was recorded and analyzed.Results When load was applied mesially,the maximum stress varied from 3.500 to 3.765MPa,the maximum displacement varied from 1.266 to 1.288μm.When load was applied 45° tilted mesio-vertically,the maximum stress varied from 4.075 to 4.510 MPa,the maximum displacement varied from 1.668 to 1.694μm.All of the maximum stress and displacement of loading mesially were lower than loading mesiovertically.ConclusionThe change of the mini-implant length within 6-12 mm don’t show much influence on the stress distribution.The loading type is an important factor influencing stress and displacement of peri-implant bone.

mini-implant； stress distribution； finite element analysis

R 783.5

A

10.3969/j.issn.1000-1182.2011.01.007

1000－1182（2011）01－0027-04

2010-03-26；

2010-06-25

河北省科技支撐計(jì)劃基金資助項(xiàng)目（08276101D-4）

單麗華（1964—），女，山東人，教授，博士

董福生，Tel：0311-86266796

·基礎(chǔ)研究·