人工種植牙生物力學(xué)研究

人工種植牙生物力學(xué)相容性是種植牙成功的不可忽視的一個(gè)重要方面，過大或過小的應(yīng)力均可引起牙周骨組織的吸收或萎縮，從而導(dǎo)致人工種植牙的失敗。種植義齒是口腔科領(lǐng)域中發(fā)展最快，最令人興奮的一個(gè)分支，已成為與高速渦輪牙機(jī)、全景X線機(jī)、高分子粘固材料并列的20世紀(jì)牙科發(fā)展的四項(xiàng)重大突破。據(jù)此，本文特將人工種植牙的生物力學(xué)研究進(jìn)展作一概述。

1 應(yīng)力分布研究方法的發(fā)展

在20世紀(jì)70年代以前，生物力學(xué)研究和應(yīng)力分布的檢測(cè)多采用電測(cè)法和光彈法，電測(cè)法和光彈法屬于實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析法。電測(cè)法是實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析方法中最基本的方法之一，它的靈敏度與精確度較高，可用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，用于各種復(fù)雜環(huán)境下測(cè)量多種力學(xué)參數(shù)，但電測(cè)法只能逐點(diǎn)測(cè)量物件表面的應(yīng)變，且僅能獲得應(yīng)變片所在位置的應(yīng)變平均值，不能直觀得出構(gòu)件應(yīng)力分布的全貌，在環(huán)境條件惡劣時(shí)誤差較大。光彈應(yīng)力分析法具有直觀性和全場(chǎng)性的優(yōu)點(diǎn)，可用以分析各種形狀的復(fù)雜構(gòu)件和表面應(yīng)力，也是口腔生物力學(xué)常采用的研究方法，但光彈法不能把材料力學(xué)和彈性理論聯(lián)系起來，如不能計(jì)算出模型內(nèi)任意處的應(yīng)力值和位移值。種植體材料對(duì)應(yīng)力分布的影響。

人工牙種植體的研究和應(yīng)用已有30多年的歷史，但迄今為止，只有少數(shù)幾種材料的種植體為人們所接受，其中應(yīng)用歷史最長(zhǎng)、也最廣泛的是鈦質(zhì)種植體，金屬鈦具有良好的生物相容性，與骨組織形成緊密、牢固的結(jié)合，而且其彈性模量與骨很接近，與骨結(jié)合所形成的界面是動(dòng)態(tài)的，在適當(dāng)負(fù)荷的刺激下，種植體與骨的接觸程度在一年后會(huì)從53％增加到74％［2］，所以說鈦是一種理想的種植材料。Mailath（1989）等［3］用有限元法對(duì)種植體材料進(jìn)行了研究得出結(jié)論，種植體材料的彈性模量至少為110，000N/mm2（1.1×10MPa）。Clelland（1991）等［4］用三維有限元法研究了Screw－vent骨內(nèi)種植體及支持組織應(yīng)力分布情況，這種商業(yè)純鈦種植體最大應(yīng)力區(qū)是在種植體的頸部，這些應(yīng)力比商業(yè)純鈦的疲勞極限（259，90MPa）低18倍，骨內(nèi)最大壓力值（19.57MPa）是在頸部的舌側(cè)區(qū)，而且Screw－vent種植體近遠(yuǎn)中應(yīng)力（最大為0.38MPa）比種植體頰、舌側(cè)低得多。這一點(diǎn)和以前放射照片研究的骨吸收發(fā)生在種植體的近遠(yuǎn)中不同。為了更快的形成骨整合，人們還從種植體的表面涂層入手。尤其是羥基磷灰石噴涂（hydroxyapatite，HA）研究最多，但還是有很大爭(zhēng)議，生物活性材料的涂層，可以改善與骨的結(jié)合方式，從生化角度上看，對(duì)種植牙長(zhǎng)期成功是有益的，但從生物力學(xué)角度是否有明顯的改善并不清楚［5］。Rieger（1989）進(jìn)行了研究認(rèn)為：骨結(jié)合界面與骨適應(yīng)界面比較，從生物力學(xué)上看種植牙周圍骨內(nèi)的應(yīng)力分布比較并沒有明顯的改善，這還有待于進(jìn)一步研究。最近Meijer（1997）等［6，7］使用柔韌高分子生物材料（polyactiv，PL）即聚丁烯對(duì)二苯酸鹽（酯）聚合物（polyethylene－oxide polybutylene－te rephthalate（PEO：PBT）copolymer）和硬性HA穿齦種植體進(jìn)行動(dòng)物（狗）實(shí)驗(yàn)研究，從組織學(xué)上和臨床方面作一比較，PL設(shè)有三種（一種密集型，兩種多孔型）6個(gè)月加載，PL和HA種植體周圍骨組織在第6周有骨吸收（高度失去1mm），第12周可見重建，18周后恢復(fù)到原來的水平，結(jié)果PL比HA引起密度上較少的降低。這個(gè)結(jié)果顯示：柔韌種植材料更有利于應(yīng)力向周圍骨組織傳導(dǎo)。種植體形態(tài)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)力分布的影響。

成功的種植體不僅取決于種植體材料的生物學(xué)性質(zhì)及手術(shù)技術(shù)，種植體的表面形態(tài)也十分重要。近年來，國(guó)外學(xué)者圍繞著種植體以什么樣的形態(tài)結(jié)構(gòu)才具有最佳的生物力學(xué)相容性，作了大量的研究。關(guān)于口腔種植體宏觀形態(tài)基本上認(rèn)為以單個(gè)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱為最佳，所以新近出現(xiàn)的或改良的種植體系列極少看到過去傳統(tǒng)的錨狀或翼狀形態(tài)。對(duì)種植體表面微觀形態(tài)，自70年代以來也是人們研究的熱門，在這個(gè)問題上雖然還有不同看法，但有一點(diǎn)是比較一致的，即粗糙的種植體表面更利于新骨生長(zhǎng)，形成更廣泛骨－種植體結(jié)合區(qū)。Mailath（1989）使用有限元法研究了骨內(nèi)種植體形狀與應(yīng)力分布的關(guān)系得出結(jié)論，圓柱形種植體比圓錐形種植體更可取，因?yàn)樗档土藨?yīng)力在骨皮質(zhì)上的峰值。

2 種植體上部結(jié)構(gòu)的連接裝置對(duì)應(yīng)力分布的影響

人們?yōu)榱巳ツ７绿烊谎姥乐苣さ木彌_作用，一些學(xué)者用一些具有粘彈性的材料如聚甲醛制成內(nèi)動(dòng)部件，連接種植體和附著體。McClumphy（1989）在種植牙上用聚甲醛材料設(shè)計(jì)了一個(gè)具有彈性的內(nèi)連接體，并用鈦制作一相同的內(nèi)連接體作對(duì)照，用光彈應(yīng)力分析法對(duì)兩者進(jìn)行了應(yīng)力分布的對(duì)比研究，結(jié)果：在骨界面上應(yīng)力分布兩者沒有顯著差異。van rossen（1990）等［20］通過二維有限元法，對(duì)不同彈性連接體彈性模量和不同外形的內(nèi)連接體在單個(gè)種植體上進(jìn)行分析，結(jié)果：內(nèi)彈性連接體彈性模量的改變對(duì)周圍骨應(yīng)力分布沒有影響。Chapman（1990）等［21］設(shè)計(jì)一種內(nèi)部減震器(shockabsor-ber)，把種植體與義齒相連接，用鈦制作對(duì)比，結(jié)果：兩者有顯著性差別，可減少咬合力。elChkawi hG（1990）在種植體上部結(jié)構(gòu)下面使用一層彈性材料，種植體不動(dòng)，而上部結(jié)構(gòu)可動(dòng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這種改進(jìn)使應(yīng)力和位移分布和天然牙相類似。Kraut（1993）等［23］設(shè)計(jì)了一種彈性內(nèi)動(dòng)連接系統(tǒng)，結(jié)果表明這套系統(tǒng)能吸收應(yīng)力，減少達(dá)到種植體和周圍骨的應(yīng)力值。