雙重大連接體式與傳統設計RPD支架及支持組織受力的三維有限元分析

[摘要]目的：基于已建立的上頜單端游離缺失及整鑄義齒的三維有限元模型，比較雙重大連接體與傳統設計的義齒基牙及支持組織在加載時的受力。方法：在已建立的有限元模型上賦予不同組織及支架相應的力學參數，在約束設計和載荷設定下，通過三維有限元軟件獲得兩種不同設計各個基牙的受力分布。結果：兩種設計比較，主要受力基牙雙重大連接體受力明顯小于傳統設計，支持組織分擔了一部分力。結論：雙重大連接體設計對于游離端基牙及牙周情況不良時有明顯優勢。

[關鍵詞]可摘局部義齒；有限元法；雙重大連接體

[中圖分類號]R783 [文獻標識碼]A [文章編號]1008-6455（2012）02-0279-04

可摘局部義齒是目前臨床上修復缺失牙時的一種常見的修復方法。在修復牙列缺損，尤其是游離端缺失且游離端基牙牙周狀況不良的情況時，若采用目前的常規大連接體設計，會出現包括功能恢復不良、基牙牙周癥狀加重，甚至脫落、余留牙牙周問題等修復效果不佳的表現。這些結果與修復的原則相違背，因此在對可摘局部義齒進行不斷的改良設計后，由美國學者Dr Knapp[1]提出了雙重大連接體設計，從生物力學角度出發，利用Vitallium支架優良的物理性能，采用分裂式支架設計，改變傳統義齒受力方式，使咬合力分散到整個支架。此時粘膜和牙周的支持分開，咬合力沿支架可移動部分線性增加（力矩減少），Ⅲ杠桿原理使基牙受力減少，且可移動部分受力后下沉，可存儲部分能量。因此牙齒只是在引導基托而不是支持基托，極大程度上減少了基牙受到的扭力，達到保護基牙的目的。目前尚未見有關于該設計的生物力學分析報道[2]。本研究通過CT、Mimics、Catia三維重建技術建立上頜包括頜骨、牙列、牙周膜、粘膜及義齒的整體數字化模型，并引入各種不同組織的力學參數，經Ansys軟件分析對比該設計與傳統設計時支架及牙周支持組織的受力分布情況，從理論上分析該設計相對于傳統設計的優勢。

1 材料和方法

1.1樣本來源：在臨床上選取一名上頜單側牙列游離缺失，余牙完整，無任何顱面組織缺損的的健康男性志愿者作為上頜牙列、頜骨、牙周膜、軟硬組織等的CT影像數據的來源。同時在標準模型上分別制作26、27缺失的單一大連接體支架式可摘局部義齒[3]及雙重大連接體式可摘局部義齒。利用Mimics軟件，Catia軟件和ANSYS13.0三維有限元專用軟件等技術完成其三維有限元模型的建立（如圖1～3）。

1.2單元的劃分：利用Ansys軟件的自動單元劃分功能對模型進行整體劃分，使單元自動得到優化。選用四面體網格： 支架網格大小為0.55mm，牙槽骨網格大小為1.5mm，牙齒網格大小為1.5mm，劃分結果如下

1.3 載荷和約束條件：①載荷：在兩顆人工牙上分別加載100N的力[4]，方向為與牙合平面垂直和與牙長軸成45°（由頰側向舌側[5]）；②約束：兩種設計均為各個卡環及支托在各個方向上位移為0.缺牙區部分支架在受力后有1.5mm的下沉（為黏膜的厚度[6]）；③材料屬性：本實驗模型中包括骨組織、Vtallium、牙齒、人工牙、牙周膜等不同組織成分。材料的生物力學屬性見表2。

1.4分析部位及指標[14]：觀測兩種不同設計支架、基牙、缺牙區牙槽嵴，記錄上述部件的應力分布和大小。

2 結果

2.1兩種不同設計的支架在不同載荷條件下的受力情況：①垂直加載條下兩種不同類型設計支架的受力分布：在傳統設計中，支架受力不均衡，在后顎桿偏缺牙區有明顯的應力集中（如圖7）；雙重大連接體設計時在垂直加載的情況下支架活動部分受力由缺牙區向對側呈遞減的趨勢，各個區域內受力均勻，沒有明顯的應力集中（如圖8）。②45°斜向加載條件下兩種不同類型設計支架的受力分布：傳統設計時，在斜向加載的條件下，受力分布極其不均勻，在后顎桿和缺牙區出現多個應力集中的部位；看出在斜向加載時雙重大連接體支架的受力分布同垂直加載時，呈現遞減趨勢，沒有明顯的應力集中部位。

2.2兩種不同設計的支架在不同載荷條件下缺牙區牙槽嵴受力分布：兩種不同設計在不同加載方式時缺牙區牙槽嵴的受力分布均較為均勻，沒有明顯的應力集中點。

3 討論

3.1 支架受力分析中可以看到作為雙重大連接體的設計隨著向固定部分的推移受力大小呈現遞減趨勢，說明活動部分在受力時有明顯的下沉（垂直向的移動），這就要求材料具有良好的抗折裂性和較好的回彈性（金屬的記憶性），所以筆者在臨床上做雙重大連接體設計時在材料的選擇上要十分謹慎。同時也可以看出雙重大連接體設計較之傳統設計支架在力的傳導、力的分散及儲存等方面有一定的優勢。

3.2 缺牙區牙槽嵴受力分析中，結果顯示兩種設計不同加載方式時缺牙區牙槽嵴的受力分布比較均勻，且沒有明顯的應力集中。這與預期的結果大不相同，此時考慮的因素有首先約束條件設定的問題，可摘局部義齒由于部件多而復雜且涉及到諸多的接觸問題，如卡環的環抱、牙合支托的接觸、支架與支持組織及牙齒的接觸問題等，所以在約束設定時做了一些簡化，可能導致結果與預期相悖；其次，支架的剛性問題，剛性支架在受力時，雖然設定了缺牙區支架下沉，但是在支架受力時主要體現還是支架本身內部拉應力的傳導和變化，且表現為頰舌向（水平向）的變化為主。基于以上兩方面在今后的實驗設計中可以進行一些約束條件的改變，從而得到更為準確的限定，尤其是可以在體外實驗是測量缺牙區牙槽嵴的受力。然后改變約束條件后得到與體外實驗相符的限定條件，為實驗的真實性提供更為精準的基礎。

4 結論

4.1雙重大連接體設計較之傳統設計對游離端基牙有明顯的保護作用，所以在臨床應用中可作為游離端缺失或者游離端基牙牙周條件不良情況時的首選支架設計方式。

4.2從材料性能上看，雙重大連接體設計需要材料的物理性能良好，尤其是彈性、回彈性、抗折裂性和抗變形性等方面要比較突出，才能滿足該設計的要求。

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[收稿日期]2012-11-03 [修回日期]2012-12-06

編輯/何志斌