不同肩臺(tái)形態(tài)對(duì)前牙全瓷冠疲勞特性的影響

顧靜怡　陳敏箴　董凱麗等

[摘要]目的：分析兩種肩臺(tái)形態(tài)設(shè)計(jì)對(duì)前牙全瓷冠疲勞特性的影響，為全瓷冠的臨床設(shè)計(jì)、制作以及使用壽命的評(píng)估提供依據(jù)。方法：建立上中切牙及其全瓷冠的有限元模型。根據(jù)有限元獲得的應(yīng)力、應(yīng)變結(jié)果，使用ANSYS Workbench 13.0軟件下研究全瓷冠的循環(huán)疲勞特性。結(jié)果：載荷在90～130N范圍內(nèi)時(shí)，90°肩臺(tái)在承受94.3N循環(huán)載荷時(shí)全瓷冠頸部肩臺(tái)出現(xiàn)疲勞損壞，疲勞循環(huán)次數(shù)為1.95×107次；135°凹形肩臺(tái)承受110N循環(huán)載荷時(shí)全瓷冠頸部肩臺(tái)出現(xiàn)疲勞損壞，疲勞循環(huán)次數(shù)為2.18×107次。結(jié)論：在臨床進(jìn)行全瓷冠修復(fù)時(shí)應(yīng)盡量采用135°凹形肩臺(tái)設(shè)計(jì)，同時(shí)注意合理調(diào)整牙合力，從而提高全瓷冠的疲勞壽命。

[關(guān)鍵詞]全瓷冠；肩臺(tái)形態(tài)；疲勞

[中圖分類(lèi)號(hào)]R783 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A [文章編號(hào)]1008-6455（2013）07-0765-04

隨著人們對(duì)審美需求的不斷提高，全瓷修復(fù)已經(jīng)發(fā)展成為口腔修復(fù)的主要趨勢(shì)，但全瓷冠的遠(yuǎn)期修復(fù)效果不佳。近年來(lái)人們發(fā)現(xiàn)牙科陶瓷材料存在應(yīng)力疲勞現(xiàn)象，并且全瓷冠外形設(shè)計(jì)是影響疲勞抗力的因素之一[1]。本項(xiàng)研究擬通過(guò)建立上頜中切牙和全瓷冠（IPS Empress 2）的三維有限元模型，分別設(shè)計(jì)不同形態(tài)的頸部肩臺(tái)，模擬前牙循環(huán)咬合過(guò)程，分析不同肩臺(tái)形態(tài)的全瓷冠（IPS Empress 2）受力狀態(tài)和循環(huán)疲勞特性，為全瓷冠（IPS Empress 2）的臨床設(shè)計(jì)、制作和修復(fù)效果評(píng)估提供依據(jù)。

1 材料和方法

1.1軟件：LL OPTIPL EX GX260商用臺(tái)式機(jī)（處理器Intel Pentium Ⅳ2.0G，內(nèi)存容量1GB，硬盤(pán)80G，操作系統(tǒng) Windows 2000 Professional）；Mimics V8.1軟件（Materialise，Belgium）；ANSYS Workbench 13.0；Abaqus；Micro-CT（64排螺旋LightSpeed VCT）。

1.2型制作：參考中國(guó)人上頜第一中切牙的外形測(cè)量數(shù)據(jù)[2]，選擇一顆牙齒形態(tài)正常、牙齒結(jié)構(gòu)完整、大小接近正常平均值的左上頜中切牙（全長(zhǎng)21.7mm、冠長(zhǎng)10.7mm、根長(zhǎng)11mm），環(huán)氧樹(shù)脂包埋，使用64排螺旋LightSpeed VCT（美國(guó)）掃描機(jī)進(jìn)行掃描。通過(guò)CT掃描得到左上頜第一中切牙各斷層圖像，經(jīng)選擇后共獲得109張。將CT掃描的圖像在CT工作站中轉(zhuǎn)換為.jpg格式，記錄并存入計(jì)算機(jī)。

利用Minics軟件直接讀取.jpg格式的存盤(pán)數(shù)據(jù)，然后依據(jù)獲得的左上頜第一中切牙CT圖像進(jìn)行預(yù)處理。選取掃描圖像的邊框作為基準(zhǔn)標(biāo)志線(xiàn)，將每幅圖像建立一個(gè)數(shù)據(jù)文件，去偽影、降噪，完成左上頜第一中切牙三維實(shí)體模型的建立。然后以現(xiàn)有模型為基礎(chǔ)，應(yīng)用Minics軟件的剪切功能沿頸緣處按照全瓷冠基牙預(yù)備要求制作出基牙及相應(yīng)的全瓷冠修復(fù)后幾何模型（剪切后的原有牙冠即做為瓷全冠的形態(tài)）。其中咬合面厚度為1.5mm，各軸面厚度為1.0mm，頸部肩臺(tái)形態(tài)分別設(shè)計(jì)為90°肩臺(tái)和135°凹形肩臺(tái)，制備光滑無(wú)銳角。將實(shí)體模型導(dǎo)入有限元分析軟件（ANSYS Workbench 13.0），生成兩個(gè)左上頜第一中切牙的三維有限元模型，進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于基牙和全瓷冠為獨(dú)立的兩個(gè)部分，在進(jìn)行有限元分析時(shí)必須將牙體與全瓷冠兩者組合起來(lái)。根據(jù)全瓷冠與基牙粘固的實(shí)際情況，本項(xiàng)研究定義兩者接觸關(guān)系，將全瓷冠組織面和基牙預(yù)備后粘接面連接在一起，模擬兩者粘固。90°肩臺(tái)基牙有限元模型為80622個(gè)節(jié)點(diǎn)、54089個(gè)單元；全瓷冠有限元模型為76228個(gè)節(jié)點(diǎn)、49943個(gè)單元。135°凹形肩臺(tái)基牙有限元模型為51892個(gè)節(jié)點(diǎn)、33666個(gè)單元；全瓷冠有限元模型為62986個(gè)節(jié)點(diǎn)、42080個(gè)單元（如圖1～4）。

1.3加載條件：有限元模型左上頜中切牙牙冠切緣中點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，切緣在Y軸上，切端與根尖位于Y、Z軸構(gòu)成的平面內(nèi)，對(duì)牙根部牙周膜附著區(qū)域在X、Y、Z 3個(gè)方向上進(jìn)行位移和旋轉(zhuǎn)約束。受力分析時(shí)參考口腔解剖生理學(xué)正常牙合力進(jìn)行加載[5]。全瓷冠舌面中1/3和切1/3交界處分別施加不同靜態(tài)載荷，加載方向與X、Z方向成45°，即加載方向與牙齒長(zhǎng)軸呈45°模擬牙尖交錯(cuò)牙合時(shí)前牙正常咬合關(guān)系，分析全瓷冠不同肩臺(tái)形態(tài)受的等效應(yīng)力分布狀況。

1.4疲勞特性分析：將兩個(gè)全瓷冠有限元模型及其受力分析結(jié)果分別導(dǎo)入ANSYS Workbench 13.0（美國(guó)），分別對(duì)導(dǎo)入模型進(jìn)行疲勞特性分析。

1.4.1全瓷冠受力分析：對(duì)兩個(gè)模型分別施加120N載荷，分析不同肩臺(tái)形態(tài)全瓷冠肩臺(tái)處受力情況。

1.4.2牙合力與不同肩臺(tái)形態(tài)全瓷冠疲勞壽命的關(guān)系：調(diào)整有限元模型的載荷，即分別以90～130N循環(huán)載荷對(duì)兩個(gè)上前牙全瓷冠分別進(jìn)行加載，分析牙合力與不同肩臺(tái)形態(tài)全瓷冠肩臺(tái)處疲勞壽命的關(guān)系。循環(huán)疲勞載荷下全瓷材料的疲勞壽命參數(shù)及應(yīng)力-壽命曲線(xiàn)（S-N曲線(xiàn)）[6]、頻率[6]設(shè)定為1400次/天，前牙咬合接觸時(shí)間為0.05～0.30s[7]對(duì)兩種肩臺(tái)形態(tài)全瓷冠在5、10、15、20、25、30、35年分別進(jìn)行疲勞強(qiáng)度分析，則疲勞分析所需要的循環(huán)加載次數(shù)分別為2.6×106、5.1×106、7.7×106、1.0×107、1.3×107、1.5×107、1.8×107。

2 結(jié)果

2.1全瓷冠受力分析：在120N靜態(tài)載荷下全瓷冠肩臺(tái)承受的等效應(yīng)力，90°肩臺(tái)最大等效應(yīng)力為12.10MPa，主要集中在唇側(cè)面肩臺(tái)處，其次為近中面肩臺(tái)處（如圖5）；135°凹形肩臺(tái)最大等效應(yīng)力為12.74MPa，應(yīng)力主要集中在近中面肩臺(tái)外側(cè)邊緣處，其次為唇側(cè)面肩臺(tái)處（如圖6）。

2.2 牙合力與不同肩臺(tái)形態(tài)全瓷冠疲勞壽命的關(guān)系：以上述應(yīng)力結(jié)果為依據(jù)，分析牙合力與不同肩臺(tái)形態(tài)全瓷冠疲勞壽命的關(guān)系。結(jié)果顯示，載荷在90～130N范圍內(nèi)時(shí)，90°肩臺(tái)在承受94.3N循環(huán)載荷時(shí)全瓷冠頸部肩臺(tái)出現(xiàn)疲勞損壞，疲勞循環(huán)次數(shù)為1.95×107次；在承受97N循環(huán)載荷時(shí)全瓷冠生命終止（如圖7）。135°凹形肩臺(tái)承受110N循環(huán)載荷時(shí)全瓷冠頸部肩臺(tái)出現(xiàn)疲勞損壞，疲勞循環(huán)次數(shù)為2.18×107次，在承受130N循環(huán)載荷時(shí)全瓷冠生命終止（如圖8）。90°肩臺(tái)能承受的循環(huán)載荷量和循環(huán)次數(shù)均低于135°凹形肩臺(tái)。

3 討論

由于陶瓷材料脆性大，無(wú)塑性變形能力，許多學(xué)者認(rèn)為陶瓷材料沒(méi)有疲勞，因而長(zhǎng)期忽略對(duì)陶瓷材料的疲勞特性進(jìn)行研究。近年，對(duì)陶瓷材料在循環(huán)載荷作用下斷裂機(jī)制的研究中，越來(lái)越多的證據(jù)證明陶瓷材料疲勞現(xiàn)象的存在[7-8]。牙科陶瓷材料的疲勞是指在一定使用條件下材料性能隨時(shí)間的推移而變差的現(xiàn)象。陶瓷材料的疲勞特性可分為靜疲勞和循環(huán)疲勞。靜疲勞是指陶瓷材料在恒定應(yīng)力、長(zhǎng)時(shí)間作用下發(fā)生的破壞；而由循環(huán)載荷導(dǎo)致的材料性能隨時(shí)間下降的現(xiàn)象被稱(chēng)為循環(huán)疲勞。Ozcan[9]對(duì)烤瓷融附金屬全冠修復(fù)體的失效破壞進(jìn)行了綜述，指出修復(fù)體破壞的主要原因是咀嚼過(guò)程中的循環(huán)應(yīng)力作用導(dǎo)致的損傷累積引起破壞。

3.1全瓷冠受力分析研究結(jié)果表明：在120N靜態(tài)載荷下兩種頸部肩臺(tái)形態(tài)設(shè)計(jì)的全瓷冠瓷層應(yīng)力分布規(guī)律相似，等效應(yīng)力值之間的差異細(xì)微，90°肩臺(tái)的應(yīng)力峰值略<135°凹形組，這與本人前期研究結(jié)果一致[10]。但全瓷冠肩臺(tái)區(qū)最大等效應(yīng)力峰值均低于瓷的許用應(yīng)力強(qiáng)度范圍。90°肩臺(tái)最大等效應(yīng)力主要集中在唇側(cè)面肩臺(tái)處，其次為近中面肩臺(tái)處；135°凹形形肩臺(tái)最大等效應(yīng)力主要集中在近中面肩臺(tái)外側(cè)邊緣處，其次為唇側(cè)面肩臺(tái)處。90°肩臺(tái)比135°凹形肩臺(tái)應(yīng)力集中范圍大，90°肩臺(tái)全瓷冠受力后頸部肩臺(tái)出現(xiàn)疲勞損壞的概率增加。135°凹形肩臺(tái)對(duì)應(yīng)力的分散程度更好。Zarone等[11]研究也認(rèn)為肩臺(tái)設(shè)計(jì)對(duì)修復(fù)體內(nèi)的應(yīng)力分布有明顯影響。因此，臨床全瓷冠進(jìn)行基牙預(yù)備時(shí)，在前牙咬合功能面和唇舌側(cè)肩臺(tái)應(yīng)預(yù)備足夠的間隙，使全瓷冠在這些部位保持一定的厚度，以提高其抗折強(qiáng)度。基牙肩臺(tái)建議采用135°凹形肩臺(tái)，并在近中面肩臺(tái)外邊緣處要注意邊緣的圓鈍，避免肩臺(tái)出現(xiàn)應(yīng)力集中。

3.2牙合力對(duì)不同肩臺(tái)形態(tài)全瓷冠疲勞壽命的影響：對(duì)于牙科陶瓷材料，除全瓷冠形態(tài)外，冠與基牙的相互作用對(duì)全瓷冠的疲勞壽命也有較大影響。本項(xiàng)研究定義兩者接觸關(guān)系，將全瓷冠組織面和基牙預(yù)備后粘結(jié)面連接在一起，在受力變形過(guò)程中兩者接觸的區(qū)域同時(shí)同向發(fā)生移動(dòng)，模擬全瓷冠在基牙上粘固且未發(fā)生分離。辛海濤等[12]研究發(fā)現(xiàn)，隨著最大載荷的增加頸部肩臺(tái)出現(xiàn)疲勞損壞的疲勞循環(huán)次數(shù)逐漸降低，而且載荷越大，疲勞壽命下降越快。本項(xiàng)研究與上述結(jié)論相符。同時(shí)本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，前牙所承受的最大牙合力與全瓷冠的肩臺(tái)形態(tài)有較大的關(guān)系，載荷在90～130N范圍內(nèi)時(shí)，90°肩臺(tái)在承受94.3N循環(huán)載荷時(shí)全瓷冠頸部肩臺(tái)出現(xiàn)疲勞損壞，疲勞循環(huán)次數(shù)為1.95×107次；在承受97N循環(huán)載荷時(shí)全瓷冠生命終止。135°凹形肩臺(tái)在承受110N循環(huán)載荷時(shí)全瓷冠頸部肩臺(tái)出現(xiàn)疲勞損壞，疲勞循環(huán)次數(shù)為2.18×107次，在承受130N循環(huán)載荷時(shí)全瓷冠生命終止。90°肩臺(tái)能承受的載荷量和循環(huán)次數(shù)均低于135°凹形肩臺(tái)。因此，在臨床進(jìn)行全瓷冠（IPS Empress 2）修復(fù)時(shí)應(yīng)盡量采用135°凹形肩臺(tái)設(shè)計(jì)，同時(shí)注意合理調(diào)整牙合力，從而提高全瓷冠的疲勞壽命。影響全瓷冠疲勞壽命的因素很多，本次實(shí)驗(yàn)僅對(duì)不同肩臺(tái)形態(tài)設(shè)計(jì)全瓷冠疲勞壽命的影響進(jìn)行了研究，以期為全瓷冠（IPS Empress 2）的臨床設(shè)計(jì)、制作和修復(fù)效果評(píng)估提供依據(jù)。

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[收稿日期]2012-12-25 [修回日期]2013-03-25

編輯/何志斌