植骨和不植骨上頜竇提升術后種植體周圍骨組織應力分布的三維有限元分析

植骨和不植骨上頜竇提升術后種植體周圍骨組織應力分布的三維有限元分析

沈洪洲,馬猛,黃圣運,張東升

(山東大學附屬省立醫院，濟南 250021)

摘要：目的探討植骨和不植骨的上頜竇提升術后周圍骨組織應力分布。 方法通過Creo2.0 軟件繪制上頜后牙區簡化頜骨模型，垂直骨高度分別設定為10、7、5、3 mm，其中10 mm組直接植入種植體，其余組分別行植骨和不植骨的上頜竇提升術后模擬植入種植體，三維有限元分析不同處理后骨組織應力值大小關系。 結果當垂直骨高度為7 mm時，植骨和不植骨的上頜竇提升術后種植體與骨界面最大應力值與10 mm時相比均變化不大；當降至5 mm時不植骨組應力值明顯增加；當僅剩3 mm時，骨內應力值增加更顯著。使用植入物后種植體與骨界面的應力分布明顯改善。結論 種植體頸周是應力集中區域；當剩余垂直骨高度為7 mm及以上時，植骨和不植骨的上頜竇提升術應力分布無明顯差異；當剩余垂直骨降至5 mm及以下時，建議行上頜竇底提升術的同時使用植入物。

關鍵詞：上頜竇底提升；垂直骨高度；種植體；三維有限元

doi：10.3969/j.issn.1002-266X.2015.45.034

中圖分類號：R783.4文獻標志碼：B

基金項目：山東科技發展計劃項目(2012GGB14022)。

收稿日期：(2015-08-10)

通信作者：張東升

口腔種植技術因其較好的舒適度、美觀效果、對鄰牙的無損傷性及較高的成功率等優勢，已成為于牙列缺損或缺失患者治療的首選方案[1]。但上頜后牙區因上頜竇的存在，特別是缺失牙時間較長者，上頜后牙受植區常會出現垂直骨高度不足情況。對上頜后牙區垂直骨高度不足10 mm者，臨床可采用上頜竇提升術改善剩余骨量，為上頜后牙區開展種植修復提供了可能[2]。對垂直骨高度不足4 mm者，常在上頜竇提升術后使用植入物以提高骨高度，延期植入種植體，可獲得較滿意療效[3]。但當垂直骨高度為5～8 mm 時，對于上頜竇提升后是否植入植入物仍存在較大爭議。2014年12月～2015年5月,我們擬通過三維有限元方法模擬上頜后牙區上頜竇提升術后種植體植入的過程，分析種植體植入后骨—種植體界面的應力分布情況。

1材料與方法

1.1材料DELL T1700 臺式工作站；建模軟件：Creo2.0 (美國PTC公司)；有限元分析軟件：Ansys workbench 14.5(美國Ansys公司)種植體：CMI種植體(韓國 Neo Biotech公司)。模型中的材料均設定為連續，各向同性，線彈性的材料，皮質骨、松質骨、植入物、鈦的楊氏模量分別為13.7、1.37、11、110 GPa，泊松比分別為0.3、0.3、0.3、0.35。

1.2三維有限元模型的建立通過Creo2.0 軟件繪制缺失右側第一磨牙的簡化頜骨模型，頜骨近遠中及頰舌向距離均為10 mm，整體高度為 14 mm，上頜后牙區剩余垂直骨高度分別設置為10、7、5、3 mm，Ⅲ類骨質，牙槽嵴側皮質骨厚度為1 mm，竇底側皮質骨厚度為0.5 mm。根據種植體參數(4.0 mm × 10.0 mm)繪制縱行剖面圖，以剖面中心軸為對稱軸360°旋轉，生成無螺紋的實體模型后再添加螺紋，最后對部分細節進行優化，獲得與實體相似的種植體模型。對于骨高度為10 mm的模型，直接將二者進行結合。對于骨高度為7、5、3 mm的模型，模擬進行上頜竇提升后分別模擬使用植入物及不使用植入物，再將種植體模型與之進行結合，并統一生成stp格式的文件(圖1)。

1.3邊界條件約束模型近遠中面所有節點的自由度，為模擬植入物完全成骨種植體承擔咬合力的狀態，在種植體冠面中點施加與植體長軸呈30°角150 N的力[4]。將骨-種植體接觸關系設定為連接接觸，在Ansys Workbench 14.5中求解運算，并對結果進行后處理，輸出結果，分析骨-種植體接觸界面周圍的應力分布情況及最大等效應力(EQV)。

2結果

種植體與骨界面EQV出現的位置均位于種植體頸緣。隨垂直高度的降低，骨-種植體界面的EQV呈上升趨勢(圖2)。在上頜竇提升術同時無植入物情況下，垂直骨高度為10 mm時，應力值僅為23.056 MPa；當垂直骨高度吸收至7 mm時，應力值僅小幅度上升；當垂直骨高度降至5 mm時，則出現較大增幅，最大應力值出現在垂直高度為3 mm時，應力值為55.853 MPa。當在上頜竇提升同時使用植入物后，骨-種植體界EQV值均較未植入組明顯下降，且均小于垂直高度為10 mm時的應力值。隨植入物用量的增加，應力值下降幅度相應增加。

注： a:垂直骨高度7 mm；b:垂直骨高度5 mm；c:垂直骨高度3 mm。

圖1上頜竇提升后模擬植入植入物模型

圖2　 不同垂直高度上頜后牙區上頜竇提升

3討論

與以往研究結果相同，本實驗證實種植體頸緣是主要的應力集中區域，且與進行性邊緣骨吸收有密切關系[5]。進行性邊緣骨吸收是種植體植入后常見并發癥，可使種植體穩定性降低，是導致種植失敗的主要原因[5]。因此，降低種植體頸周應力分布有重要意義。上頜后牙區行種植修復的主要難點是垂直骨量不足，Koca等[6]研究證明隨垂直骨高度降低，骨組織內應力增加，超過其耐受生理限度后，正常骨組織被破壞吸收，從而導致種植體松動。因此，上頜竇提升術被廣泛用于改善上頜后牙區垂直骨量不足情況。上頜后牙區垂直骨高度常作為臨床選擇上頜竇提升術式的重要評判標準[7]：當垂直骨高度為10 mm時，無需行上頜竇提升，可用標準種植體行常規植入；當垂直骨高度降至4 mm以下時建議行上頜竇提升并同期置入植入物，延期行種植體植入。

本實驗發現，垂直骨高度為7 mm時骨組織應力值較10 mm時變化不大，雖使用植入物可降低骨組織應力，但不使用植入物時應力值亦可接受。Del Fabbro等[8]證實，在骨量條件允許下，上頜竇提升術后是否放置植入物在種植體成功率方面無明顯差異。可見當垂直骨高度為7 mm時，不用植入物的上頜竇提升術是可行且安全的[9]。當垂直骨高度降至5 mm，骨組織內應力值呈上升趨勢，植入物的應用有效降低了骨內應力，增強了上頜后牙區骨組織的應力承載能力。在同一模擬咀嚼受力加載方式下，未植骨組最大應力值出現于垂直骨高度為3 mm時，提示此時骨內應力水平較高，故行上頜竇提升術并放置植入物尤為必要。

骨組織作為一種生物系統，在合力作用下會引發復雜的生物力學反應。有限元法被廣泛用于種植體生物力學研究中，但三維有限元分析的結果是建立在理想化模型的前提下，有一定局限性，而其在骨組織生物力學研究方面仍有無可比擬的優勢。本研究發現當垂直骨高度為7 mm及以上時，植骨及不植骨的上頜竇提升術式均適用；當垂直骨高度為5 mm及以下時，推薦使用上頜竇底提升并植入植入物的術式。

參考文獻：

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