種植體支持的磁性附著體下頜覆蓋義齒的三維有限元分析

高　翔　王忠厚　趙云剛　周振平

(包頭醫學院口腔學院修復教研室，內蒙古　包頭　014060)

種植體支持的磁性附著體下頜覆蓋義齒的三維有限元分析

高翔王忠厚1趙云剛2周振平3

(包頭醫學院口腔學院修復教研室，內蒙古包頭014060)

〔摘要〕目的對自然牙根和種植體混合支持的磁固位全口覆蓋義齒進行受力分析。方法采用CT技術、計算機圖像處理系統及Solidworks有限元軟件，根據自然牙根與種植體不同組合，放置兩對磁性附著體，建立三組下頜覆蓋義齒的三維有限元模型。在不同的應力加載下對三組模型中自然牙和種植體頸部骨應力進行計算對比、分析。結果一側自然牙根、一側種植體組時，種植體周圍骨應力已經超出了牙槽骨所能承受的范圍；在尖牙區使用兩個種植體或是兩個自然牙根做基牙的覆蓋義齒受力時，基牙周圍骨應力分布較均勻。結論磁性附著體的結構能比其他類型的附著體更好地防止側向力對基牙的損害。

〔關鍵詞〕磁性附著體; 覆蓋義齒; 應力

在種植覆蓋義齒上部結構設計中,常用按扣式附著體、磁附著體、桿卡式附著體等來改善義齒的固位功能。因磁性附著體可為全口覆蓋義齒提供長期、穩定的固位力，且臨床操作簡便,療程短,咀嚼效能高,費用相對低,患者易于摘戴和清潔〔1，2〕。許多學者對磁性附著體在口腔內的應用進行了一些臨床和基礎方面的研究〔3～5〕。但對種植體支持的磁性附著體覆蓋義齒支持組織應力分布的研究，目前報道較少。現根據自然牙根與種植體不同組合，放置兩對磁性附著體，建立三組下頜覆蓋義齒的三維有限元模型。在不同的應力加載下對三組模型中自然牙和種植體頸部骨應力進行計算對比，對自然牙根和種植體混合支持的磁固位全口覆蓋義齒進行三維有限元分析，以便更好地指導臨床。

1材料與方法

1.1標本來源選擇一名牙周組織正常、無其他口腔病變下頜無牙頜的女性志愿者，作為被測試對象。

1.2CT掃描被檢對象取仰臥位，頦部抬高，使下頜下緣與水平面垂直，頭部固定，并戴用預先制作的咬合板，使被測者微張口。掃描全過程中，要求口腔處于安靜狀態。使用日立公司Turbo CT掃描機，掃描條件120 kV，125 mA，1.0 s。掃描時，掃描標志線與下頜骨下緣平行，由下至上進行橫斷面掃描，直至髁狀突頂端。其中自髁狀突頂端至下頜骨下緣斷面間距為2 mm，共獲得31張斷層影像。

1.3CT圖像的處理以及數據的讀取將CT膠片使用Arroy公司透掃儀進行透掃，通過其配套軟件將圖像轉換為TIF格式圖片保存，再使用Adobe公司的Photoshop 6.0專業圖像處理軟件讀取圖片。根據軟件自帶的坐標系讀取下頜骨各層輪廓坐標，再根據其所在斷層數值，將其每層輪廓曲線的二維坐標輸入EXCEL電子表格轉化為純文本曲線文件格式保存。

1.4橫塊化三維有限元模型的建立及網格的劃分因建模工作量較大，圖形質量要求較高，故對計算機軟、硬件要求均較高。系統硬件：CPU采用AMDAthlon XP 1600+、內存512 M、硬盤40 G，操作系統使用穩定的Windows，建模軟件使用Solidworks，有限元分析軟件使用Cosmos/ Work 6.0分析模塊。

使用Solidworks曲線工具中的通過自由點的樣條曲線調用已保存的各斷層輪廓曲線，再通過放樣，分別形成下頜骨、34567的牙根以及34567的牙冠部分。牙周膜的生成采用牙根反向抽殼，厚度為0.25 mm。這樣每顆牙都有牙冠、牙根、牙周膜三部分，分別做成單獨文件保存。種植體是直徑為3.75 mm、長15 mm的圓柱體；磁性附著體采用Magfit EX600(日本國愛知制鋼株式會社出品)，銜鐵的尺寸為3.8 mm×2.8 mm×1.0 mm；磁體的尺寸為3.8 mm×2.8 mm×1.8 mm。無牙頜下頜骨是將有牙下頜骨進行修整而獲得。黏膜是根據無牙下頜骨的形態和輪廓，在前牙區、尖牙區、前磨牙區及磨牙區分別取輪廓線作為放樣曲線，以下頜牙弓線為放樣引導線，生成黏膜塊；將黏膜塊反向抽殼，生成全口義齒的基托，將黏膜塊與下頜骨疊加，取型腔，而形成黏膜，牙槽嵴區黏膜厚度為2 mm。將34567的牙冠排列于全口義齒基托上，形成全口義齒。根據臨床情況，將1～2個自然牙根排列在尖牙區，種植體排列在尖牙區或磨牙區。根據自然牙根和種植體上銜鐵的位置確定磁體在全口義齒基托內側的位置，再將磁體裝配到全口義齒上，最后將帶自然牙根和種植體的下頜骨裝配體與帶磁體的全口義齒裝配體進行組裝，形成完整的模型。兩個裝配體之間為自由式接觸關系。

模型完成后，利用分析模塊Cosmos/Works 6.0對模型進行網格的自動劃分，其中對于要求細劃的零件進行手工設定，自動劃分的單元均為四面體。

1.5模型分組由于尖牙的獨特生理解剖特點，使得口內最后余留的多是尖牙牙根，因此本實驗中設計的自然牙根及種植體位于尖牙區。兩對磁性附著體：模型Ⅰ兩自然牙根組;模型Ⅱ兩種植體組;模型Ⅲ 一側自然牙根、一側種植體,經過網格劃分后，模型Ⅰ共有364 128個節點，250 125個單元；模型Ⅱ共有204 693個節點，135 484個單元；模型Ⅲ共有153 755個節點，108 095個單元。選用相關材料的力學參數。見表1。

表1　選用材料的力學參數

1.6約束條件及加載方式在下頜骨下頜角處Z方向位移約束。根據Brigolf所測桿關節覆蓋義齒的最大咬合力值作為本研究的加載載荷〔11〕，根據模擬的不同咬合狀態設計出4種工況。工況Ⅰ：雙側后牙區加載，兩側磨牙各加50 N，共200 N，方向垂直。 工況Ⅱ：雙側前牙區加載，前牙各加25 N，共150 N，方向垂直。工況Ⅲ：單側后牙區加載，單側磨牙各加50 N,共100 N，方向垂直。工況Ⅳ：單側后牙區斜向加載，單側磨牙每牙垂直向加33.3 N，水平向加16.7 N。

1.7實驗條件假設模型中的材料和各種組織之間是連續的，模型中涉及的材料和組織均簡化為均質的和各向同性的線彈性材料，材料變形為小變形，種植體與頜骨形成了完全骨整合，加載時義齒和支持組織不產生相對滑動。

1.8應力分析方法分別取自然牙根頸部和種植體頸部骨皮質層壓應力和拉應力以及Von Mises綜合應力作為研究對象，分析比較各組模型在不同的加載情況下對基牙周圍支持組織應力分布的影響。

2結果

從表2中可見，模型Ⅰ前牙區加載時，雙側后牙加載時，自然牙根周圍骨質應力分布不均勻。其中，Mises綜合應力最大處位于兩自然牙根的頰側，為壓應力，但其數值很小，僅為同工況下兩種植體模型的1/20左右；前牙加載時，大部分是壓應力；右側后牙加載時，該側自然牙根周圍應力分布不均勻，最大綜合應力位于遠中區域，對側牙根周圍骨應力分布較均勻。右側后牙斜向加載時，該側自然牙根周圍骨組織應力分布不均勻，綜合應力最大處為舌側。對側自然牙周圍應力分布均勻，綜合應力最大處位于舌側，為拉應力。

從表2中可見，模型Ⅱ前牙區加載時，雙側后牙加載時，兩側種植體的最大應力均位于種植體遠中區域，為壓應力；前牙加載時，兩種植體周圍骨綜合應力集中區位于種植體近中頰側，性質為壓應力；右側后牙加載時，該側種植體遠中區域出現綜合應力集中區域，性質為壓應力，對側種植體周圍骨沒有應力集中現象。其綜合應力值分別是雙側加載時的1/4和前牙加載時的1/5。未加載側種植體周圍骨最大綜合應力是加載側的1/4。右側后牙斜向加載時，應力分布情況、大小與垂直加載時相似。從表2中可見，模型Ⅲ雙側后牙區垂直加載時，自然牙根周圍下頜骨應力分布均勻，種植體周圍下頜骨則有很明顯的應力集中，種植體頸部牙骨質所受最大壓應力約為最大拉應

表2　模型Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ應力表

力的3.5倍。當前牙區垂直加載時，自然牙根周圍應力分布較均勻，種植體周圍骨質應力集中于近中和遠中兩個區域。遠中區域為拉應力，其壓應力是所有模型中最大的。當種植體側后牙垂直加載時，自然牙根周圍應力分布很均勻。而種植體周圍應力明顯集中于遠中頰側，應力性質為壓應力，其壓應力值約為拉應力的3.5倍。當種植體側后牙區斜向加載時，自然牙根周圍應力分布均勻，綜合應力最大處在舌側，而種植體明顯集中于遠中頰側，性質為壓應力；近中舌側為拉應力。當自然牙側后牙垂直加載時，自然牙根與種植體周圍的應力都分布較均勻。最大綜合應力值是雙側加載時的1/5，前牙加載時的1/10，種植體側加載時的1/6。當自然牙側后牙斜向加載時，與垂直加載時類似。

3討論

通過觀察模型Ⅲ中種植體和自然牙根周圍骨的壓應力和拉應力的數值與方向可以發現：所有狀況中，前牙加載時，種植體和自然牙根周圍骨的壓應力最大；與雙側后牙加載時相對比，無論是自然牙還是種植體，前牙加載時的壓應力約是后牙雙側加載時的兩倍；而在前牙加載時，種植體周圍骨的最大壓應力為95.44 Mpa，更是達到自然牙根周圍骨的壓應力的72倍；在雙側后牙加載時比值也高達61倍。根據陳新民〔9〕對新鮮人體牙槽骨的測試結果可知：牙槽骨抗壓強度軸向為112 Mpa，橫向為88 Mpa，抗拉強度軸向為80 Mpa，橫向為45 Mpa，可見此模型中種植體周圍骨應力已經超出了牙槽骨所能承受的范圍，很容易導致牙槽骨的壞死、吸收。無論是什么加載方式，種植體周圍骨應力值都明顯地大于自然牙根周圍的骨應力值。

國內外學者研究認為，自然牙和種植體為兩種完全不同的支持形式：自然牙根有牙周膜。牙周膜是介于牙骨質和牙槽骨之間的纖維性結締組織，是一種各向異性的黏膜彈性體，富有彈性和韌性。在咀嚼活動中，它不僅僅是簡單傳遞牙合力，同時還能緩沖儲存牙合力：牙周膜能將牙合力分散到牙槽骨上，避免局部應力集中。而種植體與牙槽骨之間為骨性結合。由于種植體周圍的組織結構的特殊性，使其對牙合力的承受、分散、傳導與自然牙有著本質的區別。種植體組織界面對側向力和扭力的耐受能力遠小于自然牙，而且受力時不允許種植體和周圍組織有相對位移。由于牙周膜獨特的結構，使其受力時的感受特性為耐壓不耐拉。當模型Ⅲ在前牙加載時，自然牙根和種植體受到的大部分為軸向力，此時自然牙的牙周膜受壓可發生形態改變，從而緩解應力。而種植體不能發生位移和形變，因而種植體就形成了一個支點，使覆蓋義齒發生轉動，這樣種植體又受到扭力和側向力的作用，所以種植體周圍骨應力很大，容易造成牙槽骨壞死、吸收，從而使種植體松動、脫落。

在模型Ⅲ中，比較單側后牙垂直加載和斜向加載時，骨應力值沒有太大區別。這與其他上部結構的全口覆蓋義齒的受力情況明顯不同。出現這種情況與磁性附著體的特點有關：磁性附著體由于其上部銜鐵的厚度很薄(僅1 mm)，冠根比很小，因此減少了側向力。同時當側向力過大時，磁體會發生側向移動和轉動，從而產生應力中斷現象。而這種應力中斷現象可避免基牙受到過大的側向力，從而使基牙免受損傷。所以磁性附著體可以有效地保護基牙，延長修復體的使用壽命。對比該三個模型的應力結果，可以發現：由于磁性附著體的特殊結構，它能比其他類型的附著體更好地防止側向力對基牙的損害。

當雙側后牙加載時，因為有相當一部分載荷被牙槽骨和黏膜承擔，所以自然牙和種植體周圍骨的應力有大幅度的下降。但同樣也是因為一個種植體形成了支點，從而使種植體周圍骨的應力值仍然很高。此點通過與模型Ⅱ的對比可以看出：模型Ⅱ中，因為是兩個種植體，情況相同，形成兩個支點，因此，覆蓋義齒不會發生轉動，而只會圍繞兩個種植體的連線為軸發生翹動，這樣種植體基本上不會受到扭力的作用。同時因為兩個種植體的受力情況相同，使種植體周圍應力的分布比較均衡，數值也較模型Ⅲ有大幅度的下降。因此，當一個基牙是自然牙根，另一側是種植體時，種植體周圍骨應力會出現明顯的應力分布不均勻，且最大主應力和最小主應力數值相差懸殊，易導致種植體脫落，使修復失敗，建議臨床避免采用此種修復方式。在尖牙區使用兩個種植體或是兩個自然牙根做基牙的覆蓋義齒受力時，基牙周圍骨應力分布較均勻；最大主應力和最小主應力數值接近，臨床可以應用。

4參考文獻

1蔣一,劉洪臣,李鴻波.Magfit 磁性附著體在老年患者全口覆蓋義齒的應用體會〔J〕.口腔頜面修復學雜志,2012;2(13): 79-82.

2朱亞君.磁性附著體在全口覆蓋義齒中的臨床應用與效果評價〔J〕.口腔醫學,2013;11(33): 789-91.

3張興樂,李樂,王鵬.上頜種植磁性固位義齒的臨床有效性研究〔J〕.天津醫藥,2014;1(42):84-5.

4吳小勇.磁性附著體與傳統卡環固位體在老年全口覆蓋義齒修復中的療效及對牙周健康的影響〔J〕.中國老年學雜志,2013;33(20):5011-3.

5王廣,任道普,鄭光勇.27 例磁性附著體固位種植覆蓋義齒臨床體會〔J〕.中國口腔種植學雜志,2013;4(18):194-8.

6Nogawa A.Study on the dynamic behowior of mandibular distal-extension removable pareial denture utilizing finite element method〔J〕.Jpn Prosthet Soc,1989;33(6):1313.

7Skinner EW,Philips RW.The science of dental material〔M〕.5th ed.Philadelphia: W B Saunders Co,1960:194.

8肖雪，馮海蘭.磁性附著體在下頜全口覆蓋義齒中的臨床應用〔J〕.華西口腔醫學雜志，2000;18(4)：232-4.

9陳新民.不同狀態下人體牙槽骨的彈性性質〔J〕.口腔材料器械雜志，1993;2(1)：6.

10Kydd WL,Mandly J.The stiffness of palatal mucopericosem.〔J〕.J Prosthet Dent,1967;18(2):116-21.

11Meijer HJ,Kuiper JH,Starmans FJ,etal.Stress distribution around dental implants:influence of superstructure,length of implant and height of mandible〔J〕.J Prosthet Dent,1992;68(1):96-102.

〔2014-12-31修回〕

(編輯趙慧玲/曹夢園)

基金項目：包頭市科技發展項目(No.2010S2001-2-3)

〔中圖分類號〕R783.6

〔文獻標識碼〕A

〔文章編號〕1005-9202(2016)11-2731-03；

doi：10.3969/j.issn.1005-9202.2016.11.076

1包頭醫學院第一附屬醫院口腔科2大連中山趙云剛口腔診所3吉林大學機械工程學院生物力學教研室

第一作者：高翔(1972-)，女，主任醫師，碩士，碩士生導師，主要從事固定義齒研究。