去除折斷種植體部件時種植體的三維有限元熱力學分析

賀龍龍，王 淼，王婉蓉，李 哲，常曉峰

（西安交通大學口腔醫院種植科 陜西 西安 710004）

種植體的機械并發癥包括種植體折斷、種植體中央螺絲折斷和基臺折斷等。種植體折斷對于種植醫生是一件非常棘手的事情，大部分需要外科取出。種植體折斷在臨床中發生率不高，5年發生率為4%[1]，最常發生的是中央螺絲折斷（8.5%）和基臺折斷（5.5%）[2]。種植體部件的折斷通常發生在過度的軸向力，水平負荷，功能性活動（咀嚼）或者非功能性活動（如：磨牙）時[3-6]。在一些病例中，折斷部件可以通過探針或其他器械取出，但是大多數病例折斷的中央螺絲不能被取出。臨床中常使用高速手機或超聲器械去研磨折斷部件，這些操作都會產生大量的熱。

鈦是很好的熱傳導材料，在使用高速手機打磨鈦基臺、中央螺絲時，很可能會造成種植體周圍骨的熱損傷，嚴重時可能會損傷骨結合[7-9]，而骨結合又是種植修復成功的先決條件[10]。目前被廣泛認可的一種理論是：造成骨壞死的臨界溫度為47℃持續1min[11]。考慮到種植體熱傳導的重要性和高溫導致骨損傷的可能，本文采用三維有限元（Finite Element Method，FEM）的方法分析種植體和其周圍牙槽骨的熱分布情況，以期為臨床醫生操作提供理論依據并為種植體-骨熱力學分析提供參考。

1 材料和方法

1.1 模型建立：三維有限元分析由模型建立，數值計算和結果后處理三部分組成。本文中種植體-下頜骨模型是通過將CBCT圖像導入至MIMICS10.01軟件中建立實體模型[12-13]。使用UG8.0軟件，在種植體-下頜骨模型的基礎上，對種植體模型細化來模擬兩種不同的臨床情況（見圖1）。模型I，種植體去除中央螺絲,選用中央螺絲底面為加熱面，仿真打磨中央螺絲時產熱最多部位的熱傳導情況；模型Ⅱ，種植體安裝覆蓋螺絲，仿真打磨種植體或基臺時的熱傳導。種植體為4.1mm×10mm的Strauman軟組織水平種植體。在此模型中，下頜骨區分密質骨和松質骨。用ANSYS17.0對模型進行網格劃分，并局部加密種植體及種植體周圍的骨質（見圖2）。模型I共由492 995點和2 722 336和非四面體組成，模型Ⅱ共由108 974點和6 250 573非四面體組成。熱傳導分析在ANSYS17.0的CFD模塊進行。在數值計算結束之后使用CFD-POST（ANSYS17.0）軟件進行后處理和提取數據。

圖1 種植體模型（I、I I）

1.2 材料屬性：此實驗中所有的部件被假設為均勻、獨立的不受溫度依賴的材料。此分析中所使用的材料特性見表1。

1.3 熱載荷條件：兩個模型中加熱面是不同的。在模型I中，加熱面被定義為中央螺絲孔的底面（見圖1 Model I）；在模型Ⅱ中，加熱面被定義為種植體覆蓋螺絲的表面（見圖1 ModelⅡ）。熱載荷（Ts）施加于加熱面上。熱載荷為恒溫，分別為50℃,60℃,70℃,80℃,90℃,100℃持續加熱10s[9,16]。從口腔中向種植體交換的熱能（q）可以從以下公式得到：

圖2 模型進行網格劃分，局部加密種植體及種植體周圍的骨質

表1 有關熱力學參數[1]

在這里h是傳熱系數約等于500J/(m2s℃)[15]，A是加熱面。暴露于口腔的界面均設置為二類邊界條件。在本文中，筆者假設熱的傳導只通過種植體到骨，軟組織不計入其內。整個模型的初始溫度設置為人體溫度37℃。

2 結果

本實驗中選取種植體表面三個點的溫度來評估種植體周圍的溫度分布[12，16]。這三個點分別為種植體頸1/3與骨交界面（P1），中1/3與骨交界面（P2），根1/3與骨交界面（P3）[15]（見圖3）。當向種植體加熱面施加熱載荷時這三個點代表著種植體周圍骨溫度的變化。P點在10s中達到的最大溫度和到達47℃時間見表2、表3。

2.1 模型I：當加載溫度為50℃時，P1、P2、P3最大溫度分別為42.9℃、40.5℃和39.4℃；在加載時間內，溫度沒有超過47℃。當延長加載時間至5min時，種植體周圍的溫度平穩在43.9℃。當加載溫度為60℃、70℃時，P1到達47℃分別出現在8s、2s；P2、P3點的溫度在10s內沒有到達臨界溫度47℃。當加載溫度90℃、100℃時，P1點的溫度約在1s時到達47℃，P2、P3約在4s、8s時到達。

2.2 模型Ⅱ：當加載溫度為50℃時，P1、P2、P3最大溫度分別為44.1℃、42.7℃和41.5℃；在加載時間內，溫度沒有超過47℃。當延長加載時間至5min時，種植體周圍的溫度平穩在44.7℃。當加載溫度為60℃時，P1、P2到達47℃分別出現在2.5s、9s；當加載溫度為70℃時，P1、P2、P3均到達47℃，分別出現在1S、3.5s和7.5s；當加載溫度80℃、90℃、100℃時，P1點的溫度約在不到1s時已到達47℃，P2、P3約在1s、3s時到達。

表2 模型I中最大溫度及到達47℃時間

表3 模型Ⅱ中最大溫度及到達47℃時間

圖3 種植體及周圍區域的溫度分布云圖及P1、P2、P3點的分布

3 討論

機械并發癥是種植體失敗和拔除的主要原因之一。臨床醫生都希望在取出斷裂部件時不要損傷周圍牙槽骨，因為這會影響種植體的穩定性。在Meisberger[8]的體外實驗中，研究了使用超聲器械取出種植體折斷部件時種植體溫度分布的情況。在本研究中，筆者用種植體-下頜骨的三維模型研究使用高速手機打磨斷裂部件時種植體周圍牙槽骨溫度分布的情況。

有限元分析結果顯示，不管是打磨種植體、基臺，還是中央螺絲時，種植體熱傳導很快，周圍骨在10s之內就可以到達骨損傷的臨界溫度，也就意味著很容易形成骨的熱損傷。當筆者在水冷卻不充分的情況下打磨種植體的折斷中央螺絲時（即模型I中加載溫度60℃、70℃、80℃、90℃、100℃），溫度上升非常快，在10s內增加了7.1℃、12.0℃、18.0℃、23.4℃、28.9℃，最大溫度均超過骨損傷的臨界溫度47℃。隨著加載溫度的升高，到達47℃的時間也變的更短。這個結果提示我們在沒有水冷卻時，高速手機打磨種植體部件應該是被禁止的，打磨時間只需要1s種植體周圍溫度即會到達損傷溫度。在研磨時有足夠的水冷卻時（即加載溫度為50℃）[9,16]，種植體周圍的最大溫度和平穩溫度均小于臨界溫度。Gabay等[17]在體外實驗中使用高速手機調磨一段式種植體時，在無水冷卻時種植體周圍溫度在（5.73±1.16）s時到達47℃，到達之后溫度還會上升一段時間至最大溫度，但是在水冷卻的環境下，溫度均小于47℃。與模型I相比，模型Ⅱ的溫度上升相對較快，最高溫度主要集中在頸部（P1）。臨床中研磨種植體或基臺時，較打磨中央螺絲也更容易得到足夠的水冷卻。當有足夠的水冷卻時（即模型Ⅱ中加載溫度為50℃時），種植體周圍的最高溫度和平穩溫度均小于損傷臨界溫度，也就是說研磨種植體或者調磨基臺都是安全的。基于溫度上升較快但易得到足夠多的水冷卻，研磨種植體和基臺造成骨熱損傷的風險較打磨中央螺絲低。但是從到達47℃的時間我們可以看出，間斷調磨的原則仍需要堅持。

目前，已有各種器械去處理種植的機械并發癥，不管是折斷的種植體、基臺或是中央螺絲。通常情況下，在確定剩余部分的位置時，大家可以嘗試利用專用器械逆時針取出。另外，文獻報道超聲和化學液體亦可以有效取出殘余斷裂部分，但是也會有損傷內部結構和過度產熱的風險[7-8]。本文研究結果表明，使用高速手機或超聲打磨折斷種植體部件是一個非常危險的操作，尤其是無法保證水冷卻的情況下。因此，建議臨床醫生應謹慎選擇此種方式，使用時要有有效的水冷卻，同時筆者也推薦使用額外的冷凍生理鹽水冷卻。在臨床操作中，使用高速手機或超聲打磨時，患者會感到疼痛。結合本實驗，筆者認為產熱是造成疼痛的主要原因。這也提示臨床醫生，在打磨時不要使用麻醉，以免掩蓋過度產熱導致患者疼痛這個重要信息。

本文利用兩個模型來模擬臨床中處理種植體機械并發癥時可能造成的熱損傷及熱傳導的形式。對于臨床醫生在打磨種植體、基臺、中央螺絲時的方式有一定參考意義，并給以后種植體熱力學研究提供參考。然而三維有限元仍有很多局限性，例如忽略了許多臨床因素及軟組織的反應。

4 結論

種植的機械并發癥對臨床醫生而言是非常棘手的事情。通過該實驗可以得出結論，使用高速手機打磨種植體折斷部件是一件高危險性的操作，尤其是在打磨中央螺絲時。當打磨時沒有足夠的水冷卻，只需要幾秒鐘種植體周圍牙槽骨就可以到達骨損傷臨界溫度。臨床醫生必須謹慎選擇此操作方式，應間斷研磨，并且建議不要給予局部麻醉以免掩蓋操作溫度過高時患者的自覺癥狀。

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