下前牙松牙固定的生物力學分析

陳倩柔，盧頓朗，苗夢雨，毛天嬌，陸　珂

1)鄭州大學第一附屬醫院惠濟院區牙周科 鄭州 450053　2)鄭州大學第一附屬醫院惠濟院區牙周科 鄭州 450053

慢性牙周炎是最常見的四大口腔疾病之一，也是導致成人牙齒喪失的首位原因，對于中重度慢性牙周炎牙槽骨吸收導致牙齒松動，經過牙周治療仍未能恢復正常的患牙，臨床上通過牙周夾板固定來分散咬合力[1]。目前有研究[2]對不銹鋼絲和百強固位纖維固定松牙的臨床效果進行比較，結果顯示2種松牙固定方法的臨床療效有差異，但缺少直接的生物力學數據。本文選取臨床上最常見的接受松牙固定治療的2類病例作為研究模型，通過繪制不銹鋼絲和百強固位纖維牙周夾板，在同一模型上進行2種固定方式的受力分析和比較，可以有效控制其他無關變量，從生物力學的角度來比較2種松牙固定方法分散咬合力的效果，從而為臨床上選擇松牙固定方式提供理論依據。

1　材料與方法

1.1標本來源從2016年3月至12月于河南省口腔醫院牙周科就診的患者中篩選出下頜前牙重度水平型和垂直型吸收的慢性牙周炎患者2例，征得患者同意后，進行CBCT掃描，獲得下頜前牙CBCT圖像作為原始資料。

1.2實驗模型的類型模型1：下前牙牙槽骨重度水平型吸收，其中一顆中切牙吸收達根長的2/3(水平型吸收)；模型2：下前牙牙槽骨中度水平型吸收，其中一顆中切牙垂直型吸收達根長的2/3(垂直型吸收)。

1.3軟件Mimics 17.0(Materialise公司，比利時)、Geomagic Studio 10.0(Raindrop Geomagic公司，美國)、Solidworks(Dassault Systemes公司，法國)、ANSYS 15.0(ANSYS公司，美國)。

1.4建模方法

1.4.1下頜骨及牙列模型的建立將CBCT掃描圖像數據保存為DICOM文件格式，導入Mimics中，調整至合適的閾值，分別生成牙列和下頜骨的幾何模型，以stl格式輸出。再將其導入Geomagic Studio中，先運用松弛命令處理牙列和下頜骨的幾何模型，進行表面優化和曲面化，再利用網格醫生修復模型表面，得到光滑的牙列和下頜模型，并將牙列模型偏移處理0.25 mm，生成厚度為0.25 mm的牙周膜模型。將所有模型以stl格式保存。

1.4.2牙周夾板模型的建立將所有模型導入Solidworks中，模擬臨床實際操作，依照牙列舌側的外形在舌隆突以上、切端以下2～3 mm的范圍內畫出不銹鋼絲聯合流動樹脂和百強固位纖維加強樹脂的牙周夾板模型，并將各部分模型進行組裝。至此，2種病例的CBCT圖像可各自形成未進行松牙固定、模擬不銹鋼絲聯合復合樹脂夾板固定以及模擬百強固位纖維加強樹脂夾板固定3種模型，即共6個模型。

1.4.3有限元模型的建立將已建立的模型導入ANSYS，進行網格劃分，定義材料屬性(牙齒、牙周組織及牙周夾板的彈性模量和泊松比[3-5]見表1)，假設所有材料和組織為連續、均質，各向同性的彈性材料[6]，切牙切端受力均勻，建立有限元模型。

表1　各種材料彈性模量和泊松比

1.5力的加載與分析模擬正常人在咀嚼食物時的咬合方式，加載的部位為各牙的切端，方向為軸向和唇舌向45°，加載力的大小為120 N，這與正常人下前牙在咀嚼過程中實際所承受的咀嚼力的大小、方向相近[7]。利用ANSYS進行應力分析。

1.6觀察指標觀察不同牙槽骨吸收類型下，運用2種牙周夾板后，在受到咬合力加載時下前牙牙槽骨及牙周膜應力分布變化及應力值改變量的大小(應力值改變量=術后應力值-術前應力值，負值越大，應力減小值越大)。

2　結果

2.1下前牙三維有限元模型的應力分布變化

2.1.1下前牙三維有限元模型的牙槽骨應力分布變化所有三維有限元模型的應力集中部位均位于各個牙的牙頸部，且進行2種松牙固定后分別加載45°側向力(圖1)和軸向力(圖2)時，牙槽骨上的應力分布均比術前牙槽骨上的應力分布均勻。

2.1.2下前牙三維有限元模型的牙周膜應力分布變化所有三維有限元模型的應力集中部位也位于各個牙的牙頸部，且進行2種松牙固定后加載45°側向力(圖3)和軸向力(圖4)時，牙周膜上的應力分布均比術前牙周膜上的應力分布均勻。

A～C：病例1術前、不銹鋼絲固定后、百強固位纖維固定后牙槽骨應力分布云圖；D～F：病例2術前、不銹鋼絲固定后、百強固位纖維固定后牙槽骨應力分布云圖圖1　加載45°側向力后牙槽骨應力分布云圖

A～C：病例1術前、不銹鋼絲固定后、百強固位纖維固定后牙槽骨應力分布云圖；D～F：病例2術前、不銹鋼絲固定后、百強固位纖維固定后牙槽骨應力分布云圖圖2　加載軸向力后牙槽骨應力分布云圖

A～C：病例1術前、不銹鋼絲固定后、百強固位纖維固定后牙周膜應力分布云圖；D～F：病例2術前、不銹鋼絲固定后、百強固位纖維固定后牙周膜應力分布云圖圖3　加載45°側向力后牙周膜應力分布云圖

A～C：病例1術前、不銹鋼絲固定后、百強固位纖維固定后牙周膜應力分布云圖；D～F：病例2術前、不銹鋼絲固定后、百強固位纖維固定后牙周膜應力分布云圖圖4　加載軸向力后牙周膜應力分布云圖

2.2下前牙三維有限元模型的應力值變化結果見表2～5。病例1和病例2經過松牙固定后，在軸向力和45°側向力下，松牙牙槽骨和牙周膜所受的力均減少。從牙槽骨和牙周膜應力值改變量來看，病例1在45°側向力下2種固定方法的效果基本相似；而軸向力下病例1中百強固位纖維固定后，松牙的應力值減小比不銹鋼絲固定更明顯。病例2中在45°側向力下，百強固位纖維固定后切牙的應力值減少比不銹鋼絲固定更明顯；而在軸向力下，不銹鋼絲固定后切牙的應力值減少比百強固位纖維稍明顯。

表2　病例1不同施力方向下的下前牙各牙位牙周膜應力值　×10-3 MPa

表3　病例1不同施力方向下的下前牙各牙位牙槽骨應力值　×10-3 MPa

表4　病例2不同施力方向下的下前牙各牙位牙周膜應力值　×10-3 MPa

表5　病例2不同施力方向下的下前牙各牙位牙槽骨應力值　×10-3 MPa

3　討論

3.1主要發現從應力云圖中可以看出，松牙固定術前，下前牙受力時，牙周膜應力明顯集中于松牙上。而在2種松牙固定術后，松牙的牙周膜應力得到分散，鄰牙牙周膜上的藍色和黃色區域明顯增大，即應力增大，并且2種固定方法都具有越靠近松牙，應力增大越明顯的趨勢。 從應力值的變化上可以看出，對于牙槽骨水平型吸收和垂直型吸收的病例來說，在不銹鋼絲和百強固位纖維固定后，吸收最嚴重的切牙的牙槽骨和牙周膜的應力值均有減小，其鄰牙的牙槽骨和牙周膜的應力值也有相應的減小或出現承擔分散咬合力的現象(應力值增大)。這就說明2種牙周夾板均具有分散咬合力的作用，其在臨床上的應用是合理的。

3.2可能的機制比較2種牙周夾板固定后的應力值減小量可知：對于水平型牙槽骨吸收的病例，在45°側向力下，不銹鋼絲固定后，牙槽骨吸收最嚴重的切牙牙周膜應力由7.749 3×10-3MPa減小至4.192 2×10-3MPa，其同側鄰牙的應力由2.606 1×10-3MPa減小至2.438 6×10-3MPa，其同側尖牙的應力由2.318 0×10-3MPa增大至3.523 4×10-3MPa。百強固位纖維固定后，牙槽骨吸收最嚴重的切牙牙周膜應力由7.749 3×10-3MPa減小至3.952 6×10-3MPa，其鄰牙的應力由2.606 1×10-3MPa減小至2.515 5×10-3MPa，其同側尖牙的應力由2.318 0×10-3MPa增大至3.922 4×10-3MPa。即百強固位纖維固定時應力減小幅度大于不銹鋼絲。在軸向咬合力下的應力變化幅度有相似的規律。百強固位纖維帶非常柔軟，能完全隨牙弓的形態貼附于牙面并通過流動樹脂黏固于牙面上。百強固位纖維加強樹脂牙周夾板與牙面貼合度好，接觸面積大，而且流動樹脂固化后具有良好的剛性，而不銹鋼絲不能與牙面完全貼合，并且具有一定的彈性，故百強固位纖維加強樹脂更有利于應力的分散，在牙槽骨水平型吸收的病例中，百強固位纖維固定后松牙的應力減小更明顯。對于垂直型牙槽骨吸收的病例來說，45°側向力下的應力變化情況類似于水平型牙槽骨吸收；在軸向力下，不銹鋼絲固定時，牙槽骨吸收最嚴重的切牙應力由2.263 0×10-3MPa減小至0.595 7×10-3MPa，百強固位纖維固定時，牙槽骨吸收最嚴重的切牙的應力由2.263 0×10-3MPa減小至1.684 0×10-3MPa，故不銹鋼絲的效果更好。臨床上用于松牙固定的不銹鋼絲剛性小，容易產生彈性形變，在加載軸向力時相鄰2牙之間未用樹脂固定的不銹鋼絲會產生輕微的彈性形變，吸收部分應力，導致牙周膜所受到的應力減小。加載45°側向力時，松牙唇舌向動度較大，不銹鋼絲的彈性形變不足以抵抗松牙的舌向位移，而百強固位纖維這種剛性更大的牙周夾板更有利于固定松牙，分散咬合力。牙槽骨的應力變化與牙周膜的情況基本一致。進行松牙固定后，部分牙位出現了牙周膜應力增大的情況。研究[8]表明，在正常咀嚼運動中，咀嚼食物的力大約只為牙周組織所能支持的力量的一半，尚儲存了另一半支持能力。運用牙周夾板之后，牙周膜應力增大幅度是在正常的生理承受范圍之內的。所以運用牙周夾板可以充分利用鄰牙的牙周潛力，減輕松牙的負擔，有利于松牙牙周組織的恢復。由上述討論可知，不銹鋼絲和百強固位纖維牙周夾板可以明顯改善咀嚼過程中松牙牙槽骨和牙周膜所受的應力。隨著粘接材料的發展，牙周夾板與牙齒之間的粘接更加牢固，那么是否可以將不銹鋼絲和百強固位纖維牙周夾板作為永久性的牙周夾板來使用，這需要進一步研究來證實。

3.3研究的不足本文是從生物力學的角度來考慮2種牙槽骨吸收情況下2種松牙固定方法的效果。由于百強固位纖維加強樹脂的表面光滑容易清潔，而不銹鋼絲聯合樹脂牙周夾板容易堆積菌斑，這也會影響牙周組織的恢復[9]。而且百強固位纖維的療效還與患者的年齡、牙齒的松動度、松動時間等因素有關。另外，本研究模擬加載的咬合力方向比較單一，無法體現松牙在咀嚼運動過程中所有受力方向的變化以及臨床上關系的多樣性，因此臨床上在選擇松牙固定方式的時候應該充分考慮患者的個人因素，個性化制定松牙固定方案，才能取得更好的效果。

3.4結論從生物力學角度分析可以得出：牙槽骨水平型吸收的病例，百強固位纖維分散力的效果更明顯；而牙槽骨垂直型吸收的病例，不銹鋼絲和百強固位纖維各有優勢，臨床上可以根據牙周夾板壽命的長短、患者的經濟情況等方面綜合考慮。

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