下頜第一磨牙根管治療后不同修復方案的生物力學分析

張國慶 王衛(wèi)國 朱慧勇

根管治療已成為牙髓病和根尖周病的主要治療方法，然而由于去除牙髓后患牙冠方牙本質(zhì)缺乏營養(yǎng)供應，導致繼發(fā)性牙本質(zhì)和第三期牙本質(zhì)的形成中斷，造成根管治療后牙齒強度下降。另外根管治療也不可避免的會造成牙體組織減少，所以根管治療后的牙齒較易發(fā)生折斷或劈裂[1]。所以，臨床中患牙根管治療后一般都建議進行冠保護，將其所受的拉應力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯Γ黾友拦诘目沽Γ瑴p少牙折斷或劈裂的可能性。傳統(tǒng)根管治療后的修復方案主要是直接全冠修復，當剩余牙體組織較少時一般是先行植入纖維樁后再進行全冠修復。隨著材料學、粘接技術(shù)的發(fā)展以及醫(yī)患雙方微創(chuàng)修復理念的提升，有學者提出了髓腔固位冠的修復方法[2]，這種修復方式有利于保存剩余牙體組織[3]，在臨床調(diào)查中也顯示出了較傳統(tǒng)全冠更優(yōu)良的力學性能以及成功率[4-5]。所以，對于根管治療后牙冠修復已有多種方案可供選擇，而對于幾種冠修復方式受力后的生物力學分析，國內(nèi)外尚未見文獻報道。本研究擬建立不同的下頜第一磨牙修復方案模型，通過三維有限元法研究牙體組織和修復體的應力大小和分布情況，為臨床選擇修復方案提供參考。

1 材料與方法

1.1 樣本選擇

選擇外形正常，表面無齲壞、無缺損，無充填體和修復體，尺寸大小接近正常人均值的下頜第一磨牙[6]，去除牙體表面的牙周膜、牙石等附著物后，貯存于4℃，1%的氯胺T溶液中備用[3]。

1.2 有限元模型建立

1.2.1 牙齒掃描及重建三維數(shù)字模型 采用Micro CT(Siemens Inveon Multimodality system, Germany) 對牙齒進行掃描，從牙尖掃描至牙根，掃描電壓80 kV，掃描電流500 mA，掃描層厚30 μm，掃描結(jié)束后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為Dicom格式并存儲。使用Mimics 12.0軟件(Materialise, Belgium)讀取CT文件，通過閾值調(diào)整處理，區(qū)分出牙釉質(zhì)、牙本質(zhì)和牙髓腔，計算生成下頜第一磨牙的牙體組織點云模型后導入Geomagic studio 11(Raindrop Geomagic, USA)。使用Geomagic軟件對生成的模型進行表面去噪，對缺損處以及根尖孔進行充填，并將其轉(zhuǎn)化為NURBS曲面，最后通過Unigraphics NX 8(UG Siemens， Germany)軟件中曲面縫合功能將曲面實體化，生成下頜第一磨牙三維實體模型。

1.2.2 不同修復方案的下頜第一磨牙修復體三維數(shù)字模型的建立 在建立的下頜第一磨牙三維數(shù)字模型基礎上，使用 Unigraphics NX 8軟件進行計算機輔助設計,共設計5 種修復形式：嵌體組，全冠組、纖維樁加強全冠組、水平髓腔固位冠組、斜向髓腔固位冠組(圖 1)。

圖 1 5 種修復形式的實體模型截面圖

材料彈性模量(GPa)泊松比牙釉質(zhì)84.10.30牙本質(zhì)18.60.31牙周膜0.068 90.45硬質(zhì)骨13.70.30松質(zhì)骨1.370.33牙 膠6.9×10-40.45全瓷冠68.90.30樹脂粘接劑8.30.35流動樹脂6.50.30

1.2.3 建立有限元分析模型 將上述各組三維實體模型導入ANSYS(Swanson Analysis,Houston,PA,USA)進行網(wǎng)格劃分，單元采用10 節(jié)點的四面體。將模型中各材料和組織假設為連續(xù)、均質(zhì)和各向同性的線彈性材料(牙骨質(zhì)和牙本質(zhì)彈性模量極為接近，并且牙骨質(zhì)較薄，故簡化為同一物質(zhì))，模型中相關(guān)的材料參數(shù)[7-8]如表 1。

1.3 加載條件與邊界條件

應力加載位于頰尖的舌斜面，施加載荷為正常人平均咬合力225 N，分別在 45°斜向和垂直方向進行加載。邊界條件設定為牙槽骨的頰舌面及底部完全固定[9]。

1.4 主要觀察指標

本研究以修復體以及牙體組織的等效應力(EQV應力)為應力觀察指標，記錄2 種加載方式下修復體和牙體組織的EQV應力分布以及EQV應力峰值。

2 結(jié) 果

2.1 不同修復形式有限元模型的建立

通過掃描離體牙，逆向工程建模、計算機輔助設計以及網(wǎng)格劃分建立了根管治療后5 種修復形式的有限元模型。各種修復方式模型粘接面的面積如表 2，全冠組以及纖維樁加強全冠組的粘接面積最大，而水平髓腔固位冠組、斜向髓腔固位冠組以及嵌體組粘接面積相差較小。

表 2 5 種修復體的粘接面積

2.2 垂直加載時的應力分布情況

垂直加載時的牙體組織EQV應力分布如圖 2，各實驗組應力均集中于牙體組織頸部。而對于修復體來說，嵌體組的EQV應力集中于嵌體的咬合面；2 種全冠修復組的EQV應力集中于冠頸部邊緣；而2 種髓腔固位冠組的應力集中于髓腔粘接面。

2.3 斜向加載時的應力分布情況

斜向加載時的修復體和牙體組織EQV應力分布如圖 3，牙體組織和修復體的EQV應力峰值均明顯高于垂直加載情況下的應力值。與垂直加載相似，斜向加載時2 種全冠組以及2 種髓腔固位冠組牙體組織的應力集中在牙體組織頸部；而與垂直加載不同，斜向加載時嵌體組牙體組織的應力集中在牙冠咬合面。而對于修復體來說，各組斜向加載時應力分布形式均與垂直加載時相似。

圖 2 垂直加載時修復體以及牙體組織EQV應力分布

圖 3 斜向加載時修復體以及牙體組織EQV應力分布

2.4 2 種加載后的EQV應力峰值

無論施加垂直還是斜向的載荷時，對于牙體組織來說，嵌體組的EQV應力峰值是所有實驗組中最大的，而2 種全冠修復組的EQV應力峰值較2 種髓腔固位冠高；而對于修復體來說，嵌體組的EQV應力峰值是所有實驗組中最小的，而2 種全冠修復組的EQV應力峰值較2 種髓腔固位冠低。而全冠組與纖維樁增強全冠組相比以及水平髓腔固位冠組與斜向髓腔固位冠組相比，修復體以及牙體組織的EQV應力峰值的大小均相差較小(表 3)。

表 3 牙體組織和修復體的應力峰值 (Mpa)

3 討 論

隨著根管治療技術(shù)的發(fā)展，大錐度根管預備器械在臨床應用越來越廣泛，而這類根管預備器械一般都要求直的根管通路，這就要求增大開髓孔以及髓腔預備，導致冠部牙體組織減少，所以目前根管治療后常規(guī)需要進行冠修復以增大牙冠部分的抗力[10]。隨著粘接技術(shù)的發(fā)展以及微創(chuàng)治療理念的提升，國內(nèi)外學者也嘗試使用髓腔固位冠來修復根管治療后的牙齒[11-14]，這種修復方式有利于保存剩余牙體組織，特別是與全冠相比保留了牙頸部牙釉質(zhì)，而全冠修復中牙體組織應力最大的位置就是牙頸部[15](圖 2～3)。所以髓腔固位冠不僅可以減少牙體預備量，更可以增加牙頸部抗力。

對于全冠組和纖維樁加強全冠組，無論是垂直加載還是斜向加載，其牙體組織應力峰值均較嵌體組低，這說明全冠修復可以降低冠折的可能性。而垂直加載時全冠組的牙體組織EQV應力峰值均較纖維樁加強全冠組大，而斜向加載時全冠組的牙體組織EQV應力峰值均較纖維樁加強全冠組小。所以，植入纖維樁可以加強修復體和牙體組織抵抗側(cè)向應力的能力，但并不能降低垂直向的應力。同時，全冠組與纖維樁加強全冠組EQV應力的分布及峰值均相差不大，這說明在沒有過薄牙壁的情況下，植入纖維樁并不能非常有效的降低修復體和牙體組織應力。所以，對于四周牙壁均存在，且具有一定厚度的Ⅰ類洞并不建議做預防性纖維樁植入。

本研究顯示無論垂直加載還是斜向加載，牙體組織應力最大的部分均為牙頸部。全冠修復需要去除部分頸部牙體組織，其中包含了強度最高的的釉質(zhì)，這會造成了頸部牙體組織抗力下降；而髓腔固位冠組保留了頸部牙體組織，對牙體組織頸部抗力無影響。因此，髓腔固位冠不僅EQV應力較全冠組小，牙體組織抗力也較全冠組高，所以髓腔固位冠較全冠更能發(fā)揮其保護牙體組織的作用。然而需要強調(diào)的是：本研究的對象是牙體組織缺損較小的Ⅰ類洞根管治療后各種修復形式生物力學的比較，而對于Ⅱ類洞等較大牙體組織缺損時修復形式的選擇并不適用，較大缺損后牙體組織修復形式的生物力學分析還有待于進一步研究。