三維有限元分析全瓷嵌體修復的研究現狀

于佳欣，胡偉平

(哈爾濱醫科大學附屬第二醫院口腔修復科，哈爾濱150000)

近年來，隨著人們對美觀要求的不斷提高，口腔修復材料和臨床修復技術也得到了飛速發展，秉著微創、循序漸進原則，口腔修復方式已逐漸嵌體化[1-2]。在盡量保留牙體組織的情況下，減少嵌體修復后牙體及嵌體發生折斷和脫落的概率逐漸成為臨床及相關研究的探討課題[3]。有限元分析法是將物體受力情況與軟件模擬結合起來的方法，且不受所分析結構狀態和性質的限制，建立模擬形態后，可通過調節加載用力來模擬物體受力情況，其準確性和觀測性優于其他傳統應力測量方法。現就嵌體材料、洞型設計、黏合劑等方面對全瓷嵌體修復三維有限元分析的研究現狀予以綜述，以期為臨床更恰當地保留剩余牙體組織、增加患牙使用壽命提供循證醫學依據。

1 三維有限元法

三維有限元法是一種用于解決邊界值問題的數字技術，可將連續彈性體重以各部分間節點為界分割為多個有限部分，通過調整每部分的參數、受力和邊界條件，整合得到整體近似值，適用于對邊界、形狀不規則對象的分析，如口腔修復學的應力分析，是一種高效的現代分析方法[4]。通過建立嵌體修復牙體的三維有限元模型分析其范式等效應力(Von Mises Stress)值，模型內部的應力分布情況可用應力等值線表示，等值線可準確反映設定條件下整個模型的變化，從而發現模型中最易發生危險的區域，即嵌體或牙體組織的應力集中區，由此判斷其有無永久變形或破損。

2 全瓷嵌體應力分布的三維有限元分析

全瓷嵌體應力分布的三維有限元分析是將 Micro-CT 掃描的完整離體牙圖像以Dicom格式導出后輸入Mimics軟件中精修，并在此基礎上構建不同尺寸的嵌體模型，隨后應用ANSYS軟件劃分網格建立三維有限元模型，設置邊界條件進行模擬實驗，分析模型在不同角度受力時的應力分布情況。現對影響全瓷嵌體應力分布的關鍵因素進行分析。

2.1洞型設計對應力分布影響的三維有限元分析 嵌體修復的成功在很大程度上取決于嵌體的洞型設計，恰當的洞型可以在保證嵌體及牙體抗折力、固位力的前提下合理利用剩余牙體組織，進而延長患牙的使用壽命。在力作用下，嵌體產生其特有的楔效應，并在嵌體試戴和黏接時達到最大，可降低35%的牙體結構強度[3]。窩洞越深，軸壁聚合度越大，楔效應越明顯，應力值越高，牙體折裂的可能性越大。

在軸向受力中，壓應力占比最大，張應力通常出現在寬而深的窩洞髓壁上是全瓷嵌體修復后牙體的特有應力分布特點。對于一些有少量未破壞邊緣嵴的嵌體洞型，全瓷嵌體產生的張應力有所減小，但對MOD嵌體來說，其軸髓線角、鳩尾峽及牙頸部均易產生集中的高應力，造成剩余牙體組織折裂的可能性較大。此外，陶瓷材料脆性較大、無屈服階段、對壓應力的抵抗較拉應力強，故承受相同力時，較樹脂材料更易產生應力集中，但達到強度極限時便會引起牙體斷裂，因此，全瓷嵌體在承受較大咀嚼壓力時有崩裂的風險。梅蕾等[5]對比樹脂和陶瓷后牙嵌體模型的研究發現，對模型分別施加垂直及45°方向300 N的載荷后，嵌體修復后牙體組織的應力主要集中在釉牙本質界和頰、舌尖處；當窩洞寬而淺時，使用彈性模量較高的材料(如陶瓷)對薄弱牙尖有保護作用；而窩洞深且洞底較為薄弱時，應使用與牙體彈性模量相近的材料(如樹脂)進行修復，可適當改善洞底部的應力集中。Guven等[6]對直角軸髓線角及圓鈍軸髓線角有限元模型的分析認為，行全瓷嵌體修復時，軸髓線角圓鈍洞型的圓角可增強應力分布，降低牙體的應力值。張瓏等[7]運用三維有限元法分析全瓷嵌體修復后的Ⅱ類洞型發現，嵌體與齦壁的接觸部分是嵌體應力集中區，而髓壁是牙體的薄弱部位。胡楊等[8]建立不同深度MOD全瓷嵌體三維有限元模型的研究發現，嵌體與牙體交界處存在應力集中，隨著窩洞深度的增加，應力分布面積增大，并逐漸由髓室頂向根頸1/3處延伸，由此可見，洞型越深牙體組織折裂的風險越大。

制備全瓷嵌體洞型時，采用擴展或保守的制備方式目前仍存在較大爭議。一般認為，為保證牙體對嵌體的足夠剛性約束力，嵌體需有至少2 mm的厚度才能滿足其臨床要求[9]。但隨著嵌體厚度的增加，牙體組織的應力水平也增加，牙體發生折裂的可能性也隨著升高，故應在保證固位力以及強度的情況下，結合剩余牙體情況確定嵌體厚度，即采用最精練的方式行牙體預備，以增強牙體的抗力性。Ona等[10]運用三維有限元法對采用不同厚度(1、2、3 mm)和寬度(1.5～5.0 mm)MOD全瓷嵌體進行修復的上頜第一前磨牙模型進行分析發現，厚度為1 mm 嵌體的應力值較厚度為2 mm和3 mm嵌體的應力值大，表明適當增加嵌體厚度可改善應力集中；而嵌體寬度則與接觸面產生的拉應力、剪切力以及嵌體折裂和脫落的概率成反比。另有研究認為，嵌體寬度對牙本質應力分布的影響不大，主張因勢就形的牙體預備[11]。

在臨床實踐中，不能一味追求嵌體的厚度而忽略牙體組織的具體情況，田力麗等[12]通過三維有限元法建立下頜第一磨牙DO全瓷嵌體模型的研究發現，在髓室壁未破壞情況下，牙體預備應至少保留1 mm 的頰、舌側壁。侯波[13]對其建立的下頜第一磨牙MOD全瓷嵌體模型的應力分布的分析發現，力量垂直加載時，應力主要集中在洞型底部；而力量舌向45°加載時，頰側受力變大。日常咀嚼運動中，力并非呈持續軸向，側向力可持續影響整個牙體結構(包括嵌體強度逐漸降低)，增加了發生牙體損傷和斷裂的可能。

目前，尚無無限接近牙本質的應力緩沖能力的材料。殘留牙本質對牙齒壽命的影響遠遠大于修復體的作用，因此，在修復設計中應盡可能保留牙體組織[14]。目前仍無明確的可兼顧固位形與抗力形的全瓷嵌體洞型預備標準，軸壁剩余牙體組織較薄高嵌體軸壁的臨界厚度以及牙體組織或嵌體折斷時嵌體高度的臨界值仍有待進一步探索。

2.2全瓷高嵌體應力分布的三維有限元分析 隨著嵌體材料的發展，高嵌體的種類逐漸增多，如只覆蓋面不包括軸壁的經典onlay、包括部分軸壁的overlay 以及髓腔固位高嵌體等[15]。與普通嵌體inlay相比，onlay可將整個面包含在內，故可修復需要恢復咬合關系或者面缺損較大的患牙。如余留牙體組織較少的MOD洞型，采用inlay修復后承受咬合力時易對牙體產生較大應力導致折裂，而高嵌體可較好地分解垂直力，削弱楔效應。魏寧等[16]對不同厚度全瓷高嵌體修復的有限元模型施加載荷后發現，高嵌體可顯著減少余留牙壁的應力集中，甚至對缺損范圍較大(軸壁厚2.5 mm)的模型的Von-Mises應力峰值、最大主應力峰值均呈相對較小的狀態。因此，當牙體剩余軸壁厚度較薄時，可適當降低軸壁高度，利用高嵌體修復的方法使其獲得更好的抗力；當牙冠缺損面積較大時，可考慮利用髓腔深度增強其固位。

2.3髓腔固位對全瓷嵌體抗力影響的三維有限元分析 在制備嵌體洞型時，當軸壁厚度不足時，常利用髓腔深度增強牙體抗折力，以增強嵌體固位力，但增加髓腔固位需要進一步去除少量牙體組織，以修正倒凹及保持穩定，同時也削弱了部分牙體組織的抗折性，若未精確掌握牙體組織的去除量，則難以兼顧嵌體的固位形與抗力形。Hayes等[17]對髓腔深度分別為2 mm、3 mm和4 mm的全瓷嵌體進行應力分析發現，2 mm組和4 mm組的抗斷裂應力最高，其中3 mm組與2 mm組的抗斷裂應力相似，2 mm組50%的嵌體發生不可恢復的根折，而4 mm組幾乎為冠折。郭靖[18]對不同厚度髓室壁、髓室底全瓷髓腔固位冠的有限元模型施加垂直及斜向載荷的研究發現，隨著髓室壁厚度的增加，剩余牙體的軸向及斜向最大應力值均呈減小趨勢，而髓室底厚度的變化對牙體抗力的影響不大，因此，適當保留髓室壁牙體組織不僅可以增加修復后牙體的抗力，還可增加全瓷嵌體的黏接面積，有利于修復體的固位及抗力。

2.4墊底材料對全瓷嵌體應力分布影響的三維有限元分析 一定厚度的墊底材料對全瓷嵌體具有應力緩沖作用。馮娟等[19]對不同墊底厚度的全瓷嵌體修復的有限元模型分別采用軸向和斜向45°加載的研究發現，當無墊底材料時，從瓷嵌體直接傳遞到髓室底邊緣的應力值為最大；隨著墊底厚度的增加，最大應力區會逐漸向墊底材料與嵌體的臨界區靠近，力的傳導也隨之終止，髓室底的軸向、斜向應力均逐漸減小，黏接層的剪切應力逐漸增加。因此，應用全瓷嵌體修復經根管治療的后牙時，較薄的墊底厚度有利于提高嵌體及余留牙體組織的抗力。

對于不同種類的墊底材料，張丹等[20]對不同厚度玻璃離子、復合體、樹脂墊底的全瓷嵌體修復模型進行三維有限元分析發現，當墊底材料彈性模量較低時，其厚度變化對嵌體應力的影響較大；反之，若墊底材料彈性模量高，則其厚度變化對嵌體應力的影響較小。臨床應用全瓷嵌體修復洞底余留牙本質較少的大窩洞時，建議采用彈性模量盡可能低的墊底材料；而對于窩洞較淺的小缺損，與牙本質彈性模量接近的墊底材料更有優勢[21]。

2.5黏接層應力分布的三維有限元分析 現代黏接技術的發展被認為是“沉默的革命”[22]。黏接材料黏接力對嵌體機械固位起重要作用，嵌體與牙體組織間黏接層的固位力是修復成功與否的重要原因之一[23]。全瓷嵌體黏接層的作用不可忽視，良好的黏合劑不僅能增強嵌體的固位力，緊密連接嵌體和基牙(牙本質黏接強度為15 000～20 000 kPa，牙釉質黏接強度為20 000～30 000 kPa[24])，還可有效緩沖力，提高修復后牙體、嵌體的承受能力，減小牙尖的撓曲效應，達到改變應力分布、提高修復剛性的目的[25-26]。

樹脂黏合劑具有黏接性能和邊緣封閉性佳、顏色及透明度的選擇范圍廣、與牙本質匹配性較高、且特有的雙固化模式可使醫生的操作時間有所延長等優點，已成為黏接透明性較佳的全瓷嵌體的首選[27-28]。程輝等[29]對比10例應用variolinkⅡ黏接的Ⅱ類洞型超瓷嵌體樣本的研究發現，超瓷嵌體的收縮量較小，其樹脂黏合劑厚度較薄，故光照聚合收縮度也相應減小，因此，超瓷嵌體發生微滲漏的概率和程度較復合樹脂嵌體小。

除材料種類外，嵌體的微滲漏還與材料密合度、表面粗糙度、預處理、黏結方法和黏合劑種類等有關。李冰等[30]認為，彈性模量較低的樹脂黏合劑具有應力緩沖作用，可對黏接層起到保護作用。胡楊等[8]比較vario-link和3M RelyX Unicem樹脂黏合劑的三維有限元模型的研究認為，vario-link和3M RelyX Unicem樹脂黏合劑均適用于全瓷嵌體的黏接，其中，vario-link黏合劑的黏接強度更有優勢，在黏接界面和牙根處應力分布較大。樹脂黏合劑的黏接性能很強，但其彈性模量通常較小，影響應力的傳遞，其抗破壞強度也低于其他材料，樹脂黏合劑的聚合情況可能導致黏接界面應力分布不均，故易在循環咀嚼應力條件下破壞[31-32]。黏合劑的成分、修復體材料和牙體黏接面的情況以及黏接技術均可對黏接強度產生影響，因此，臨床黏合劑的選擇需結合洞型以及剩余牙體組織條件(如冠根比、牙周狀況等)多種條件綜合考慮。

目前對全瓷嵌體的應力分析大多忽略了黏接層。王疆[33]應用Micro-CT掃描全瓷嵌體黏接修復的牙體影像發現，黏接層的厚度和密度不均，圖像灰度值接近釉質，不易區別，因此認為建立黏接層整體的三維模型尚有難度，對于樹脂黏合劑對全瓷嵌體應力分布的影響還有待進一步研究。鄭心怡等[34]突破傳統建模方式，對包括0.1 mm厚度黏接層在內的MOD全瓷嵌體三維有限元模型進行應力分析發現，拉應力、壓應力的峰值為27 730～13 130 kPa，且均位于遠中邊緣嵴處的黏合劑層。目前，關于黏接層的建模尚有一定難度，但黏合劑及黏接面的研究對全瓷嵌體修復牙體后應力分布的影響不可忽略，若建立包含黏接層在內的精準細致的模型，將為應力分析提供較為滿意的研究模型。

3 小 結

目前，三維有限元分析已廣泛應用于口腔醫學的臨床和基礎研究，可在很大程度上優化牙體組織應力分析，由于不同個體牙頜組織的生物力學性能存在差異，故其建模呈現多樣性。三維有限元分析方法需要建立在理論數據基礎上，由于模擬過程中設定的參數與實際情況存在誤差，且牙體并非是各向同性的均質性力學體，故不能根據模型完全分析牙體的各部分，若忽略此個體差異將影響實驗結果的客觀性。為了提高三維有限元分析所得數據的準確度，除細化建模過程外，還應盡量擬合各種材料特性，以保證實驗數據的真實性和準確性。