不同切端設計的上頜中切牙瓷貼面三維有限元應力分析

汪德州，姜雅萍，王歡歡，李 慧*，宋文植*

(1.吉林大學中日聯(lián)誼院 口腔科，吉林 長春130033;2.青島醫(yī)學院附屬口腔醫(yī)學中心)

全瓷貼面是一種新型微創(chuàng)修復方法，不同于傳統(tǒng)的金屬烤瓷冠和全瓷冠，它采取不磨牙或僅磨除唇側(cè)或切端少量牙體組織的方式，將瓷貼面修復體通過粘接材料覆蓋于患牙表面，以恢復患牙美觀及功能[1]，具有牙髓刺激小、美學效果卓越、生物相容性好等優(yōu)點，已成為義齒美學的首選修復方式和研究熱點[2,3]。

但牙體設計預備對瓷貼面修復效果和成功率的影響一直存在爭議，其中牙體切端設計一直是研究和爭論熱點[4，5]。目前爭論主要集中在切端預備與否、切端預備后為斜面鈍接型或舌側(cè)包繞型對修復體強度和成功率的影響上。故本實驗選用臨床最常用的淺凹形頸部設計，采用三維有限元法分析不同切端設計對瓷貼面復合體應力分布的影響，以期為瓷貼面美學修復的臨床應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

參照王惠蕓統(tǒng)計的中國人牙體測量平均值標準[6]，選用形態(tài)正常、無明顯磨耗的成人上頜離體中切牙標本一顆。

日本東芝公司AQUILI ONE 320排動態(tài)容積CT機；美國MSC公司 NASTRAN、PATRAN有限元分析軟件。

1.2 方法

1.2.1切端不同的上頜中切牙瓷貼面設計 瓷貼面頸部采用臨床最普遍的淺凹型設計，厚0.5 mm，根據(jù)切端設計不同分四種類型 ：A．開窗型：唇面形似開窗，切緣余留少量牙釉質(zhì)，切緣及近遠中釉質(zhì)邊緣形成淺凹形肩臺；B.切緣對接型：唇側(cè)磨除部分切端釉質(zhì)，粘接后瓷貼面與剩余釉質(zhì)共同組成切緣；C.切緣斜面型：切緣高度降低2 mm，切緣完全由貼面瓷層組成，但不包繞切端腭側(cè)；D.切緣包繞型：切緣磨除2 mm，包繞切緣至腭側(cè)1 mm，邊緣淺凹形肩臺(圖1)。

A：開窗型B：切緣對接型C：切緣斜面型D：切緣包繞型

1.2.2有限元模型的建立和實驗條件假設 使掃描平面與牙體長軸垂直，以0.1 mm層厚掃描上頜中切牙，計算機上應用MSC/PATRAN軟件生成相應坐標網(wǎng)格,依次輸入上頜中切牙及瓷貼面復合體各部分邊界信息,經(jīng)邊界平滑處理、坐標轉(zhuǎn)換完成圖像數(shù)字化,劃分有限元單元和結(jié)點,均采用四面體單元完成切端不同設計的上頜中切牙瓷貼面修復體三維有限元模型(表1，圖2)。

表1 不同設計三維有限元模型單元總數(shù)和節(jié)點總數(shù)

假設瓷貼面復合體各部分間無相對滑動，材料均為連續(xù)均質(zhì)的線彈性材料，材料為各向同性,變形為小變形，牙周膜處行剛性約束。力學參數(shù)見表2。

表2 材料力學性能參數(shù)

加載條件：載荷100N，切緣頂端正中加載，方向：(1)腭唇向與牙體長軸成60°加載；(2)平行牙體長軸加載。

2 結(jié)果

不同加載條件下不同切端設計的瓷貼面復合體應力峰值及應力分布見表3及圖3—10。斜向加載時瓷貼面復合體各部分等效應力值明顯大于平行加載，應力集中區(qū)多出現(xiàn)在加載點附近及頸緣。斜向加載瓷貼面本身應力峰值大小為包繞型>斜面型>開窗型>對接型；粘結(jié)層和基牙應力峰值大小為開窗型>對接型>斜面型>包繞型。

表3 不同加載條件下切緣設計不同的瓷貼面復合體 Von Mises值(MPa)

A.瓷貼面；B.粘接層；C.基牙

A.瓷貼面；B.粘接層；C.基牙

A.瓷貼面；B.粘接層；C.基牙

A.瓷貼面；B.粘接層；C.基牙

A.瓷貼面；B.粘接層；C.基牙

A.瓷貼面；B.粘接層；C.基牙

A.瓷貼面；B.粘接層；C.基牙

A.瓷貼面；B.粘接層；C.基牙

3 討論

3.1 瓷貼面復合體受力與加載方向的關(guān)系

從實驗結(jié)果可知60°斜向加載時瓷貼面復合體各部分應力最大值明顯高于平行加載。早期Troedson M[9]等分析結(jié)果證明應力峰值隨著加載方向與牙體長軸所成角度的增加而增加，此時除了加載點，應力集中區(qū)還出現(xiàn)在瓷貼面復合體頸部粘接層內(nèi)，說明斜向載荷對瓷貼面復合體的破壞性較大，導致粘接層破壞的力隨受力角度增大而增加。

3.2 瓷貼面復合體受力情況

與瓷貼面復合體承受外力方式及應力傳導方式有關(guān)。首先瓷貼面本身受力，切端高度不降低的開窗型和對接型在斜向加載時應力峰值較小，磨除部分切端的斜面型和包繞型應力峰值較大。是因為在開窗型和對接型中，外力載荷首先作用于切端部分保留的牙釉質(zhì)上，而斜面型和包繞型則直接作用于瓷貼面切端，瓷貼面內(nèi)部直接承受較大應力。與之相反，在粘接層和基牙牙體中，開窗型和對接型粘接層和基牙牙體受力明顯大于斜面型和包繞型，斜向力加載時開窗型粘接層應力峰值分別是斜面型和包繞型的2.10倍、2.88倍，基牙牙體應力峰值均為斜面型和包繞型的4.11倍。

有趣的是，同樣不降低切端高度的對接型，無論是瓷貼面本身還是粘接層和基牙，各部分的應力峰值均小于開窗型,這可能是不同的應力傳遞方式?jīng)Q定的。開窗型設計中，載荷力經(jīng)高彈性模量的切端牙釉質(zhì)傳導至瓷貼面和粘接層，雖然可使瓷貼面本身應力峰值有所下降，但牙體組織因直接承受外力導致形變增加，使基牙本身和粘接層受到較大的破壞性應力，而在對接型瓷貼面設計中，外加載荷直接由牙釉質(zhì)和瓷貼面切端共同承擔，相應地基牙和粘接層形變較小，應力分布比較均勻。

在斜面型和包繞型中，粘接層和基牙應力峰值均較低。這是因為切端的斜面形和包繞形設計增大了瓷貼面與基牙的粘接面積，使單位面積上承受的的破壞性應力減小。同時切端預備改變了應力傳遞方式，斜面形切端設計和包繞形切端設計分別為瓷貼面提供了垂直向停止作用和唇向停止作用，不僅有助于臨床精確就位和固位，而且減小了粘接層內(nèi)所受的垂直和水平向破壞性應力，使粘接層和基牙應力分布更加均勻。臨床上瓷貼面的失敗多由于瓷材料的破裂或貼面松動脫落，因此臨床選擇病例要嚴格，設計和使用時均應注意增加應力集中區(qū)瓷層厚度和強度，增加粘結(jié)面積，引導應力沿牙體長軸傳導。