聚醚醚酮用于樁核冠修復(fù)的三維有限元分析

于豪 白石柱 馮志宏 馮曉珂 于曉楠 鐘聲 趙銥民

樁核冠系統(tǒng)是根管治療后伴有大面積冠部缺損患牙的主要修復(fù)方式，其中根管樁材料一直是該領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。金屬和陶瓷這些高彈性模量的材料會(huì)對(duì)牙根產(chǎn)生不利的楔形效應(yīng)，進(jìn)而引發(fā)牙根折斷[1]；纖維樁彈性模量相對(duì)比較低，能減少這種不利影響，因此在臨床上應(yīng)用的越來越多[2]。然而，一些長(zhǎng)期的回顧性研究表明：纖維樁與金屬樁修復(fù)后的根折發(fā)生率相近，并且纖維樁導(dǎo)致根折的折斷模式并不如許多體外實(shí)驗(yàn)的結(jié)果那樣優(yōu)于金屬樁[3-4]。

理想的樁核修復(fù)材料要求在物理性能上與牙本質(zhì)接近，而現(xiàn)有的這三類根管樁材料彈性模量都是大于牙本質(zhì)的[5]。因此，聚醚醚酮(polyetheretherketone，PEEK)這種在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有許多潛在用途的聚合物進(jìn)入了學(xué)者們的研究范圍。無填料的PEEK材料彈性模量相對(duì)較小(3～4 GPa)，拉伸強(qiáng)度為80 MPa；但通過碳纖維加強(qiáng)的CFR-PEEK彈性模量可以達(dá)到18 GPa，拉伸強(qiáng)度達(dá)到120 MPa，與人類牙本質(zhì)的物理性能(彈性模量：18.6 GPa，拉伸強(qiáng)度：104 MPa)非常接近。在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，很多學(xué)者已將其視為重要的新型修復(fù)材料，應(yīng)用于固定、活動(dòng)和種植修復(fù)當(dāng)中[6]。那么，用彈性模量近乎等于或者小于牙本質(zhì)的PEEK材料做根管樁是否會(huì)有助于提高牙根及修復(fù)體的長(zhǎng)期生存率呢？目前為止，國(guó)內(nèi)外尚未有相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。因此，本研究擬利用三維有限元分析法，建立臨床常用的樁-核-冠修復(fù)模型，對(duì)比分析PEEK材料樁與傳統(tǒng)材料樁的生物力學(xué)特征，為其臨床應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 資料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與軟件

錐形束CT(北京朗視儀器公司)；DELL Precision M4800工作站(Windows 7系統(tǒng))(DELL公司，美國(guó));Mimics Research 20.0(Materialise 公司，比利時(shí))；Geomagic Studio 2014(Geomagic公司，美國(guó))；Ansys Workbench 17.0(ANSYS 公司，美國(guó))。

1.2 三維有限元模型的建立

經(jīng)第四軍醫(yī)大學(xué)口腔醫(yī)院倫理委員會(huì)核準(zhǔn)，本課題組提取1 名曾在本院拍攝過錐體束CT且牙頜完整的志愿者的CBCT數(shù)據(jù)。利用Mimics軟件和Geomagic Studio軟件建模。纖維樁參考已知文獻(xiàn)建模[5]，牙槽骨簡(jiǎn)化為圍繞在牙根周圍的立方體，邊長(zhǎng)為20 mm，表面為皮質(zhì)骨，厚2 mm，上緣位于釉牙骨質(zhì)界下2 mm，松質(zhì)骨位于皮質(zhì)骨內(nèi)[7]。設(shè)定各修復(fù)部件之間的粘接劑厚度均為0.1 mm，牙周膜厚度為0.2 mm[8]。最后將各部分的IGS文件導(dǎo)入Ansys Workbench 17.0軟件，得到最終的三維有限元模型(圖1)。

1.3 三維有限元模型的后處理

假定各部件均由各向同性、均質(zhì)連續(xù)的材料構(gòu)成[9]，依據(jù)文獻(xiàn)(表1)對(duì)各部件進(jìn)行材料屬性賦值，接觸面均為Bond接觸。對(duì)模型進(jìn)行全局和局部網(wǎng)格劃分，然后對(duì)劃分結(jié)果進(jìn)行網(wǎng)格敏感性分析和正交質(zhì)量檢測(cè)，最終模型被劃分為878 381 個(gè)節(jié)點(diǎn)，605 382 個(gè)單元，網(wǎng)格正交質(zhì)量約為0.85。將牙槽骨的底面設(shè)置為固定支撐，對(duì)牙冠的舌尖頰斜面進(jìn)行施加載荷，大小為105 N[10]，方向朝向腭側(cè)，與牙體長(zhǎng)軸呈45°。

圖1 三維有限元模型Fig 1 Three-dimensional finite element model

表1 材料的力學(xué)特性與參考來源Tab 1 Mechanical properties of the materials and references

1.4 主要應(yīng)力分析指標(biāo)

以樁材料屬性的不同分為四組：鈦樁組、纖維樁組、CFR-PEEK樁組、PEEK樁組。根據(jù)材料力學(xué)的相關(guān)知識(shí)，用最大主應(yīng)力(Maximum Principal Stress，MPS)評(píng)估各組牙根、根管樁、粘接劑、樹脂核所受應(yīng)力[14]；用ANSYS軟件自帶的Contact Tool來分析接觸界面所受應(yīng)力。

2 結(jié) 果

各組模型求解結(jié)果只記錄峰值。從鈦樁到PEEK樁，根管樁材料彈性模量逐漸減小。根管樁、根部粘接劑以及樁-粘接劑界面、樁-核界面的最大主應(yīng)力峰值也隨之減小，分布上越均勻(表2，圖2)；但是從核的受力大小可以看到，鈦樁對(duì)核的應(yīng)力最大，PEEK樁組核應(yīng)力比CFR-PEEK樁組大。分布上鈦樁和纖維樁組的樹脂核在與樁接觸的上1/3區(qū)域會(huì)產(chǎn)生較大應(yīng)力，而CFR-PEEK組和無填料PEEK組應(yīng)力集中很少，但是PEEK樁組會(huì)在與樁接觸的下1/3產(chǎn)生一定量的應(yīng)力集中(表2，圖2)。而牙根所受應(yīng)力隨樁材料彈性模量減小只有少量增大，差異不大且應(yīng)力分布類似(表2，圖2)。

3 討 論

粘接失敗是各種樁核冠修復(fù)系統(tǒng)最常出現(xiàn)的問題[15]，同時(shí)也是導(dǎo)致根折的最初誘因[1]。很多研究者采用推出實(shí)驗(yàn)或者拔出實(shí)驗(yàn)來對(duì)粘接界面進(jìn)行分析，但是實(shí)驗(yàn)結(jié)果受實(shí)驗(yàn)者操作誤差和樣本個(gè)體差異的影響較大[16]。三維有限元研究法可以避免這些誤差，它作為一種強(qiáng)大的三維仿真工程工具，只需建立一個(gè)模型，通過改變參數(shù)設(shè)置就可以對(duì)比不同材料的力學(xué)分布特征。本實(shí)驗(yàn)建立臨床常用的纖維樁-樹脂核-全冠的修復(fù)模型(圖1)。樁材料選擇方面：雖然成品金屬樁已經(jīng)被臨床所淘汰，但是有文獻(xiàn)表明，在10 年生存率上成品金屬樁和鑄造金屬樁并無顯著差異[15]，而且成品金屬樁和成品陶瓷樁修復(fù)后牙齒的抗折性也沒有太大差異[17]，因此本實(shí)驗(yàn)只選擇金屬鈦材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；CFR-PEEK是添加了30%碳纖維的PEEK，物理性能上優(yōu)于無填料的PEEK材料，已作為替代金屬植入物用于創(chuàng)傷外科和關(guān)節(jié)外科等[18]。為了避免不同粘接劑對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，除了根管樁材料屬性不同，本實(shí)驗(yàn)各組均采用同一種樹脂粘接劑作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。樹脂粘接劑的封閉性比傳統(tǒng)材料好，可以滲入牙本質(zhì)小管，粘接強(qiáng)度更高[4，19]，而且本實(shí)驗(yàn)?zāi)M的幾種樁材料均可以用樹脂粘接劑來粘接，符合臨床實(shí)際[5，17，20]。

表2 各部件及交界面的最大主應(yīng)力峰值 (MPa)Fig 2 Maximum principal stress peak value of components and interfaces (MPa)

圖2 應(yīng)力分布Fig 2 Stress distribution in dental post

影響樁核冠系統(tǒng)修復(fù)后牙齒折斷的最重要因素是剩余牙體組織的多少，根管樁材料的彈性模量不是關(guān)鍵因素[21-22]。本實(shí)驗(yàn)中雖然PEEK材料樁相較傳統(tǒng)材料樁增加了牙體組織的應(yīng)力，但是應(yīng)力增加水平并不顯著，且分布相差無幾。

樁-核-粘接劑-牙本質(zhì)復(fù)合體的穩(wěn)定決定了樁核冠修復(fù)的長(zhǎng)期效果，從實(shí)驗(yàn)和臨床表現(xiàn)上看樁-粘接劑界面比粘接劑-牙本質(zhì)界面更容易失敗[14，23]。除了本身材料粘接性能的原因外，與粘接界面的力學(xué)特征也有關(guān)系[8]，應(yīng)力值越小，分布越平均，則復(fù)合體越穩(wěn)定。高彈性模量的樁由于自身抗折性佳，受力后不易彎曲，會(huì)在交界面上產(chǎn)生較大應(yīng)力[24]。而低彈性模量的樁在樁-粘接劑界面的應(yīng)力就比較小，分布就更為均勻[5]。而核內(nèi)部應(yīng)力的增大意味著折裂的風(fēng)險(xiǎn)高，脫落的幾率大，因此本研究中，彈性模量最低的無填料PEEK樁進(jìn)行樁核冠修復(fù)是需要進(jìn)一步考量的；CFR-PEEK樁組的各方面結(jié)果則比較理想，可以有效降低樁、粘接劑及粘接界面的應(yīng)力水平(表2，圖2)。

PEEK材料在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究越來越多，Uhrenbacher等[20]發(fā)現(xiàn)PEEK材料采用合適的表面處理以及適宜的粘接劑，可以與牙本質(zhì)獲得良好的粘接。除此之外，該材料在37～95 ℃的水環(huán)境下進(jìn)行5 000 h的循環(huán)壓縮疲勞實(shí)驗(yàn)后，其壓縮模量、壓縮強(qiáng)度、泊松比均不會(huì)有顯著變化[18]。這些特性意味著PEEK材料在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域還有很廣闊的應(yīng)用前景。本實(shí)驗(yàn)利用有限元方法對(duì)該材料在樁核冠中的應(yīng)用進(jìn)行了研究評(píng)價(jià)，結(jié)果顯示其較傳統(tǒng)修復(fù)材料有一定優(yōu)勢(shì)，然而要真正付諸于臨床還需要更多完善細(xì)致和長(zhǎng)期的研究。

4 結(jié) 論

根據(jù)現(xiàn)有研究數(shù)據(jù)，并結(jié)合其他文獻(xiàn)報(bào)道，本實(shí)驗(yàn)可以得出以下結(jié)論：①根管樁材料的選擇上要以接近牙本質(zhì)為宜，彈性模量過大或過小都會(huì)導(dǎo)致不同部位的應(yīng)力集中，不利于樁核冠系統(tǒng)整體的穩(wěn)定。②與牙本質(zhì)彈性模量接近的CFR-PEEK材料做根管樁可以有效降低樁、粘接劑及粘接界面的應(yīng)力水平，有助于減少修復(fù)體應(yīng)力疲勞和脫粘接現(xiàn)象。