基臺角度對種植體周圍骨組織應力分布的影響

馬新揚,王 方,唐成芳,左艷萍,王丹楊,崔曉明

(1西安醫學院口腔醫學院,西安 710032;2西安交通大學口腔醫學院;*通訊作者,E-mail:maxinyang1984@126.com)

種植義齒因其外形與使用舒適度與天然牙接近已得到推廣使用[1]。理想的種植體長軸應與修復后的牙冠長軸相平行,然而在臨床修復過程中,由于拔牙后牙槽骨的吸收導致種植體植入區骨量不足、鄰牙的位置及其牙根的走向要求種植體避開相鄰重要解剖結構(下頜管、上頜竇),種植體無法按照理想位置植入,角度基臺可結合患者現有骨組織條件植入,避免骨移植或骨移植后術區感染給患者帶來的創傷,減輕了患者的痛苦,縮短了修復周期,然而,角度基臺與直基臺有所不同,它改變了咬合力的傳導,使咬合力在種植體周圍骨組織內的分布與大小發生了改變,對種植體周圍骨組織的分化與改建產生一定的影響[2],因此,角度基臺的使用在臨床上受到一定的限制。如何合理使用角度基臺,促進種植體與周圍牙槽骨形成良好的骨結合,是需要研究和探索的一個課題。本研究通過建立不同角度基臺種植體與骨組織結構有限元模型,分析咬合力作用下,種植體周圍牙槽骨應力分布的變化,為臨床種植修復過程中合理使用角度基臺提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料及設備

1.1.1 實驗設備及軟件 牙科錐形束計算機掃描成像技術(cone beam computed tomography, CBCT),德國Sirona公司;圖像處理軟件Mimics 15.0,比利時Materialise公司;UG NX10.0軟件,德國Unigraphics Solutions公司;逆向工程軟件Geomagic Studio 10.0,美國Raindrop公司;有限元分析軟件ABAQUS 6.13,美國Simulia Corp公司。

1.1.2 實驗取材 對即將進行種植修復的患者進行三維錐形束斷層掃描(CBCT),獲得其種植區域骨組織影像學數據。

1.2 方法

1.2.1 角度基臺種植體與骨組織三維實體模型的建立 將掃描后患者下頜骨影像學數據以DICOM格式文件儲存并導入Mimics 15.0軟件中,應用Caculate3D命令重建骨組織三維形態。對骨組織表面形態進行光滑處理,以STL格式文件導入Geomagic Studio 10.0逆向工程軟件軟件,修整模型表面不平整區域,將模型轉化為非均勻有理B樣曲面結構,以.iges格式導入UGNX10.0軟件中[3]。對骨組織表面進行縫合,使殼體模型轉化為實體模型。對模型進行裁剪,保留種植區域20 mm骨組織結構,選取種植體骨組織表面2 mm為皮質骨區域,并通過裝配將皮質骨與松質骨組裝為一體。

在UGNX10.0軟件中構建角度基臺種植體結構,繪制種植體與和角度基臺的二維草圖,利用旋轉、掃略、形成種植體結構,縫合后形成實體模型,種植體規格為長度8 mm,直徑為4 mm,螺紋深度為0.6 mm,螺紋間隔0.5 mm,角度基臺高度為4 mm,基臺長軸與種植體長軸分別呈15°,25°,35°,分別裝配種植體與角度基臺,將種植體置于骨組織種植區域,使用布爾運算的減法命令去除骨組織與種植體重合區域后,得到備洞后的骨組織結構,并以.prt格式保存,用于后續實驗有限元模型的建立。

1.2.2 角度基臺種植體與骨組織三維有限元模型的建立 將骨組織與種植體模型導入Abaqus6.13有限元分析軟件中,在Part模塊中將各部件設置為獨立結構,定義模型為各向同性的均質材料,材料參數見表1。裝配模型,將種植體嵌入骨組織內,使種植體螺紋與骨組織完全密合,角度基臺位于種植體正上方。定義模型的接觸關系和邊界條件,種植體表面與骨組織接觸面見圖1,接觸關系定義為tie,將種植體與角度基臺使用merge命令連接在一起,同時限定模型兩側的骨組織3個方向的位移限定為零(見圖2)。采用網格單元為C3D10m四面體單元對各實體部件進行網格劃分[4],最終獲得模型單元數為124 531,節點數為41 765(見圖3)。在角度基臺表面施加100,200 N的咬合力,建立分析步后提交模型分析。

圖2 定義骨組織邊界條件

圖3 角度基臺種植體與骨組織網格劃分后模型

1.2.3 咬合力作用下角度基臺種植體周圍骨組織的應力分析 在所建有限元模型的基礎上,給角度基臺表面分別施加100,200 N咬合力,分析基臺角度的改變以及咬合力的大小對種植體周圍骨組織應力分布的影響。

2 結果

2.1 不同角度基臺周圍骨組織應力分布

在咬合力作用下,基臺角度的改變對種植體周圍骨組織的應力分布產生一定影響。基臺角度為15°和25°時,種植體頸部皮質骨應力分布均勻(見圖4),無明顯的應力集中區域,在傾斜側的松質骨結合界面,兩組出現局部應力集中(見圖5)。隨著基臺角度的增大到35°,應力集中區域面積增大(見圖4)。

15°組與25°組種植體頸部皮質骨無應力值明顯高于周圍組織的紅色應力集中區域;而35°組出現明顯的紅色應力集中區,與頸部其余部位相比,應力分布不均勻

15°組與25°組在角度基臺傾斜對側有較小面積顏色較深的局部應力集中區域;35°組應力集中面積擴大

2.2 咬合力大小對種植體周圍骨組織應力分布的影響

在咬合力作用下,骨組織的高應力區主要分布在種植體皮質骨周圍和傾斜側骨結合區域松質骨。咬合力為100 N時,種植體傾斜側皮質骨應力均值增高(見圖6)。在傾斜側種植體結合界面螺紋處的松質骨區域,壓應力明顯大于非傾斜側松質骨,結合界面松質骨的應力大小隨著基臺角度的增加而增大(見圖6)。隨著咬合力的增加,三組角度基臺應力均值增加(見圖7),咬合力為100 N時,骨組織內應力值雖然隨著基臺角度增加而增大,但是增大幅度不明顯。當咬合力增大至200 N時,35°基臺種植體傾斜側皮質骨和松質骨應力集中區域面積迅速擴大,應力值明顯增高(見圖7)。

圖6 咬合力100 N時皮質骨和松質骨應力大小與基臺角度關系

圖7 咬合力200 N時皮質骨和松質骨應力大小與基臺角度的關系

3 討論

種植體與周圍骨組織形成的骨結合是影響種植體成功與否的關鍵因素[5],而骨周圍力學環境(應力、應變)對骨結合產生重要作用,角度基臺的使用改變了咬合力的傳播方向以及骨組織應力的分布,更容易造成應力集中而導致種植體周圍骨組織吸收[6,7]。本研究通過建立不同角度基臺種植體修復的三維有限元模型,分析研究咬合力作用下,基臺角度的改變對種植體周圍牙槽骨應力分布的影響,為臨床種植修復過程中合理使用角度基臺提供理論依據。研究結果發現,在咬合力作用下,種植體頸部傾斜側皮質出現不同程度的應力集中,應力集中隨著基臺角度的增大而增加。隨著咬合力的增大,基臺角度增大使得種植體傾斜側皮質骨應力快速增加,研究結果表明,種植體周圍骨組織的應力分布大小與基臺角度相關,基臺角度的改變會造成傾斜側種植體周圍皮質骨及結合界面松質骨應力增大,長時間的應力集中最終可能導致骨組織的吸收。提示臨床醫生:在進行角度基臺種植修復時,應關注患者的皮質骨厚度及評估患者種植區骨量,避免使用過大角度的基臺,必要時應降低患者的咬合力以促進形成骨結合。

為了建立骨組織結構的三維有限元模型,本研究選用即將種植修復的病例下頜骨組織的CT影像學數據作為建模依據,獲得微結構清晰完整骨組織二維圖像數據,在Mimics 15.0軟件中調整閾值,應用Caculate3D命令重建骨組織三維形態。使用Geomagic Studio 10.0設置骨組織結構模型輪廓線,將模型輪廓線擬合后形成連續的NURBS曲面。將模型數據以IGES格式文件輸出后導入UGNX10.0軟件中,縫合曲面得到骨組織微觀結構實體模型,同時建立種植體與角度基臺模型,裝配種植體與骨組織模型,使骨組織模型與種植體中軸線相吻合并進行模型相減,得到備洞后的骨組織微觀模型。這一過程使模型在幾何形態上盡可能地與原始骨組織的實際情況保持一致,保證了模型的結構相似性,使計算結果更加可信。

種植體植入后與周圍組織形成骨結合,承擔咬合力的分散與傳播[8]。在一定的咬合力作用下,有利于骨結合的形成和種植體的穩定[9],然而當種植體承受不利的咬合力時,可能導致骨組織的吸收和種植體的松動[10]。研究發現,給基臺表面施加100 N咬合力時,隨著加基臺角度的改變,種植體周圍骨組織的應力分布有所不同,高應力區域隨著基臺角度的增大而緩慢增加,其中,15°與25°時應力值增加不明顯,35°時基臺應力均值增加較為明顯;當咬合力調整為200 N時,傾斜側皮質骨區域應力均值增加,35°時皮質骨與松質骨應力均值明顯大于25°時。研究結果表明,基臺角度在15°和25°時,咬合力大小對骨組織應力的分布尚未造成明顯的變化。當基臺角度較大時,傾斜側骨組織在承受咬合力時,應力峰值較大,同時受到壓縮應力和剪切應力,長時間的應力集中不利于骨組織形成骨結合,最終可能會造成種植體周圍皮質骨與骨結合界面松質骨的吸收,提示臨床醫生在進行角度基臺種植修復時應關注患者種植區域皮質骨的質量,根據實際情況選擇合適的基臺以確保種植體的穩定性,避免使用角度過大的基臺而影響種植體與骨組織的結合。