種植修復中開孔方案的優化探究

周慧霞,何立星,賈相斌,孟兆理,賀龍龍,常曉峰,張威震,杜良智*

(1西安交通大學口腔醫院種植科,西安 710004;2中國原子能科學研究院;*通訊作者,E-mail:xmudlz@mail.xjtu.edu.cn)

種植修復采用黏接固位和螺絲固位方式都取得了較高的成功率,系統性綜述顯示種植體支持式單冠采用黏接固位和螺絲固位時,修復體5年成功率無明顯統計學差異,但黏接固位略高于螺絲固位[1,2]。螺絲固位和黏接固位在臨床應用方面各有優缺點,前者對咬合空間要求低、后期拆卸及維護方便,但被動就位差、技工成本高;后者操作簡單、對種植體植入方向包容性強、容易獲得被動就位、美觀性及咬合功能更好,然而冠邊緣殘留的黏接劑會損害種植體周圍的軟硬組織已經在大量文獻中得到證實[3-5],引起了臨床醫生的廣泛關注,并且后期拆卸困難也是使用黏接固位時不得不考慮的問題[4]。也有調研顯示:多數醫生在臨床工作中更偏向于使用黏接固位[6]。因此對黏接固位方式進行改良,以減少黏接劑殘留、方便后期拆卸的研究是十分有價值的。

黏接劑的應用位置及量也會影響黏接劑在牙冠內外的分布狀況,但體外或臨床實驗往往會受諸多混雜因素影響,尤其難以對黏接劑應用量進行控制。目前體外或臨床實驗多聚焦于牙冠外部黏接劑溢出情況,而對牙冠內部黏接劑充盈缺乏認識。CFD提供了一種經濟、環保、動態、可視化的研究牙冠就位過程中黏接劑流動模式的手段。Wadhwani等[10]證實了CFD方法在研究黏接劑流動模式方面的可靠性,認為CFD方法可能會成為未來研究黏接固位系統的金標準。

1 材料與方法

1.1 計算流體力學

1.1.1 模型建立及網格劃分 使用SolidWorks 2012建立基臺及牙冠模型,基臺尺寸(見圖1)參考Semodos種植系統的成品Sub-Tec黏接基臺[11](Bego公司,德國),黏接劑間隙為50 μm[10],牙冠面開孔直徑分別為0,1,2,3 mm(見圖2)。由于系統內部流場關于中心軸旋轉對稱,因此在不影響模擬精度的條件下將模型簡化為二維處理[12]。在ANSYS Demodel中將牙冠和基臺模型進行裝配(見圖2C),并在ANSYS Meshing中剖分三角形網格,得到有限元網格模型(見圖2D)。

圖1 基臺尺寸圖Figure 1 Dimension of the abutment

H0-H3分別為面開0,1,2,3 mm孔的牙冠模型;A.三維牙冠頰側觀;B.三維基臺模型;C.裝配后的牙冠及基臺模型;D.二維有限元網格模型圖2 牙冠與基臺模型的建立及網格劃分Figure 2 Establishment of crown and abutment models and meshing

1.1.2 CFD求解與后處理 使用Fluent軟件進行CFD求解,主要使用了流體體積(VOF)模型和動網格模型。黏接劑物性參考RelyXTMARC(3M ESPE,美國),其黏度采用Herschel-Bulkley非牛頓流體模型[10]。重力加速度設為9.8 m/s2,牙冠下落時間為0.5 s,初始狀態下黏接劑為半圓形,位于牙冠頸部[10]。以牙冠不開孔時,黏接劑半徑為1.2 mm為對照組(H0-1.2組),以牙冠面開1,2,3 mm孔時,黏接劑半徑為1.2 mm及2.4 mm作為實驗組(H1-1.2組、H2-1.2組、H3-1.2組、H1-2.4組、H2-2.4組及H3-2.4組,具體見表1)。計算結束后比較0,0.25,0.5 s時的黏接劑分布云圖,并使用CFD-Post進行后處理分析,計算以下指標:

軸面充盈率(%)=軸面黏接劑面積÷軸面黏接劑間隙面積×100%

肩臺充盈率(%)=肩臺黏接劑面積÷肩臺黏接劑間隙面積×100%

頸部溢出量(mm2)=冠邊緣外黏接劑總面積(mm2)

1.2 體外實驗

1.3 數據處理

2 結果

2.1 計算流體力學實驗結果

從黏接劑分布圖可以看出,牙冠開孔時絕大部分多余的黏接劑從面開孔處溢出,頸部溢出量明顯小于牙冠不開孔時(見圖3)。不開孔組頸部溢出量明顯大于開孔組;當黏接劑半徑一定時,隨著開孔直徑增大,頸部溢出量逐漸減小,但是當黏接劑半徑為1.2 mm時,不同開孔組間差別極小,當黏接劑半徑為2.4 mm時,不同開孔組間差異較為明顯(見圖4及表1)。當開孔大小一定時,隨著黏接劑半徑增大,頸部溢出量增大;但是當面開孔直徑較小時,頸部溢出量變化較大,而開孔直徑為3 mm時,頸部溢出量變化較小(見圖4及表1)。

不開孔組軸面充盈率為95.97%,小于所有開孔組;不開孔組肩臺充盈率為55.03%,明顯小于所有開孔組。軸面充盈及肩臺充盈率與開孔大小或黏接劑半徑之間未發現明顯關系(見圖4及表1)。

表1 流體力學實驗分組方法及最終黏接劑分布

各組在0,0.25,0.5 s時的黏接劑分布云圖及0.5 s時頸部放大圖,圖中藍色表示黏接劑體積分數為0,即全部為空氣;紅色表示黏接劑體積分數為100%,即全部為黏接劑圖3 流體力學實驗中各組不同時刻黏接劑分布圖Figure 3 Cement distribution in CFD experiments at different time in each group

圖4 流體力學實驗中各組的頸部溢出量、軸面充盈率及肩臺充盈率Figure 4 Excess cement, cement fill rate at the axial wall and shoulder of crowns in CFD experiments in each group

2.2 體外實驗結果

不開孔組及開孔組黏接劑應用總量分別為(41.4±3.5)mg和(42.2±3.9)mg,差異無統計學意義(P=0.630,見圖5)。不開孔組及開孔組頸部溢出量百分比分別為(68.1±7.2%)和(8.3±3.5%),差異具有統計學意義(P<0.000 1,見圖5)。不開孔組及開孔組黏接前后復合體長度變化值分別為(0.04±0.01)mm和(0.035±0.008)mm,兩組間差異無統計學意義(P=0.218,見圖5)。不開孔組及開孔組固位力分別為(169±25)N和(189±32)N,開孔組固位力相對于不開孔組略大,但兩組間差異無統計學意義(P=0.123,見圖5)。

3 討論

目前在使用Fluent軟件解決流體問題時,二維模擬[13,14]和三維模擬[15,16]都有著較廣泛的應用。對于軸對稱模型,將三維問題轉化為二維問題進行分析是一種較好的方法,既能保證分析結果的精確性,又極大地降低了運算量和運算時間[12],而本實驗“基臺-牙冠”系統內部流場(黏接劑間隙)關于中心軸旋轉對稱;其次,本實驗中黏接劑間隙寬度只有50 μm,為了保證模擬的精確性,網格尺寸必須十分小;而實驗中采用的瞬態模擬,及黏接劑與空氣之間極大的黏度差等都大大增加了計算量,因此,即使是進行二維模擬,計算量仍十分巨大,三維模擬就更加困難,故本實驗采用了二維模擬。

本研究CFD部分從冠邊緣黏接劑溢出量及冠內部充盈情況兩方面來評價黏接效果。減少頸部溢出量對保護種植體周圍骨組織和軟組織具有重要意義[17]。黏接劑在冠與基臺間的充盈是獲得固位的基礎,軸面黏接劑充盈不全時,可能會導致黏接劑層的不連續,有潛在的滲漏及牙冠脫落的風險[18],而肩臺處黏接劑的封閉不良,可能會使修復體和基臺之間出現微滲漏,影響種植體周圍軟硬組織的健康[19,20]。早期研究表明,黏接劑的固位力主要取決于軸面的黏接劑充盈量,而面是否獲得黏接劑充盈并不會影響修復體的固位[21],這也是本研究中未對面的黏接劑充盈情況進行計算的原因。

與不開孔組相比，****P<0.000 1圖5 體外實驗中兩組間黏接劑應用總量、頸部溢出量百分比、固位力及黏接劑前后復合體長度變化的比較Figure 5 Comparison of total amount of cement application, percentage of excess cement, value of retention and changes of the crown-abutment-implant analog complex before and after cementation in CFD experiments between two groups

修復體的邊緣適合性是指修復體與基臺肩臺之間的間隙大小,過大的間隙可能會引起修復體和基臺之間出現微滲漏,為細菌附著、牙菌斑積聚、牙結石形成提供有利的環境,進而引起種植體周圍疾病的發生[19]。修復體的邊緣適合性受黏接操作[22]、黏接劑涂布位置[23,24]、黏接劑類型[25]等影響。本研究的體外實驗部分通過比較面開1 mm指示孔或不開孔時頸部溢出量百分比、固位力等參數,對CFD實驗的結論進行了驗證,并補充測量黏接前后牙冠-基臺-替代體組成的復合體長度的變化,觀察了面開孔對邊緣合適性的影響。

實驗中使用激光3D打印技術制作金屬冠,與傳統的失蠟鑄造或CAD/CAM方式相比,該方法可獲得更好的邊緣適合性[26,27]。另外,黏接劑的應用位置及量對頸部溢出量、冠內部黏接劑充盈狀況及冠邊緣適合性等都有重要影響[10,21,23],而將黏接劑涂布在牙冠頸部時可以獲得較好的邊緣適合性及黏接劑充盈狀況[10,23,28,29]。目前,絕大多數涉及固位力、頸部溢出量等的體外實驗對黏接劑應用量的描述不清或較為主觀[30,31],而本研究體的外實驗部分,將黏接劑涂布在牙冠頸部,并盡量保證了兩組之間的黏接劑總應用量相似,相應的結果更具有說服性。

在CFD模擬中,開孔組軸面黏接充盈率略優于不開孔組;而在體外實驗中,雖然兩組之間固位力的差異無統計學意義,但開孔組固位力略大于不開孔組,兩種實驗方法得到的結果一致,且與研究得到的結果一致[32,33]。另外,開孔組與不開孔組黏接前后復合體長度變化間差異無統計學意義,但是開孔組略小于不開孔組,說明在同樣的就位壓力下,開孔組邊緣適合性更好,這與以往的研究結果相近[23,34,35]。

開孔組均獲得了較好的冠內部充盈情況,總體來說,軸面充盈率總是優于肩臺充盈率,這可能與冠就位后期,黏接劑流經肩臺處時,剪切速率太快及黏接劑剪切變稀的非牛頓流體力學性質等有關。

當黏接劑半徑為1.2 mm時,開孔直徑大小對頸部黏接劑溢出量幾乎無影響,這與研究結果相近[7,8],但Patel等[7]實驗中僅將黏接劑使用狀況描述為“按照廠家說明使用”,李哲等[8]僅定性比較了黏接劑半徑為1 mm情況下,開孔大小對頸部溢出量的影響。本實驗比較了兩種黏接劑使用量情況下,最終冠內外黏接劑分布狀況,并通過控制模擬精度,進行了組間定量比較。

當黏接劑半徑從1.2 mm增大至2.4 mm時,不同開孔直徑組中頸部溢出量均有所增加,但與黏接劑應用總量的增加量相比,頸部溢出量的變化很小,這說明面開孔排溢多余黏接劑的效力很大;開孔直徑為1 mm時,頸部溢出量增加了約1倍,但開孔直徑為3 mm時,頸部溢出量增加量幾乎可以忽略,這說明開1 mm孔在排溢多余的黏接劑方面有一定的限度,當黏接劑應用總量增加到一定程度時,其排溢多余黏接劑的能力不如開孔直徑為3 mm。但總體上,面開1 mm指示孔時,頸部溢出量不大,且最大限度地保持了牙冠完整的結構及美觀性,也便于后期的拆卸及維護。此外,研究顯示,當面開孔直徑較大時,開孔邊緣接近咬合受力區,在開孔邊緣處易發生局部應力集中,而開孔直徑≤1 mm時,中央螺絲可維持在較低的應力水平[36]。故建議在不使用口外去除多余黏接劑程序時,使用牙冠面開1 mm指示孔的方案,并注意控制黏接劑應用量。

通過反復觀察CFD模擬過程,根據黏接劑流動方向變化,可將冠就位過程分為2個階段:前期,牙冠的推擠作用使黏接劑相對于基臺向上運動,從而將大部分多余的黏接劑堆積在基臺方;后期,隨著冠與基臺之間間隙的減小,黏接劑因受到擠壓從上下通道排出,而大部分堆積在基臺方的黏接劑從面開孔處排出(面不開孔時僅從冠邊緣排出)。該過程與Wadhwani等[37]使用一次性塑料杯對黏接劑流動過程進行模擬的結果十分相似。推測面開孔在此發揮了3種作用:①排氣孔;②減壓孔;③黏接劑排出通道。三者共同作用實現了良好的冠內部黏接劑充盈及較少的頸部黏接劑溢出量。

由于計算機模擬的局限,本實驗無法模擬口腔環境中穿齦輪廓對牙冠就位過程的阻力。另外,本實驗采用二維CFD模擬,可能不如三維模擬直觀。除此之外,黏接劑的流變學性質、修復體尺寸等都會影響黏接劑的流動過程。本研究組將會繼續對這些因素展開研究。

4 結論