All-on-4與穿顴種植在不同皮質骨厚度中的生物力學研究

王 璨，顧衛平，朱 琳，陳 崗

有關上頜無牙頜的種植固定義齒研究表明，上頜后牙區牙槽嵴的萎縮、上頜竇氣化以及上頜骨骨密度偏低使得上頜的種植難度更高[1]。目前，為解決上頜后牙區垂直骨量不足的問題，常常采用骨增量技術包括上頜竇提升術、引導骨組織再生術等或應用特殊植體[2-5]，但對于嚴重的上頜后牙區骨缺損，如采用上頜竇提升術，往往需要行延期種植或修復，因此臨床上為解決某些患者種植后需即刻修復的需求出現了很多特殊植體，如傾斜植體、穿顴植體和翼上頜植體等[6-8]，All-on-4和穿顴種植為其中常見的種植設計方案，在臨床上被牙醫和患者廣泛接受。目前，已有對All-on-4與穿顴種植的存活率進行了回顧性研究，發現兩種種植設計均能達到較高的成功率[9-12]，但是機械并發癥仍無法避免[13]，并且皮質骨厚度也會影響種植修復的成功率[14]。Petrie等[15]通過有限元分析發現當松質骨的楊氏模量降低時，皮質骨厚度起主要作用。由于上頜骨中的松質骨密度較低，且上頜骨中的皮質骨厚度明顯低于下頜骨[16]，因此在上頜骨中，皮質骨的厚度對種植體及其周圍的應力分布是一個重要的影響因素。有關皮質骨厚度對All-on-4和穿顴種植影響的生物力學研究仍然比較缺乏，因此對不同頜骨條件的無牙頜患者，如何設計符合患者自身狀況并遵循生物力學原則的無牙頜種植方案對維持種植修復的遠期療效非常重要。

本研究擬用有限元法研究不同皮質骨厚度下All-on-4與穿顴種植的種植體、皮質骨的應力分布及鈦支架變形的差異，以期為后牙區嚴重骨量不足的上頜無牙頜患者選擇種植方案提供必要的理論依據，在種植設計時堅持以終為始，有理有據。

1 材料與方法

1.1 實驗對象

在江蘇省口腔醫院CBCT數據庫中選取1例后牙區垂直骨量不足的無牙頜上頜骨病例，既往體健，無糖尿病、骨質疏松癥、免疫缺陷病等系統性疾病史，數據的獲取和使用符合倫理要求并得到了醫院倫理委員會的批準。

1.2 設備

硬件：錐形束CT機(New Tom VGi，意大利)，微型計算機(Win10 PC，CPU 2.20 GHz，16.0 G RAM)。軟件：Mimics 20.0(Materialise，比利時)，Geomagic studio 2014(Raindrop，美國)，Solidworks 2017(Solidworks，美國)，Abaqus 2019(Simulia，美國)。

1.3 方法

1.3.1 上頜骨三維有限元模型的建立 將已選取的上頜骨DICOM數據導入Mimics 20.0中，分別將皮質骨、松質骨、上頜竇的輪廓影像分層提取，并得到點云模型數據后以STL格式保存。將獲得的STL格式數據導入Geomagic studio 2014中，建立上頜骨皮質骨、松質骨、上頜竇的實體化模型，以IGES格式保存。

1.3.2 不同皮質骨厚度模型的建立 在Geomagic Studio 2014中對已經建立的原始松質骨進行加厚處理，分別獲得0.5、1.0、1.5、2.0 mm的骨塊，進行平滑等處理后導入Solidworks 2017中，再進行不同皮質骨厚度模型與原始皮質骨模型的切割、組合，分別獲得組合后的0.5、1.0、1.5、2.0 mm的皮質骨。此時上頜骨的唇頰腭側皮質骨厚度保持不變，僅改變牙槽嵴頂處皮質骨厚度。

1.3.3 種植體、基臺及支架模型的建立 根據實驗所選取的上頜無牙頜，實驗種植體參照Nobel Replace Conical Connection(Nobel Biocare，瑞典)標準植體(直徑4.3 mm、長10 mm)、傾斜植體(直徑4.3 mm、長13 mm)的植體數據及Nobel Zygoma(Nobel Biocare，瑞典)45 mm穿顴植體數據。基臺設計模擬基臺高度為4 mm、穿齦高度為3 mm的直基臺及基臺高度4 mm、穿齦高度4.5 mm的30°及45°復合基臺。種植體螺紋及基臺螺絲處螺紋均做簡化處理。所有種植體、基臺數據來源于廠家提供的參數。鈦支架設計高度6 mm，寬度6 mm，弧度與上頜骨保持一致，咬合面恢復到雙側第一磨牙[17]。根據種植體、基臺及鈦支架的參數，在Solidworks 2017中建立種植體、基臺及鈦支架模型。

1.3.4 種植位點設計 All-on-4組由前牙區2顆標準植體與后牙區2顆傾斜植體組成：前牙區種植位點為2號位點，即側切牙位點；后牙區傾斜植體穿出位點為5號位點，即第二前磨牙位點，植體向近中傾斜30°[18-19]。穿顴種植組由前牙區2顆標準植體與后牙區2顆穿顴植體組成：前牙區種植位點為2號位點；后牙區穿顴植體穿出位點為5號位點，植體向遠中傾斜45°[20]。由于鈦支架模型牙合面恢復至雙側第一磨牙，且All-on-4組與穿顴種植組最遠端植體穿出位點均為第二前磨牙，因此本實驗中懸臂長度均參考第一磨牙的近遠中長度，即10 mm[21]。

1.3.5 模型的裝配 將以上所得的4個皮質骨、松質骨、種植體、上頜竇、基臺、鈦支架模型分別以IGES格式導入Solidworks 2017中，在4種厚度皮質骨上進行2種種植設計，再將每個部件分別導入有限元分析軟件Abaqus 2019中，對皮質骨、松質骨、上頜竇、種植體、基臺、鈦支架分別進行布爾運算，完成裝配，共形成8個完整的上頜無牙頜種植的實體模型，模型見圖1。

A：All-on-4組；B：穿顴種植組

1.3.6 材料屬性設定 假設骨組織與種植體之間是完全的骨結合，所有材料屬性為線性彈性，均質和各向同性。材料的彈性模量和泊松比值見表1[22]。

表1 模型中各材料參數

1.3.7 網格劃分 分別對鈦支架、皮質骨、松質骨、上頜竇、種植體、基臺進行網格劃分，為兼顧計算效率和精度，其中鈦支架、不與種植體直接接觸的松質骨和皮質骨網格大小分別為1.0 mm×1.0 mm，0.8 mm×0.8 mm，研究的關鍵區域有種植體、基臺、與種植體直接接觸的松質骨、皮質骨，其網格大小為0.3 mm×0.3 mm，網格劃分為四面體單元，見圖2。

A：All-on-4組；B：穿顴種植組

1.3.8 約束及加載條件 為了保持模型在加載過程中的穩定，在上頜雙側顴弓、上頜后部進行3個自由度上的約束。加載方式：雙側后牙區垂直加載200 N[23]。

1.3.9 有限元結果計算分析 利用有限元分析軟件Abaqus 2019對模型進行計算，以彩色應力云圖的方式輸出種植體、皮質骨應力分布情況及鈦支架變形分布情況。

1.4 統計學分析

應用SPSS 23.0對數據進行統計學分析。數據已經過正態分布及方差齊性的檢驗，等效應力大小及變形量大小用平均值±標準差表示，采用t檢驗比較各組計算值之間的差異，P<0.05為差異有統計學意義。

2 結 果

2.1 All-on-4與穿顴種植模型的彩色應力云圖

兩組種植設計中種植體、皮質骨的等效應力及鈦支架變形的部分彩色云圖見圖3、4。由圖可知，在兩種種植設計中，應力集中均分布在最遠端植體的頸部，前部植體的應力集中明顯較小，鈦支架變形的最大處位于懸臂處。

A：All-on-4組；B：穿顴種植組

2.2 皮質骨厚度對兩種種植設計的種植體、皮質骨應力分布及鈦支架變形的影響

種植體、皮質骨的等效應力值及鈦支架的變形量具體數據見表2。在All-on-4組將4個不同皮質骨厚度的模型數據進行比較，當皮質骨厚度增大，種植體、皮質骨的等效應力降低。當皮質骨厚度為0.5 mm時，模型中種植體、皮質骨的等效應力均最大，并明顯高于其他組。當皮質骨厚度為 1.5 mm時，等效應力和變形量均明顯減小，并已達到一個較低的水平，與皮質骨厚度為2.0 mm時相比各數據差距較小。將皮質骨厚度為0.5 mm的數據與2.0 mm相比，5號位點植體、皮質骨的等效應力減小最顯著，分別為66.2%和68.2%，鈦支架變形量降低了17.8%。在穿顴種植組將4個不同皮質骨厚度的模型數據進行比較，當皮質骨厚度增大，種植體、皮質骨的等效應力有所降低，但數據差距并不明顯。當皮質骨厚度為0.5 mm時，模型中種植體、皮質骨的等效應力均最大，將皮質骨厚度為0.5 mm的數據與2.0 mm相比，5號位點皮質骨等效應力下降35.9%，而5號位點植體等效應力只下降了8.0%，鈦支架變形量降低了16.3%。

A：All-on-4組；B：穿顴種植組

表2 種植體、皮質骨的等效應力和鈦支架變形

2.3 不同種植設計間種植體、皮質骨應力值及鈦支架變形的比較

本實驗中每種種植設計各有4個模型，利用SPSS 23.0軟件對兩種種植設計的數據進行統計學分析，結果見表2。All-on-4組的種植體、皮質骨等效應力及鈦支架變形量均大于穿顴種植組，且2號位點植體、皮質骨及鈦支架變形量之間的差異有統計學意義(P<0.05)。

3 討 論

在種植修復中，并發癥包括生物并發癥和機械并發癥。其中機械并發癥包括修復部件的磨損、松動、變形、折裂等[24]。在無牙頜的種植修復中，發生機械并發癥的比例大約為8.33%[13]，說明在種植修復的研究領域中，生物力學研究是不可或缺的存在，其中有限元分析是目前在口腔修復學中應用較為廣泛的生物力學研究方法之一[25]，該方法通過實體建模及工況模擬對各模型進行應力應變、變形量等方面的研究[26-27]。種植體周圍的應力集中會導致邊緣骨吸收從而造成種植失敗[28]，而種植上部修復體的變形、折裂則與受力后材料的變形疲勞有關，當上部修復體受到的咬合力超出彈性形變的極限，將會發生永久變形甚至斷裂[29-30]。目前在種植相關的有限元研究中對鈦支架變形的分析較少，在本實驗對鈦支架變形的研究結果顯示，所有模型的鈦支架的形變最大處均位于最遠端懸臂處。有臨床研究發現，上部修復體斷裂的地方一般是在遠中懸臂處[31-32]，本實驗從生物力學的角度解釋遠端懸臂易發生折斷的原因。

以往的研究顯示，皮質骨厚度對種植修復的初期穩定性及長期穩定性均有著不可忽視的影響[33-35]。Ko等[36]對305個上頜種植位點的皮質骨厚度進行測量及統計，種植區上頜皮質骨的最小厚度為0.12 mm，最大厚度為1.98 mm。因此本實驗對上頜皮質骨厚度設定了0.5、1.0、1.5、2.0 mm，以考慮臨床上不同的患者頜骨條件。

Okumura等[37]、Sugiura等[38]對單顆種植體進行有限元研究，發現種植體頸部周圍應力分布隨著皮質骨厚度的增加而降低。本實驗的兩種種植設計中，種植體、皮質骨應力分布均隨著皮質骨厚度的增加而減小，這與以上研究結果相類似。與其研究對象均是單顆植體不同，本研究對象是種植整體式修復，但皮質骨厚度均能改善種植體周圍的應力分布。Yal?in等[39]和Sevimay等[40]研究了1.0 mm與2.0 mm厚度皮質骨下種植體周圍組織的等效應力，發現當皮質骨厚度約為2.0 mm時種植體周圍的等效應力明顯較小。根據作者的研究結果，在All-on-4組中，皮質骨厚度為1.5 mm是一個關鍵點，當皮質骨厚度為0.5 mm和1.0mm時，各數據明顯較大，但當皮質骨厚度為1.5 mm和2.0 mm時，各數據明顯較小。相較于其他實驗，本實驗研究了4種厚度的皮質骨的影響，并發現當皮質骨厚度達到1.5 mm及其以上時，種植體及皮質骨的應力分布及鈦支架的變形量明顯降低，整體數據已趨于合理。而本實驗的穿顴種植組中，牙槽嵴頂處的皮質骨厚度雖然有所影響，但影響較小，這可能與穿顴植體所穿過的皮質骨層次有關，標準植體一般只利用了1～2層皮質骨，而穿顴植體則利用了3～4層皮質骨，其中包括了顴骨，并且顴骨是由致密的皮質骨和松質骨構成[41]。Ujigawa等[42]對穿顴種植進行了有限元研究，發現當種植體受力時應力主要通過顴骨進行傳遞。本研究發現，隨著牙槽嵴頂處皮質骨厚度的增加，種植體、皮質骨的應力分布及鈦支架的變形量變化較小。這進一步證明了穿顴種植的穩定性與除牙槽嵴頂皮質骨以外的骨結構關系較為密切。Freedman等[43]通過有限元分析比較了穿顴種植有牙槽骨支持的模型和沒有牙槽骨支持的模型，研究發現牙槽嵴頂處的皮質骨對減小穿顴種植的應力分布是有幫助的，本實驗研究發現當皮質骨厚度增加時，種植體、皮質骨的應力分布確實會減小，說明在穿顴種植中，盡管牙槽嵴處皮質骨厚度影響較小，但其厚度的增加是有利于減小種植體及皮質骨的應力集中。

All-on-4最早由Maló等[44]提出，這是一種針對頜骨嚴重萎縮的無牙頜進行的種植固定義齒修復方式，盡管它在下頜骨中得到了廣泛的應用，但該方法在上頜骨中尚不能得到充分評估。由于與下頜骨相比，上頜骨的骨小梁疏松，骨密度偏低，因此更不利于種植[45-46]。穿顴種植最初是被用于上頜骨大面積缺損的外傷患者或腫瘤術后患者等，隨后也被用于上頜牙槽嵴嚴重吸收的患者，但是穿顴種植由于涉及的解剖結構較多，手術并發癥和難度也會明顯上升[47]。本實驗從生物力學角度對比All-on-4與穿顴種植這兩種種植設計。根據實驗結果可知，穿顴種植組中種植體、皮質骨的應力分布與鈦支架的變形量均小于All-on-4組，并且種植體、皮質骨的應力分布和鈦支架變形量的差異有統計學意義，研究者從生物力學的角度證明穿顴種植的應用比All-on-4更好。

結合皮質骨厚度的變化進行兩種種植設計的比較，研究者發現當皮質骨越薄時，穿顴種植組的應力分布和變形與All-on-4組的差距越大，此時由于All-on-4的整體表現均較差，研究者并不建議行All-on-4修復，穿顴種植是更為合適的選擇；當皮質骨厚度達到1.5 mm及其以上時，雖然穿顴種植組中的數據表現較All-on-4組好，但All-on-4組中各數據已明顯降低，整體分布趨于合理，此時，也可以考慮選擇All-on-4進行修復。

在本實驗所進行的生物力學研究的基礎上，研究者認為在上頜后牙區垂直骨量不足時，較厚的皮質骨有利于種植修復的長期穩定性，并且皮質骨厚度還會影響種植方案的選擇，由于All-on-4和穿顴種植的應用均有利弊，此時，在臨床上，我們可以結合患者的頜骨情況和身體狀況、醫生的技術水平、患者的種植意愿等對其提供較優的選擇。基于本研究的局限性，研究者的實驗結果并不能完全代表真實的臨床情況，但是可為臨床醫師術前設計一個符合生物力學原則、并有利于維持遠期療效的種植方案提供重要參考。