儲(chǔ)順禮 周延民 岳貴平

（1.吉林大學(xué)口腔醫(yī)院 口腔種植中心，吉林 長(zhǎng)春 130041；2.中國(guó)第一汽車集團(tuán)公司技術(shù)中心，吉林 長(zhǎng)春 130011）

當(dāng)上頜后牙區(qū)可用骨量嚴(yán)重不足時(shí)，學(xué)者們常常采用上頜竇外提升[1-3]的方法來(lái)增加骨量以滿足種植牙修復(fù)，但是該方法術(shù)后并發(fā)癥較多、患者的痛苦較大，患牙修復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，很多患者難以接受。隨著功能性外科和功能性整復(fù)的開展，以及種植技術(shù)及相關(guān)生物材料學(xué)的發(fā)展，顴骨種植義齒修復(fù)是近年來(lái)新開展的解決上頜后牙區(qū)重度萎縮的牙缺失修復(fù)的良好辦法。

種植義齒修復(fù)其不同的植入術(shù)區(qū)常擁有不同的骨質(zhì)和骨量，如前磨牙區(qū)的骨寬度小于磨牙區(qū)的骨寬度、上頜第一磨牙區(qū)上頜竇底位置最低等，選擇不同植入術(shù)區(qū)會(huì)產(chǎn)生不同的應(yīng)力分布，這會(huì)影響種植義齒的遠(yuǎn)期成功率。在選擇顴骨種植義齒修復(fù)時(shí)，由于種植體是斜向植入到顴骨區(qū)的，植入位點(diǎn)不同時(shí)種植體的傾斜角度也會(huì)不同，但究竟何者更有利于種植體的長(zhǎng)期穩(wěn)定和遠(yuǎn)期成功率目前仍無(wú)基礎(chǔ)理論。本實(shí)驗(yàn)即從該角度出發(fā)，應(yīng)用三維有限元法，研究植入位點(diǎn)的變化對(duì)種植體骨界面應(yīng)力分布的影響，為臨床實(shí)踐提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 有限元模型的建立[4-5]

選擇1例右側(cè)上頜后牙區(qū)牙缺失、牙槽骨嚴(yán)重吸收（其牙槽嵴頂?shù)缴项M竇底的可用骨高度為4mm）、口內(nèi)無(wú)其他牙體牙周疾患的成年男性志愿者。將預(yù)先制作的咬合板戴入志愿者口內(nèi)，自上頜牙弓咬合平面開始至眶上緣做連續(xù)橫斷CT掃描，掃描參數(shù)為：螺旋層厚為1.5mm，床進(jìn)速度為1mm·s-1，球管電流與電壓125mA和120 kV，獲得45幅二維CT掃描斷層圖像，以DICOM格式將數(shù)據(jù)存入計(jì)算機(jī)，輸入到自編計(jì)算機(jī)軟件中,依據(jù)圖像各組成部分的明暗度來(lái)辨別各個(gè)層面骨皮質(zhì)、骨松質(zhì)、上頜竇腔、顴骨骨皮質(zhì)和骨松質(zhì)的邊界。描記邊界繪制上頜骨后牙區(qū)、上頜竇、顴骨的骨輪廓位圖，自動(dòng)生成X、Y、Z軸三維坐標(biāo)化數(shù)據(jù)。將坐標(biāo)數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)Altair Hypermesh軟件（由中國(guó)第一汽車集團(tuán)公司技術(shù)中心提供）中，連接各層面間坐標(biāo)點(diǎn)成閉合曲線，層面間拉伸形成空間實(shí)體。定義各部位骨質(zhì)的彈性模量，完成建立正常上頜骨后牙區(qū)、上頜竇及顴骨的三維有限元模型。分別在三維有限元模型的第一前磨牙區(qū)、第二前磨牙區(qū)、第一磨牙區(qū)和第二磨牙區(qū)描入種植體，途經(jīng)上頜骨、上頜竇外側(cè)壁達(dá)到顴骨最厚平面之中央處，采用圓柱形純鈦種植體，直徑為3.5mm，種植體長(zhǎng)度為52mm，基臺(tái)的高度為8.6mm（依據(jù)口內(nèi)余留牙確定咬合平面的高度）。由于本實(shí)驗(yàn)主要研究的是種植體骨界面的應(yīng)力分布規(guī)律，所以對(duì)上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，參考正常人上頜后牙的數(shù)據(jù)[6]設(shè)計(jì)上部結(jié)構(gòu)為圓柱形牙，直徑為7mm，高為7mm。

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膯卧凸?jié)點(diǎn)數(shù)如下表1。

表1 模型的有限元網(wǎng)格單元數(shù)和節(jié)點(diǎn)數(shù)Tab 1 The elements and nodes of these experimental models

1.2 材料的力學(xué)參數(shù)

有關(guān)材料的力學(xué)參數(shù)見(jiàn)下表2。

表2 材料的力學(xué)參數(shù)Tab 2 M echanical parameters of materials

1.3 實(shí)驗(yàn)條件假設(shè)

人體生物組織的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能復(fù)雜，在對(duì)其進(jìn)行有限元研究時(shí)，往往需要對(duì)其材料特性加以簡(jiǎn)化，以發(fā)現(xiàn)對(duì)臨床具有指導(dǎo)性的應(yīng)力分布規(guī)律，本研究對(duì)頜骨局部模型進(jìn)行了連續(xù)、均質(zhì)、各項(xiàng)同性假設(shè)；種植體與周圍上頜骨、顴骨為100%骨性結(jié)合，在載荷作用下二者無(wú)相對(duì)滑動(dòng)。

1.4 加載條件

根據(jù)牙周潛力理論[6]設(shè)計(jì)加載力的大小為100N，加力點(diǎn)位于牙冠咬合面中心點(diǎn)處，分別進(jìn)行垂直加載、頰向30°加載（偏頰側(cè)，與牙冠長(zhǎng)軸成30°）、舌向30°加載（偏舌側(cè)，與牙冠長(zhǎng)軸成30°）。

1.5 計(jì)算分析

將各種工況模型輸入到ABAQUS軟件[9]中（由中國(guó)第一汽車集團(tuán)公司技術(shù)中心提供），進(jìn)行求解計(jì)算，得出各組模型的三維數(shù)字化圖像以及應(yīng)力數(shù)值，應(yīng)用Hyperviews軟件（由中國(guó)第一汽車集團(tuán)公司技術(shù)中心提供）進(jìn)行后處理分析。應(yīng)力分布圖可以集中反映顴骨種植義齒在受載荷時(shí)的應(yīng)力分布特征，列表輸出種植體-骨界面的應(yīng)力峰值，并比較大小。

2 結(jié)果

2.1 建立了上頜后牙區(qū)、上頜竇、顴骨以及顴骨種植義齒的三維有限元模型

通過(guò)CT掃描獲得了高精度的DICOM格式的圖像，利用軟件技術(shù)獲得了上頜后牙區(qū)、上頜竇、顴骨的三維有限元模型，幾何相似性好。對(duì)模型各組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行材料特性設(shè)置，并且模擬了顴骨種植義齒修復(fù)（圖1）。

2.2 顴骨種植義齒種植體周骨應(yīng)力分布

應(yīng)力主要集中在與種植體接觸的骨界面區(qū)域，距離種植體骨界面越遠(yuǎn)，骨承載的應(yīng)力越小。無(wú)論是垂直向載荷還是斜向載荷條件下應(yīng)力峰值均位于上頜骨牙槽嵴頂區(qū)。在上頜骨區(qū)，與種植體接觸的上頜竇底部以及上頜骨頰側(cè)骨質(zhì)最薄區(qū)骨承載的應(yīng)力較大。在顴骨區(qū)，與種植體接觸的上頜竇頂端（即上頜竇頂顴骨區(qū)）骨承載的應(yīng)力最大（圖2、3）。

2.3 植入位點(diǎn)變化對(duì)種植體周骨應(yīng)力峰值影響比較

第一前磨牙區(qū)顴骨種植體其頰側(cè)種植體暴露較多，與臨床不符（圖4）。

植入位點(diǎn)變化不同部位的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力如下表3～5。

對(duì)表3～5數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以看出，上頜骨牙槽嵴頂區(qū)骨界面應(yīng)力明顯高于顴骨區(qū)骨界面應(yīng)力，最大壓應(yīng)力值均大于最大拉應(yīng)力值。

上頜后牙區(qū)拉應(yīng)力峰值比較：選擇第二磨牙區(qū)植入時(shí)最大，第二前磨牙區(qū)次之，第一磨牙區(qū)最小。

上頜后牙區(qū)壓應(yīng)力峰值比較：選擇第二磨牙區(qū)植入時(shí)最大，第一磨牙區(qū)次之，第二前磨牙區(qū)最小。顴骨區(qū)拉應(yīng)力及壓應(yīng)力峰值比較：選擇第二前磨牙區(qū)植入時(shí)最大，第一磨牙區(qū)次之，第二磨牙區(qū)最小。

垂直載荷下植入位點(diǎn)變化時(shí)上頜后牙區(qū)及顴骨區(qū)應(yīng)力分布云圖見(jiàn)圖5～8。

表4 頰向30°加載時(shí)，植入位點(diǎn)變化時(shí)不同部位的應(yīng)力峰值/MPaTab 4 Stress peak values in different implant sites loading 30°angle buccally to the axis of tooth crown/MPa

表5 舌向30°加載時(shí)，植入位點(diǎn)變化時(shí)不同部位的應(yīng)力峰值/MPaTab 5 Stress peak values in different implant sites loading 30°angle lingual to the axis of tooth crown/MPa

圖5示上頜后牙區(qū)拉應(yīng)力云圖，最大拉應(yīng)力均位于牙槽嵴頂區(qū)的頰側(cè)骨皮質(zhì)區(qū)，選擇第二磨牙區(qū)植入時(shí)拉應(yīng)力更為集中。圖6示上頜后牙區(qū)壓應(yīng)力云圖，選擇第二磨牙區(qū)植入時(shí)壓應(yīng)力最為集中，第一磨牙區(qū)次之，第二前磨牙區(qū)最小。圖7示顴骨區(qū)拉應(yīng)力云圖，圖8示顴骨區(qū)壓應(yīng)力云圖，其應(yīng)力分布比較均為：選擇第二前磨牙區(qū)植入時(shí)最為集中，第一磨牙區(qū)次之，第二磨牙區(qū)最小。

3 討論

3.1 顴骨種植義齒的臨床應(yīng)用

Br?nemark教授1989年正式提出了顴骨種植義齒這一名稱，然后由Nobel Biocare公司開始生產(chǎn)和設(shè)計(jì)顴骨種植體，并將其納入Br?nemark系統(tǒng)[10-11]。2001年Bedrossian等[11]學(xué)者對(duì)上頜骨嚴(yán)重吸收萎縮的病例進(jìn)行顴骨種植義齒修復(fù)，認(rèn)為顴骨種植義齒修復(fù)可以避免大型骨移植手術(shù)和上頜竇提升術(shù)，與傳統(tǒng)的方法相比節(jié)省了大量的時(shí)間、人力和財(cái)力。近幾年其他學(xué)者[12-20]也有該方面的報(bào)道。尤其是近些年來(lái)種植牙外科技術(shù)的大力發(fā)展，使得顴骨種植義齒成為上頜后牙區(qū)嚴(yán)重吸收萎縮病例的良好修復(fù)方案。

3.2 顴骨種植義齒種植體周骨應(yīng)力分布趨勢(shì)

顴骨種植體是斜向植入到顴骨中，當(dāng)種植義齒受到載荷作用時(shí)，載荷可以分解為平行于種植體長(zhǎng)軸方向的軸向載荷和垂直于種植體方向的水平向載荷。軸向載荷使種植體有向根方相對(duì)下沉的趨勢(shì)，水平向載荷使種植體有彎曲變形的趨勢(shì)。本研究結(jié)果表明，應(yīng)力主要集中在與種植體接觸的骨界面區(qū)域，距離種植體越遠(yuǎn)，骨承受的應(yīng)力越小。應(yīng)力在整個(gè)上頜骨及顴骨中傳遞較好，分布趨向均勻，無(wú)論是垂直向載荷還是斜向載荷條件下牙槽嵴頂區(qū)骨質(zhì)承受的應(yīng)力值最大。在上頜骨區(qū)域，與種植體接觸的上頜竇底部以及上頜骨頰側(cè)骨質(zhì)最薄區(qū)應(yīng)力較大。在顴骨區(qū)域，與種植體接觸的上頜竇頂端骨承受的應(yīng)力較大。由數(shù)據(jù)結(jié)果得知，上頜骨區(qū)承受的應(yīng)力要大于顴骨區(qū)承受的應(yīng)力，因而上頜骨區(qū)是主要承載區(qū)，應(yīng)著重考慮上頜骨區(qū)的力學(xué)分布，在適應(yīng)證選擇時(shí)也應(yīng)仔細(xì)探究上頜骨區(qū)的骨質(zhì)情況。

3.3 植入位點(diǎn)變化對(duì)顴骨種植體-骨界面應(yīng)力分布的影響

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到，上頜后牙區(qū)拉應(yīng)力峰值比較：選擇第二磨牙區(qū)植入時(shí)最大，第二前磨牙區(qū)次之，第一磨牙區(qū)最小。上頜后牙區(qū)壓應(yīng)力峰值比較：選擇第二磨牙區(qū)植入時(shí)最大，第一磨牙區(qū)次之，第二前磨牙區(qū)最小。顴骨區(qū)拉應(yīng)力及壓應(yīng)力峰值比較：選擇第二前磨牙區(qū)植入時(shí)最大，第一磨牙區(qū)次之，第二磨牙區(qū)最小。這些結(jié)果也可能與種植體植入位點(diǎn)不同時(shí)的植入角度不同有關(guān)。第一磨牙區(qū)植入時(shí)，種植體的傾斜角度要小一些，種植體所受的側(cè)向力相對(duì)較小，引起的骨質(zhì)破壞趨勢(shì)要小，綜合考慮在第一磨牙區(qū)植入種植體是最佳選擇。

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