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(xué)口腔醫(yī)院種植科,西安 710004;2中國(guó)原子能科學(xué)研究院;*通訊作者,E-mail:xmudlz@mail.xjtu.edu.cn)

種植修復(fù)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(tǒng)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(shí),修復(fù)體5年成功率無(wú)明顯統(tǒng)計(jì)學(xué)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(yīng)用方面各有優(yōu)缺點(diǎn),前者對(duì)咬合空間要求低、后期拆卸及維護(hù)方便,但被動(dòng)就位差、技工成本高;后者操作簡(jiǎn)單、對(duì)種植體植入方向包容性強(qiáng)、容易獲得被動(dòng)就位、美觀性及咬合功能更好,然而冠邊緣殘留的黏接劑會(huì)損害種植體周?chē)能浻步M織已經(jīng)在大量文獻(xiàn)中得到證實(shí)[3-5],引起了臨床醫(yī)生的廣泛關(guān)注,并且后期拆卸困難也是使用黏接固位時(shí)不得不考慮的問(wèn)題[4]。也有調(diào)研顯示:多數(shù)醫(yī)生在臨床工作中更偏向于使用黏接固位[6]。因此對(duì)黏接固位方式進(jìn)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(jià)值的。

黏接劑的應(yīng)用位置及量也會(huì)影響?zhàn)そ觿┰谘拦趦?nèi)外的分布狀況,但體外或臨床實(shí)驗(yàn)往往會(huì)受諸多混雜因素影響,尤其難以對(duì)黏接劑應(yīng)用量進(jìn)行控制。目前體外或臨床實(shí)驗(yàn)多聚焦于牙冠外部黏接劑溢出情況,而對(duì)牙冠內(nèi)部黏接劑充盈缺乏認(rèn)識(shí)。CFD提供了一種經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、動(dòng)態(tài)、可視化的研究牙冠就位過(guò)程中黏接劑流動(dòng)模式的手段。Wadhwani等[10]證實(shí)了CFD方法在研究黏接劑流動(dòng)模式方面的可靠性,認(rèn)為CFD方法可能會(huì)成為未來(lái)研究黏接固位系統(tǒng)的金標(biāo)準(zhǔn)。

1 材料與方法

1.1 計(jì)算流體力學(xué)

1.1.1 模型建立及網(wǎng)格劃分 使用SolidWorks 2012建立基臺(tái)及牙冠模型,基臺(tái)尺寸(見(jiàn)圖1)參考Semodos種植系統(tǒng)的成品Sub-Tec黏接基臺(tái)[11](Bego公司,德國(guó)),黏接劑間隙為50 μm[10],牙冠面開(kāi)孔直徑分別為0,1,2,3 mm(見(jiàn)圖2)。由于系統(tǒng)內(nèi)部流場(chǎng)關(guān)于中心軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱,因此在不影響模擬精度的條件下將模型簡(jiǎn)化為二維處理[12]。在ANSYS Demodel中將牙冠和基臺(tái)模型進(jìn)行裝配(見(jiàn)圖2C),并在ANSYS Meshing中剖分三角形網(wǎng)格,得到有限元網(wǎng)格模型(見(jiàn)圖2D)。

圖1 基臺(tái)尺寸圖Figure 1 Dimension of the abutment

H0-H3分別為面開(kāi)0,1,2,3 mm孔的牙冠模型;A.三維牙冠頰側(cè)觀;B.三維基臺(tái)模型;C.裝配后的牙冠及基臺(tái)模型;D.二維有限元網(wǎng)格模型圖2 牙冠與基臺(tái)模型的建立及網(wǎng)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(jìn)行CFD求解,主要使用了流體體積(VOF)模型和動(dòng)網(wǎng)格模型。黏接劑物性參考RelyXTMARC(3M ESPE,美國(guó)),其黏度采用Herschel-Bulkley非牛頓流體模型[10]。重力加速度設(shè)為9.8 m/s2,牙冠下落時(shí)間為0.5 s,初始狀態(tài)下黏接劑為半圓形,位于牙冠頸部[10]。以牙冠不開(kāi)孔時(shí),黏接劑半徑為1.2 mm為對(duì)照組(H0-1.2組),以牙冠面開(kāi)1,2,3 mm孔時(shí),黏接劑半徑為1.2 mm及2.4 mm作為實(shí)驗(yàn)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(jiàn)表1)。計(jì)算結(jié)束后比較0,0.25,0.5 s時(shí)的黏接劑分布云圖,并使用CFD-Post進(jìn)行后處理分析,計(jì)算以下指標(biāo):

軸面充盈率(%)=軸面黏接劑面積÷軸面黏接劑間隙面積×100%

肩臺(tái)充盈率(%)=肩臺(tái)黏接劑面積÷肩臺(tái)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(shí)驗(yàn)

1.3 數(shù)據(jù)處理

2 結(jié)果

2.1 計(jì)算流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

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

不開(kāi)孔組軸面充盈率為95.97%,小于所有開(kāi)孔組;不開(kāi)孔組肩臺(tái)充盈率為55.03%,明顯小于所有開(kāi)孔組。軸面充盈及肩臺(tái)充盈率與開(kāi)孔大小或黏接劑半徑之間未發(fā)現(xiàn)明顯關(guān)系(見(jiàn)圖4及表1)。

表1 流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)分組方法及最終黏接劑分布

各組在0,0.25,0.5 s時(shí)的黏接劑分布云圖及0.5 s時(shí)頸部放大圖,圖中藍(lán)色表示黏接劑體積分?jǐn)?shù)為0,即全部為空氣;紅色表示黏接劑體積分?jǐn)?shù)為100%,即全部為黏接劑圖3 流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)中各組不同時(shí)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(xué)實(shí)驗(yàn)中各組的頸部溢出量、軸面充盈率及肩臺(tái)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(shí)驗(yàn)結(jié)果

不開(kāi)孔組及開(kāi)孔組黏接劑應(yīng)用總量分別為(41.4±3.5)mg和(42.2±3.9)mg,差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.630,見(jiàn)圖5)。不開(kāi)孔組及開(kāi)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(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.000 1,見(jiàn)圖5)。不開(kāi)孔組及開(kāi)孔組黏接前后復(fù)合體長(zhǎng)度變化值分別為(0.04±0.01)mm和(0.035±0.008)mm,兩組間差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.218,見(jiàn)圖5)。不開(kāi)孔組及開(kāi)孔組固位力分別為(169±25)N和(189±32)N,開(kāi)孔組固位力相對(duì)于不開(kāi)孔組略大,但兩組間差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.123,見(jiàn)圖5)。

3 討論

目前在使用Fluent軟件解決流體問(wèn)題時(shí),二維模擬[13,14]和三維模擬[15,16]都有著較廣泛的應(yīng)用。對(duì)于軸對(duì)稱模型,將三維問(wèn)題轉(zhuǎn)化為二維問(wèn)題進(jìn)行分析是一種較好的方法,既能保證分析結(jié)果的精確性,又極大地降低了運(yùn)算量和運(yùn)算時(shí)間[12],而本實(shí)驗(yàn)“基臺(tái)-牙冠”系統(tǒng)內(nèi)部流場(chǎng)(黏接劑間隙)關(guān)于中心軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱;其次,本實(shí)驗(yàn)中黏接劑間隙寬度只有50 μm,為了保證模擬的精確性,網(wǎng)格尺寸必須十分小;而實(shí)驗(yàn)中采用的瞬態(tài)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(jì)算量,因此,即使是進(jìn)行二維模擬,計(jì)算量仍十分巨大,三維模擬就更加困難,故本實(shí)驗(yàn)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(nèi)部充盈情況兩方面來(lái)評(píng)價(jià)黏接效果。減少頸部溢出量對(duì)保護(hù)種植體周?chē)墙M織和軟組織具有重要意義[17]。黏接劑在冠與基臺(tái)間的充盈是獲得固位的基礎(chǔ),軸面黏接劑充盈不全時(shí),可能會(huì)導(dǎo)致黏接劑層的不連續(xù),有潛在的滲漏及牙冠脫落的風(fēng)險(xiǎn)[18],而肩臺(tái)處黏接劑的封閉不良,可能會(huì)使修復(fù)體和基臺(tái)之間出現(xiàn)微滲漏,影響種植體周?chē)浻步M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(huì)影響修復(fù)體的固位[21],這也是本研究中未對(duì)面的黏接劑充盈情況進(jìn)行計(jì)算的原因。

與不開(kāi)孔組相比，****P<0.000 1圖5 體外實(shí)驗(yàn)中兩組間黏接劑應(yīng)用總量、頸部溢出量百分比、固位力及黏接劑前后復(fù)合體長(zhǎng)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(fù)體的邊緣適合性是指修復(fù)體與基臺(tái)肩臺(tái)之間的間隙大小,過(guò)大的間隙可能會(huì)引起修復(fù)體和基臺(tái)之間出現(xiàn)微滲漏,為細(xì)菌附著、牙菌斑積聚、牙結(jié)石形成提供有利的環(huán)境,進(jìn)而引起種植體周?chē)膊〉陌l(fā)生[19]。修復(fù)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(shí)驗(yàn)部分通過(guò)比較面開(kāi)1 mm指示孔或不開(kāi)孔時(shí)頸部溢出量百分比、固位力等參數(shù),對(duì)CFD實(shí)驗(yàn)的結(jié)論進(jìn)行了驗(yàn)證,并補(bǔ)充測(cè)量黏接前后牙冠-基臺(tái)-替代體組成的復(fù)合體長(zhǎng)度的變化,觀察了面開(kāi)孔對(duì)邊緣合適性的影響。

實(shí)驗(yàn)中使用激光3D打印技術(shù)制作金屬冠,與傳統(tǒng)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(yīng)用位置及量對(duì)頸部溢出量、冠內(nèi)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(shí)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(shù)涉及固位力、頸部溢出量等的體外實(shí)驗(yàn)對(duì)黏接劑應(yīng)用量的描述不清或較為主觀[30,31],而本研究體的外實(shí)驗(yàn)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(yīng)用量相似,相應(yīng)的結(jié)果更具有說(shuō)服性。

在CFD模擬中,開(kāi)孔組軸面黏接充盈率略優(yōu)于不開(kāi)孔組;而在體外實(shí)驗(yàn)中,雖然兩組之間固位力的差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,但開(kāi)孔組固位力略大于不開(kāi)孔組,兩種實(shí)驗(yàn)方法得到的結(jié)果一致,且與研究得到的結(jié)果一致[32,33]。另外,開(kāi)孔組與不開(kāi)孔組黏接前后復(fù)合體長(zhǎng)度變化間差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,但是開(kāi)孔組略小于不開(kāi)孔組,說(shuō)明在同樣的就位壓力下,開(kāi)孔組邊緣適合性更好,這與以往的研究結(jié)果相近[23,34,35]。

開(kāi)孔組均獲得了較好的冠內(nèi)部充盈情況,總體來(lái)說(shuō),軸面充盈率總是優(yōu)于肩臺(tái)充盈率,這可能與冠就位后期,黏接劑流經(jīng)肩臺(tái)處時(shí),剪切速率太快及黏接劑剪切變稀的非牛頓流體力學(xué)性質(zhì)等有關(guān)。

當(dāng)黏接劑半徑為1.2 mm時(shí),開(kāi)孔直徑大小對(duì)頸部黏接劑溢出量幾乎無(wú)影響,這與研究結(jié)果相近[7,8],但Patel等[7]實(shí)驗(yàn)中僅將黏接劑使用狀況描述為“按照廠家說(shuō)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(kāi)孔大小對(duì)頸部溢出量的影響。本實(shí)驗(yàn)比較了兩種黏接劑使用量情況下,最終冠內(nèi)外黏接劑分布狀況,并通過(guò)控制模擬精度,進(jìn)行了組間定量比較。

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

通過(guò)反復(fù)觀察CFD模擬過(guò)程,根據(jù)黏接劑流動(dòng)方向變化,可將冠就位過(guò)程分為2個(gè)階段:前期,牙冠的推擠作用使黏接劑相對(duì)于基臺(tái)向上運(yùn)動(dòng),從而將大部分多余的黏接劑堆積在基臺(tái)方;后期,隨著冠與基臺(tái)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(tái)方的黏接劑從面開(kāi)孔處排出(面不開(kāi)孔時(shí)僅從冠邊緣排出)。該過(guò)程與Wadhwani等[37]使用一次性塑料杯對(duì)黏接劑流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行模擬的結(jié)果十分相似。推測(cè)面開(kāi)孔在此發(fā)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(shí)現(xiàn)了良好的冠內(nèi)部黏接劑充盈及較少的頸部黏接劑溢出量。

由于計(jì)算機(jī)模擬的局限,本實(shí)驗(yàn)無(wú)法模擬口腔環(huán)境中穿齦輪廓對(duì)牙冠就位過(guò)程的阻力。另外,本實(shí)驗(yàn)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(xué)性質(zhì)、修復(fù)體尺寸等都會(huì)影響?zhàn)そ觿┑牧鲃?dòng)過(guò)程。本研究組將會(huì)繼續(xù)對(duì)這些因素展開(kāi)研究。

4 結(jié)論