李美康 陳志宇 安奕霖 馬曉平 孟令強

單顆前牙缺失是臨床常見的牙列缺損類型。粘接橋修復與傳統(tǒng)固定橋相比，全瓷粘接橋牙體預備量小，可以實現(xiàn)理想的美觀效果，臨床應用漸多。但粘接橋無機械固位形，僅依靠粘接力固位[1]，因此脫粘接是最常見的失敗模式，約占78%[2]。上頜前牙粘接橋的橋體主要受唇向力，粘接面受剪切力破壞更易發(fā)生脫粘接[3]，因此設計力能均勻分布的修復體是修復成功的關鍵；還有粘接面積大小、界面處理方式、固位翼板設計、修復材料等均可影響粘接效果[4]，其中粘接面積是最重要的因素。一般認為，粘接面積越大，則粘接強度越高，但也有體外實驗發(fā)現(xiàn)，單端粘接橋較小的鄰面粘接面積反而表現(xiàn)出更高的剪切強度[5]。因此，固位翼板設計形式目前還沒有統(tǒng)一標準，不同形式翼板引起的修復體、粘接界面及其支持組織的應力分布特點尚不明確。本實驗擬采用三維有限元分析方法，建立不同設計方式的前牙單端全瓷粘接橋模型，探究不同設計對修復體、基牙及粘接劑應力分布的影響，為前牙缺失的單端粘接橋修復臨床設計提供理論指導。

材料和方法

1.主要儀器及軟件

CBCT（3D eXam，德 國），Mimics21.0軟 件（Materialise Company，比利時），Geomagic Studio2014軟件（RaindropCompany，美國），Hypermesh14.0軟件（Altair Company，美 國），MSC.Patran2012軟 件（NASA Company，美 國），MSC.Nastran2012軟 件（NASA Company，美國）。

2.實驗方法

（1）樣本的選擇：本實驗選擇牙列完整、咬合關系正常、牙周狀況良好、牙齒無明顯磨耗的成年人，進行CBCT掃描。

（2）三維有限元模型的建立：將獲得的CT圖像導入Mimics21.0醫(yī)學圖像處理軟件中，進行上頜前牙數(shù)據(jù)提取，導出STL格式文件，再通過Geomagic Studio2014軟件進行修補、降噪和曲面化，將模型進行精修細化，形成12-22牙及其牙周支持組織的實體三維模型。模擬21牙缺失，選擇11牙為基牙設計單端粘接橋修復21。根據(jù)基牙舌側固位翼板的不同設計，分為七組，如圖1所示。

圖1 不同設計粘接橋的三維實體模型

A組：11舌側翼板完全占據(jù)11舌側；B組：11舌側翼板切齦向設計同A組，遠中邊緣位于11近遠中向3/4處；C組：11舌側翼板切齦向設計同A組，遠中邊緣位于11近遠中向1/2處；D組：11舌側翼板切齦向設計同A組，遠中邊緣位于11近遠中向1/4處；E組：11舌側翼板近遠中向設計同A組，切齦向位于11舌側中1/2；F組：11舌側翼板遠中邊緣位于11近遠中向1/2處，切齦向位于11舌側中1/2；G組：11無舌側翼板，僅設計11近中鄰面翼板。

橋體均設計為改良蓋嵴式，翼板假設厚度均勻，約0.8 mm，翼板與基牙間粘接劑層厚度約0.1 mm，牙周膜厚度約0.2 mm，皮質骨厚度約2 mm，內(nèi)側為松質骨。將七組對應的STP格式文件導入Hypermesh14.0軟件進行網(wǎng)格劃分，各模型的節(jié)點和單元總數(shù)見表1。

表1 各模型的節(jié)點和單元總數(shù)

（3）材料參數(shù)賦值、實驗假設、載荷施加：導出BDF格式文件至MSC.Patran2012軟件和MSC.Nastran2012軟件中進行有限元網(wǎng)格屬性設置、材料參數(shù)定義。參考國內(nèi)外已發(fā)表研究數(shù)據(jù)[6，7]，假設各結構組織為均質、連續(xù)、各向同性的線彈性材料，各組織的彈性模量和泊松比見表2。牙齒與支持組織之間無相對滑動，于舌側面切1/3與中1/3交界區(qū)域進行斜向45°加載，模擬正中咬合狀態(tài)，于橋體切緣進行垂直加載，模擬前伸切咬狀態(tài)。根據(jù)我國正常青壯年咬合力均數(shù)加載[7]，在修復體上加載平均牙合力9.8 kg（約100 N）。計算分析修復體、基牙和粘接劑的生物力學特性變化。

表2 有限元模型中各部分材料參數(shù)

結 果

修復體、基牙和粘接劑的應力值結果及應力分布云圖見表3、4，圖2～9。

表3 各結構的VonMises應力峰值（MPa）

表4 各結構的最大主應力峰值（MPa）

圖2 各組修復體應力峰值（MPa）

圖3 各組基牙應力峰值（MPa）

圖4 各組舌側粘接劑應力峰值（MPa）

圖5 各組鄰面粘接劑應力峰值（MPa）

圖6 垂直載荷下各組修復體應力分布云圖

圖7 斜向載荷下各組修復體應力分布云圖

圖8 垂直載荷下各組基牙應力分布云圖

圖9 斜向載荷下各組基牙應力分布云圖

1.在垂直和斜向載荷下，修復體連接體處均為應力集中區(qū)域，且隨著粘接面積的減小，應力集中的趨勢更加顯著，舌側粘接翼板的應力值由連接體處向遠缺隙側逐漸降低。修復體等效應力值在垂直載荷下約為斜向載荷下應力值的兩倍，垂直載荷時，E組（144.50 MPa）和F組（133.67 MPa）等效應力值明顯高于其他組，A組等效應力值（103.23 MPa）最小，但A組修復體最大主應力（63.96 MPa）最高；斜向載荷下，G組VonMises應力和最大主應力值均最小。

2.11基牙在斜向載荷下應力值較垂直載荷下應力值均有明顯升高，且主要集中于近中鄰面及頸緣區(qū)域，向根尖方向逐漸降低。各組間應力值差別不大，斜向載荷時G組等效應力值（46.49 MPa）和最大主應力值（52.42 MPa）均明顯高于其他組。

3.鄰面粘接劑應力值高于舌側，斜向載荷下粘接劑應力更高。組間對比，舌側粘接劑E組和F組兩種載荷下等效應力值高于其他組，A組斜向載荷下最大主應力值較?。秽徝嬲辰觿┙M間對比，G組在兩種載荷下等效應力值和最大主應力值均為組間最高。

討 論

有限元分析法（finite element analysis method，F(xiàn)EAM）是一種廣泛應用的理論力學分析計算方法。采用CBCT掃描圖像建立的真實牙齒組織和修復材料的三維有限元模型能夠更加準確的計算牙體組織的生物力學分布。大多數(shù)牙體組織的力學性能呈現(xiàn)非均勻性和各向異性[8]，還有一些組織如牙周韌帶為非線性彈性材料，在機械載荷下組織的應力-應變行為存在時間依賴性[9]。目前有限元建模中還不能設定介質的非線性彈性、非均勻性和各向異性特征，因此，本研究設定牙體及修復體均為連續(xù)、均質、各向同性的線彈性材料，且材料受載荷時其變形為彈性形變[10]。

基于全瓷修復材料和樹脂粘接技術的發(fā)展成熟，依靠粘接獲得固位的全瓷粘接橋因其微創(chuàng)的突出優(yōu)勢，在嚴格把控適應證的前提條件下已獲得較高的修復成功率。Kern臨床觀察108例前牙氧化鋯粘接橋修復，10年生存率為98.2%[11]。粘接橋根據(jù)基牙數(shù)目可分為單端和雙端粘接橋，分別在一側或兩側基牙上設計舌側固位翼板。修復成功率并不因基牙的增加而增加，有研究發(fā)現(xiàn)，單端粘接橋5年存留率為95.7%，而雙端粘接橋僅為89.7%[12]，是由于為雙端粘接橋兩側基牙動度不一致，而導致粘接界面產(chǎn)生剪切應力，破壞粘接界面，從而導致修復體脫落率較高；而單端粘接固定，橋體可隨基牙同步自由運動，粘接界面只受到咬合力量作用，減小了剪切應力，較雙端粘接固定的修復方式可以獲得更高的粘接穩(wěn)定性[13]。Muhittin等進行粘接橋的應力分析研究也發(fā)現(xiàn)雙端粘接橋較單端粘接橋的VonMises應力值明顯偏高[14]，因此本實驗選擇建立單端粘接橋三維有限元模型，研究不同形式翼板的單端粘接橋粘接界面及其支持組織的應力分布特點。

粘接橋修復材料主要包括氧化鋯瓷和玻璃陶瓷，氧化鋯瓷材料彈性模量最大，抗折強度最高，而且氧化鋯瓷可以通過多種方式的表面處理，與樹脂粘接劑產(chǎn)生較強的粘接力[15]。本研究參數(shù)采用氧化鋯瓷材料參數(shù)進行應力分析。結合應力云圖可以看到，在兩種載荷條件下，七組模型應力分布趨勢相似，連接體處均為應力集中區(qū)域，橋體行使切咬功能時易在此處發(fā)生折斷，與Dal Piva等的研究結果一致[16]。在臨床實踐中需注意修復體連接體厚度不宜過薄，可在不影響外展隙生理外形的基礎上盡量增加連接體的厚度、寬度，提高粘接橋的抗折性。

VonMises應力可反映材料內(nèi)部各點的綜合應力，最大主應力反映材料內(nèi)部各點的最大可拉伸應力[17]。修復體在垂直載荷下的VonMises應力值約為斜向載荷下應力值的二倍，而基牙在斜向載荷下應力值較垂直載荷下應力值均有明顯升高，且主要集中于頸緣區(qū)域，向根尖方向逐漸降低，表明在正中咬合狀態(tài)時，基牙受力較大，而在前伸狀態(tài)時，應力更多集中于修復體。這個結果也提示粘接橋成功的關鍵因素之一是橋體在正中咬合時有輕咬合接觸，在前伸和側方咬合時均應無咬合接觸[18]。垂直載荷下，A組修復體VonMises應力峰值最小，隨著翼板遠中邊緣位置變化，粘接面積減小，修復體VonMises應力峰值升高，但基牙應力峰值有下降趨勢，提示臨床進行粘接橋修復時，牙周條件較差的基牙可適當減小翼板粘接面積，保護基牙。C、E兩組和D、F兩組分別具有相似的粘接面積，E、F組修復體及粘接劑VonMises應力值均分別明顯高于C、D兩組，表明在相同粘接面積時，翼板近遠中向長度的增加可能不利于修復體應力的分布。斜向載荷下，G組修復體VonMises應力峰值明顯小于其他組別，同時G組基牙及鄰面粘接劑層最大主應力峰值顯著高于其他組，說明在正中咬合狀態(tài)時，無舌側粘接翼板的粘接橋修復體脫粘接風險較高，這與Sillam的粘接橋剪切實驗結果相符[5]。但因G組無需磨除舌側牙體，鄰面可以選擇微預備甚至不預備，可在臨床實踐中觀察能否作為一種暫時修復方案。

該實驗研究仍然存在一定的局限性，設計模型分析時沒有模擬溫度、pH值、濕度等因素，且咀嚼運動是一個復雜的動態(tài)活動，在咀嚼過程中，修復體、基牙及其支持組織的形變與應力分布和運動時間有關。本實驗只分析了靜態(tài)載荷下的應力分布，還需進一步的體外力學實驗研究進行驗證及臨床病例觀察。