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上颌前牙平台转换种植体周围应力分布的有限元分析
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【免费医学论文下载】作者：杨秋燕， 陈江， 杜志斌， 窦宁【摘要】 目的 建立种植体支持的上颌中切牙模型，分析平台转换基台连接方式对种植体周围组织应力分布的影响，为临床应用平台转换基台提供参考。 方法 利用Solidworks画图软件建立种植体支持的上颌中切牙模型，基台采用传统平齐对接(Normal Model,N)和平台转换(Platform switching Model,PLS)设计，将数据导入ANSYS 11.0分析软件建立三维有限元模型进行应力分布分析。垂直舌侧牙面进行加载，载荷为118 N，比较两种模型种植体周围各部位的应力分布情况。 结果 两种模型皮质骨最大应力值均位于种植体颈部颊侧骨皮质，N和PLS最大Von Mises应力值分别是50.08 Mpa、37.34 Mpa，两种不同设计钛基台周围的应力值分别是133.05 Mpa、284.15 Mpa。 结论 与平齐对接形式相比，平台转换设计可减少种植体颈部皮质骨组织的应力，但同时使基台肩台、种植体颈部、牙冠颈部所受应力增加，两种模型松质骨应力大小相似。
【关键词】 切牙;应力, 物理; 有限元分析;牙种植体
种植体在初期负载一年后骨吸收接近于种植体与骨结合的第一个螺纹处，其机制普遍解释为生物学宽度或者是种植体与骨界面的高应力所致[12]。但临床观察发现，使用直径窄的基台连接到种植体，可以减少牙槽骨的吸收，提出了平台转换的概念：当修复基台的直径缩窄面小于种植体的直径时，修复基台边缘将止于种植体顶部平台边缘的内侧而不是与其边缘对齐[34]。临床研究表明，使用平台转换形式的种植修复后，种植体周围上皮袖口稳定，能够减少种植体龈缘骨吸收，为美观的软组织外形提供足够支持，但其机制尚不清楚。本研究采用三维有限元方法，分析传统连接方式和平台转换连接方式种植体周围的生物力学影响，为临床使用平台转换设计修复提供理论参考。
1 材料和方法
1.1 三维有限元模型建立 利用solidworks2007制图软件，建立种植体支持的上颌中切牙模型[57]，导入ANSYS 11.0分析软件建立三维有限元模型进行应力分布分析。种植体模拟直径4 mm×11.5 mm，采用两种基台设计，即传统平齐对接形式(Normal Model,N)和平台转换形式(Platform switching Model,PLS)，模型N基台直径为4 mm，模型PLS基台直径为3.25 mm。两种模型除基台直径不同外，其余部分均相同。基台和中央螺丝简化为一段式，基台与种植体间采用内连接，基台高度设计为4 mm，种植体简化设计为圆柱状螺纹，底部设计为1.25 mm圆角。材料和组织均假设为连续、均质、各向同性的线弹性材料。设计种植体，钛基台，烤瓷牙冠，骨皮质和骨松质的弹性模量分别为1.14×1011Pa，1.138×1011Pa，7.0×1010Pa，1.4×1010Pa，1.5×109Pa。泊松比分别为0.37，0.34，0.19，0.3，0.3[6,8]。
1.2 边界约束条件和加载方式 根据参考文献固定约束骨皮质和骨松质的外表面节点[8]。加载方式：舌侧中央近切端，垂直于牙面，118 N[910]。
1.3 定义单元属性和网格划分 一般根据研究对象的力学特性和应力分析的类型来确定单元类型，种植体应力分析常选用四面体、五面体、六面体单元等，本实验采用Tetra4即4节点四面体单元类型结合ANSYS自适应网格划分功能对模型进行智能网格划分，使种植体、骨块几何尺寸不受单元划分的影响。
1.4 应力分析 利用ANSYS 11.0 workbench分析软件在个人计算机上进行线性静态应力分析，比较在相同加载条件下两种不同设计模型种植体周围各部位的最大VonMises应力和应力分布云图情况。
2 结 果
2.1 两种模型各部分网格划分单元和节点数(表1)。
2.2 两种模型种植体周围各部位的最大VonMises应力值 模型N的皮质骨最大应力值大于模型PLS，而模型N的基台、种植体、牙冠最大应力值小于模型PLS。两种模型松质骨最大应力值大致相等(表2)。表1 两种模型网格划分单元和节点数表2 两种模型种植体周围各部位的最大VonMises应力值模型N：传统平齐对接模型;模型PLS：平台转换设计模型.
2.3 两种模型种植体周围各部位的应力分布云图分析 加载下两种模型整体应力分布云图(图1，2)，模型N较模型PLS在种植体颈部区域应力集中区域更加大。两种模型皮质骨(图4，3)最大应力(如箭头所示)均位于种植体颈部颊侧骨皮质，但模型N较模型PLS应力云图更集中于颈部骨皮质。
3 讨 论
临床研究表明，使用平台转换形式的种植修复后，种植体周围上皮袖口稳定，能够减少种植体龈缘骨吸收，为美观的软组织外形提供足够支持。
有学者认为，骨吸收是因为种植体与骨界面的高应力所致[2]。Maeda等利用MSC软件简化的三维有限元模型发现具有平台转换的种植系统能够降低种植体与骨之间的剪切力，减少种植体颈部的骨吸收，但同时也使应力集中在基台或中央螺丝上，增加了基台或中央螺丝折断的可能性[7]。部分学者认为，平台转换形式的种植体由于种植体基桩界面向内定位并与种植体外边缘与附近骨组织隔开，这样基桩相关性炎性渗入对周围骨组织吸收影响会减低。同时平台转换后基桩炎性渗入区位于离牙槽骨更远位置，使得炎症的渗出局限于大约90°内的区域，而不是扩散于180°内区域直接暴露于周围软硬组织。这样基桩炎性渗入区更加被局限化，对周围骨及软组织炎症刺激将更小。由于暴露的种植体表面积增大，牙槽骨吸收减少，不必为软组织附着创造条件[11]。有学者认为，负荷不是种植体术后第1年颈部骨吸收的主要相关因素，种植体基桩间的微间隙才是主要因素。平台转换形式的种植体将此微间隙的位置移向种植体颈部边缘的内侧，不与颈部骨组织直接接触，这可能减少了微间隙中的细菌对骨组织的不利影响[1213]。
本项研究比较平台转换设计和传统平齐对接设计两种模型种植体周围各部位应力值及应力分布云图发现，模型PLS的皮质骨最大应力值小于模型N的皮质骨。可能因平台转换设计基台的边缘止于种植体颈部边缘的内侧，在受力情况下应力沿种植体基台接触面传导，而较之传统连接设计传导至种植体颈部及其对应的皮质骨应力较小，这种设计减少皮质骨应力，减少牙槽骨的吸收，为美观的软组织外形提供足够支持[5,8]。但同时也发现它使基台及种植体应力增加，提示在应用中也要考虑防止基台及种植体的折断。
有限元分析法分析结果受诸多因素的影响，例如模型的相似性、单元划分的粗细程度、载荷情况及边界条件与真实情况的差异等，均影响分析结果的可靠性。与以往研究相比，本实验采用Solidworks画图软件与Anasys 11.0有限元分析软件相结合，利用两者之间的无缝接口，直接把Solidworks图形导入Anasys 11.0分析软件进行分析得出应力分析云图，提高效率，避免数据丢失。本实验模拟牙冠的真实形态，加载的方式选用舌侧中央118 N，相比Maeda 等的研究能更能真实地模拟口内实际情况[5]。这与国内刘学军等的研究思路相同[8]，但是他们模拟的是第一前磨牙的口腔情况，而笔者侧重分析平台转换对前牙美学区域的影响，因为临床发现上颌前牙区种植修复常面临美学挑战，远期的软组织改变常导致龈沟处金属外露，影响美观。而平台转换这种设计可以减少皮质骨应力，减少牙槽骨的吸收，为美观的软组织外形提供足够支持，可达到较好的美学效果。
在生物力学领域，有限元法是把材料的力学参数和受力状况简化以后的一种假设的、理想化的情况,其结果具有较高的参考价值。本项研究表明，平台转换设计能减少种植体周围骨组织的应力值，其生物力学效应是减少骨吸收的一个重要的原因。但由于生物材料复杂的力学性能以及体内复杂的生态环境和受力状况，有限元模型还不能完全真实模拟体内的实际状况。因此，需要结合体外实验和体内观察的结果综合分析才能得到更为准确、真实的结论。
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