不同肩臺形態(tài)對前牙全瓷冠疲勞特性的影響

顧靜怡　陳敏箴　董凱麗等

[摘要]目的：分析兩種肩臺形態(tài)設(shè)計對前牙全瓷冠疲勞特性的影響，為全瓷冠的臨床設(shè)計、制作以及使用壽命的評估提供依據(jù)。方法：建立上中切牙及其全瓷冠的有限元模型。根據(jù)有限元獲得的應(yīng)力、應(yīng)變結(jié)果，使用ANSYS Workbench 13.0軟件下研究全瓷冠的循環(huán)疲勞特性。結(jié)果：載荷在90～130N范圍內(nèi)時，90°肩臺在承受94.3N循環(huán)載荷時全瓷冠頸部肩臺出現(xiàn)疲勞損壞，疲勞循環(huán)次數(shù)為1.95×107次；135°凹形肩臺承受110N循環(huán)載荷時全瓷冠頸部肩臺出現(xiàn)疲勞損壞，疲勞循環(huán)次數(shù)為2.18×107次。結(jié)論：在臨床進(jìn)行全瓷冠修復(fù)時應(yīng)盡量采用135°凹形肩臺設(shè)計，同時注意合理調(diào)整牙合力，從而提高全瓷冠的疲勞壽命。

[關(guān)鍵詞]全瓷冠；肩臺形態(tài)；疲勞

[中圖分類號]R783 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A [文章編號]1008-6455（2013）07-0765-04

隨著人們對審美需求的不斷提高，全瓷修復(fù)已經(jīng)發(fā)展成為口腔修復(fù)的主要趨勢，但全瓷冠的遠(yuǎn)期修復(fù)效果不佳。近年來人們發(fā)現(xiàn)牙科陶瓷材料存在應(yīng)力疲勞現(xiàn)象，并且全瓷冠外形設(shè)計是影響疲勞抗力的因素之一[1]。本項研究擬通過建立上頜中切牙和全瓷冠（IPS Empress 2）的三維有限元模型，分別設(shè)計不同形態(tài)的頸部肩臺，模擬前牙循環(huán)咬合過程，分析不同肩臺形態(tài)的全瓷冠（IPS Empress 2）受力狀態(tài)和循環(huán)疲勞特性，為全瓷冠（IPS Empress 2）的臨床設(shè)計、制作和修復(fù)效果評估提供依據(jù)。

1 材料和方法

1.1軟件：LL OPTIPL EX GX260商用臺式機(jī)（處理器Intel Pentium Ⅳ2.0G，內(nèi)存容量1GB，硬盤80G，操作系統(tǒng) Windows 2000 Professional）；Mimics V8.1軟件（Materialise，Belgium）；ANSYS Workbench 13.0；Abaqus；Micro-CT（64排螺旋LightSpeed VCT）。

1.2型制作：參考中國人上頜第一中切牙的外形測量數(shù)據(jù)[2]，選擇一顆牙齒形態(tài)正常、牙齒結(jié)構(gòu)完整、大小接近正常平均值的左上頜中切牙（全長21.7mm、冠長10.7mm、根長11mm），環(huán)氧樹脂包埋，使用64排螺旋LightSpeed VCT（美國）掃描機(jī)進(jìn)行掃描。通過CT掃描得到左上頜第一中切牙各斷層圖像，經(jīng)選擇后共獲得109張。將CT掃描的圖像在CT工作站中轉(zhuǎn)換為.jpg格式，記錄并存入計算機(jī)。

利用Minics軟件直接讀取.jpg格式的存盤數(shù)據(jù)，然后依據(jù)獲得的左上頜第一中切牙CT圖像進(jìn)行預(yù)處理。選取掃描圖像的邊框作為基準(zhǔn)標(biāo)志線，將每幅圖像建立一個數(shù)據(jù)文件，去偽影、降噪，完成左上頜第一中切牙三維實體模型的建立。然后以現(xiàn)有模型為基礎(chǔ)，應(yīng)用Minics軟件的剪切功能沿頸緣處按照全瓷冠基牙預(yù)備要求制作出基牙及相應(yīng)的全瓷冠修復(fù)后幾何模型（剪切后的原有牙冠即做為瓷全冠的形態(tài)）。其中咬合面厚度為1.5mm，各軸面厚度為1.0mm，頸部肩臺形態(tài)分別設(shè)計為90°肩臺和135°凹形肩臺，制備光滑無銳角。將實體模型導(dǎo)入有限元分析軟件（ANSYS Workbench 13.0），生成兩個左上頜第一中切牙的三維有限元模型，進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于基牙和全瓷冠為獨立的兩個部分，在進(jìn)行有限元分析時必須將牙體與全瓷冠兩者組合起來。根據(jù)全瓷冠與基牙粘固的實際情況，本項研究定義兩者接觸關(guān)系，將全瓷冠組織面和基牙預(yù)備后粘接面連接在一起，模擬兩者粘固。90°肩臺基牙有限元模型為80622個節(jié)點、54089個單元；全瓷冠有限元模型為76228個節(jié)點、49943個單元。135°凹形肩臺基牙有限元模型為51892個節(jié)點、33666個單元；全瓷冠有限元模型為62986個節(jié)點、42080個單元（如圖1～4）。

1.3加載條件：有限元模型左上頜中切牙牙冠切緣中點為坐標(biāo)原點，切緣在Y軸上，切端與根尖位于Y、Z軸構(gòu)成的平面內(nèi)，對牙根部牙周膜附著區(qū)域在X、Y、Z 3個方向上進(jìn)行位移和旋轉(zhuǎn)約束。受力分析時參考口腔解剖生理學(xué)正常牙合力進(jìn)行加載[5]。全瓷冠舌面中1/3和切1/3交界處分別施加不同靜態(tài)載荷，加載方向與X、Z方向成45°，即加載方向與牙齒長軸呈45°模擬牙尖交錯牙合時前牙正常咬合關(guān)系，分析全瓷冠不同肩臺形態(tài)受的等效應(yīng)力分布狀況。

1.4疲勞特性分析：將兩個全瓷冠有限元模型及其受力分析結(jié)果分別導(dǎo)入ANSYS Workbench 13.0（美國），分別對導(dǎo)入模型進(jìn)行疲勞特性分析。

1.4.1全瓷冠受力分析：對兩個模型分別施加120N載荷，分析不同肩臺形態(tài)全瓷冠肩臺處受力情況。

1.4.2牙合力與不同肩臺形態(tài)全瓷冠疲勞壽命的關(guān)系：調(diào)整有限元模型的載荷，即分別以90～130N循環(huán)載荷對兩個上前牙全瓷冠分別進(jìn)行加載，分析牙合力與不同肩臺形態(tài)全瓷冠肩臺處疲勞壽命的關(guān)系。循環(huán)疲勞載荷下全瓷材料的疲勞壽命參數(shù)及應(yīng)力-壽命曲線（S-N曲線）[6]、頻率[6]設(shè)定為1400次/天，前牙咬合接觸時間為0.05～0.30s[7]對兩種肩臺形態(tài)全瓷冠在5、10、15、20、25、30、35年分別進(jìn)行疲勞強度分析，則疲勞分析所需要的循環(huán)加載次數(shù)分別為2.6×106、5.1×106、7.7×106、1.0×107、1.3×107、1.5×107、1.8×107。

2 結(jié)果

2.1全瓷冠受力分析：在120N靜態(tài)載荷下全瓷冠肩臺承受的等效應(yīng)力，90°肩臺最大等效應(yīng)力為12.10MPa，主要集中在唇側(cè)面肩臺處，其次為近中面肩臺處（如圖5）；135°凹形肩臺最大等效應(yīng)力為12.74MPa，應(yīng)力主要集中在近中面肩臺外側(cè)邊緣處，其次為唇側(cè)面肩臺處（如圖6）。

2.2 牙合力與不同肩臺形態(tài)全瓷冠疲勞壽命的關(guān)系：以上述應(yīng)力結(jié)果為依據(jù)，分析牙合力與不同肩臺形態(tài)全瓷冠疲勞壽命的關(guān)系。結(jié)果顯示，載荷在90～130N范圍內(nèi)時，90°肩臺在承受94.3N循環(huán)載荷時全瓷冠頸部肩臺出現(xiàn)疲勞損壞，疲勞循環(huán)次數(shù)為1.95×107次；在承受97N循環(huán)載荷時全瓷冠生命終止（如圖7）。135°凹形肩臺承受110N循環(huán)載荷時全瓷冠頸部肩臺出現(xiàn)疲勞損壞，疲勞循環(huán)次數(shù)為2.18×107次，在承受130N循環(huán)載荷時全瓷冠生命終止（如圖8）。90°肩臺能承受的循環(huán)載荷量和循環(huán)次數(shù)均低于135°凹形肩臺。

3 討論

由于陶瓷材料脆性大，無塑性變形能力，許多學(xué)者認(rèn)為陶瓷材料沒有疲勞，因而長期忽略對陶瓷材料的疲勞特性進(jìn)行研究。近年，對陶瓷材料在循環(huán)載荷作用下斷裂機(jī)制的研究中，越來越多的證據(jù)證明陶瓷材料疲勞現(xiàn)象的存在[7-8]。牙科陶瓷材料的疲勞是指在一定使用條件下材料性能隨時間的推移而變差的現(xiàn)象。陶瓷材料的疲勞特性可分為靜疲勞和循環(huán)疲勞。靜疲勞是指陶瓷材料在恒定應(yīng)力、長時間作用下發(fā)生的破壞；而由循環(huán)載荷導(dǎo)致的材料性能隨時間下降的現(xiàn)象被稱為循環(huán)疲勞。Ozcan[9]對烤瓷融附金屬全冠修復(fù)體的失效破壞進(jìn)行了綜述，指出修復(fù)體破壞的主要原因是咀嚼過程中的循環(huán)應(yīng)力作用導(dǎo)致的損傷累積引起破壞。

3.1全瓷冠受力分析研究結(jié)果表明：在120N靜態(tài)載荷下兩種頸部肩臺形態(tài)設(shè)計的全瓷冠瓷層應(yīng)力分布規(guī)律相似，等效應(yīng)力值之間的差異細(xì)微，90°肩臺的應(yīng)力峰值略<135°凹形組，這與本人前期研究結(jié)果一致[10]。但全瓷冠肩臺區(qū)最大等效應(yīng)力峰值均低于瓷的許用應(yīng)力強度范圍。90°肩臺最大等效應(yīng)力主要集中在唇側(cè)面肩臺處，其次為近中面肩臺處；135°凹形形肩臺最大等效應(yīng)力主要集中在近中面肩臺外側(cè)邊緣處，其次為唇側(cè)面肩臺處。90°肩臺比135°凹形肩臺應(yīng)力集中范圍大，90°肩臺全瓷冠受力后頸部肩臺出現(xiàn)疲勞損壞的概率增加。135°凹形肩臺對應(yīng)力的分散程度更好。Zarone等[11]研究也認(rèn)為肩臺設(shè)計對修復(fù)體內(nèi)的應(yīng)力分布有明顯影響。因此，臨床全瓷冠進(jìn)行基牙預(yù)備時，在前牙咬合功能面和唇舌側(cè)肩臺應(yīng)預(yù)備足夠的間隙，使全瓷冠在這些部位保持一定的厚度，以提高其抗折強度?；兰缗_建議采用135°凹形肩臺，并在近中面肩臺外邊緣處要注意邊緣的圓鈍，避免肩臺出現(xiàn)應(yīng)力集中。

3.2牙合力對不同肩臺形態(tài)全瓷冠疲勞壽命的影響：對于牙科陶瓷材料，除全瓷冠形態(tài)外，冠與基牙的相互作用對全瓷冠的疲勞壽命也有較大影響。本項研究定義兩者接觸關(guān)系，將全瓷冠組織面和基牙預(yù)備后粘結(jié)面連接在一起，在受力變形過程中兩者接觸的區(qū)域同時同向發(fā)生移動，模擬全瓷冠在基牙上粘固且未發(fā)生分離。辛海濤等[12]研究發(fā)現(xiàn)，隨著最大載荷的增加頸部肩臺出現(xiàn)疲勞損壞的疲勞循環(huán)次數(shù)逐漸降低，而且載荷越大，疲勞壽命下降越快。本項研究與上述結(jié)論相符。同時本次實驗結(jié)果顯示，前牙所承受的最大牙合力與全瓷冠的肩臺形態(tài)有較大的關(guān)系，載荷在90～130N范圍內(nèi)時，90°肩臺在承受94.3N循環(huán)載荷時全瓷冠頸部肩臺出現(xiàn)疲勞損壞，疲勞循環(huán)次數(shù)為1.95×107次；在承受97N循環(huán)載荷時全瓷冠生命終止。135°凹形肩臺在承受110N循環(huán)載荷時全瓷冠頸部肩臺出現(xiàn)疲勞損壞，疲勞循環(huán)次數(shù)為2.18×107次，在承受130N循環(huán)載荷時全瓷冠生命終止。90°肩臺能承受的載荷量和循環(huán)次數(shù)均低于135°凹形肩臺。因此，在臨床進(jìn)行全瓷冠（IPS Empress 2）修復(fù)時應(yīng)盡量采用135°凹形肩臺設(shè)計，同時注意合理調(diào)整牙合力，從而提高全瓷冠的疲勞壽命。影響全瓷冠疲勞壽命的因素很多，本次實驗僅對不同肩臺形態(tài)設(shè)計全瓷冠疲勞壽命的影響進(jìn)行了研究，以期為全瓷冠（IPS Empress 2）的臨床設(shè)計、制作和修復(fù)效果評估提供依據(jù)。

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[收稿日期]2012-12-25 [修回日期]2013-03-25

編輯/何志斌