李哲 秦博文 常曉峰 孟兆理 潘峰 王淼 杜良智
目前,種植修復(fù)上部結(jié)構(gòu)最常使用的固位方式有2種:螺絲固位與粘接固位。與螺絲固位相比,粘接固位具有很多優(yōu)點(diǎn),包括:制作簡(jiǎn)單、美觀、咬合理想、可彌補(bǔ)植入位點(diǎn)的偏差、易獲得被動(dòng)就位等[1-2],但粘接劑殘留和拆卸復(fù)雜仍是困擾醫(yī)生的問題[3-4]。Rajan等[5]于2004年首次提出面開孔的粘接固位方式,將粘接固位和螺絲固位的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來[6]。這種方法的優(yōu)勢(shì)在于:①為粘接劑提供一個(gè)排溢道,減少頸部粘結(jié)劑殘留;②可采用體外粘接,形成類似螺絲固位一體冠,清除粘接劑后將牙冠與基臺(tái)整體戴入患者口內(nèi);③為將來拆冠提供了鉆孔通道,便于準(zhǔn)確找到中央螺絲。然而,對(duì)于這種改良的粘接固位方式,對(duì)其開孔直徑并無統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。目前,技工通常將面開孔直徑設(shè)置為2 mm左右 (即略大于中央螺絲的最大外徑),有時(shí)由于手工誤差,或者植體植入角度欠佳,實(shí)際直徑可能會(huì)更大,這種做法的主要目的是確保中央螺絲可以自由進(jìn)出,便于體外粘接的順利進(jìn)行。然而從生物力學(xué)角度來看,不同開孔直徑會(huì)造成牙冠自身結(jié)構(gòu)、牙冠與基臺(tái)接觸狀態(tài)、開孔邊緣與加力區(qū)的位置關(guān)系發(fā)生改變,這種改變是否會(huì)導(dǎo)致局部應(yīng)力狀況發(fā)生變化尚不清楚。此外,在實(shí)際運(yùn)用體外粘接時(shí)不難發(fā)現(xiàn),當(dāng)前開孔大小略顯 “浪費(fèi)”,因?yàn)閮H需保證螺絲刀的尖端恰好可以通過牙冠開孔并卡入螺絲頂端,便可實(shí)現(xiàn)體外粘接,而并不需要將中央螺絲徹底取出。甚至,在不使用體外粘接的情況下,開孔直徑可以進(jìn)一步的縮小,使面孔道僅作為鉆孔導(dǎo)向孔和粘接劑排溢孔而存在,這不僅減少了頸部余留的粘接劑,為將來拆冠提供了明確的鉆孔通道,同時(shí)也最大限度的恢復(fù)了牙冠的完整性,保證了理想的美觀、強(qiáng)度與咬合。
本實(shí)驗(yàn)采用三維有限元分析方法,目的:初步探索不同牙冠開孔直徑對(duì)種植修復(fù)系統(tǒng) (牙冠、基臺(tái)、螺絲、植體)及其周圍骨組織所受最大等效應(yīng)力及分布的影響,為采用面開孔的粘接固位種植支持式牙冠提供合理開孔直徑。牙冠的咬合面和冠邊緣是臨床中常出現(xiàn)問題的部位,本實(shí)驗(yàn)將分別對(duì)其進(jìn)行研究。
本研究以Bego-SLine種植系統(tǒng)為例,根據(jù)廠商提供的種植外科手冊(cè)中關(guān)于下頜第一磨牙位點(diǎn)的植體建議,選用直徑4.5 mm,長(zhǎng)度10 mm種植體(Bego,Bremen,Germany)。基臺(tái)選用:直徑 4.5 mm,高度 6 mm,穿齦2.5~4 mm成品Sub-Tec純鈦粘接基臺(tái),基臺(tái)聚合度6°[7]?;_(tái)上方平臺(tái)內(nèi)徑(即螺絲孔道直徑)2 mm,外徑為4 mm。采用布爾運(yùn)算建立與植體內(nèi)螺紋完全匹配的中央螺絲,從而避免因模型設(shè)計(jì)不合理而造成應(yīng)力集中,影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。所有幾何模型數(shù)據(jù)均來自BEGO種植產(chǎn)品手冊(cè),并在3D建模軟件Solid Works 2014上制作完成(SolidWorks Corp,Concord,MA)。
將1名無口腔疾病的健康青年(男性,25歲)的CBCT重建影像以STL格式導(dǎo)入逆向工程軟件Geomagic Studio 2013(Raindrop,USA)中,截取左側(cè)下頜第二前磨牙至第二磨牙區(qū)域,去除牙齒,利用軟件自帶優(yōu)化功能,將模型邊緣處理光滑、平整。擬種植位點(diǎn)皮質(zhì)骨厚度為0.88~1.20 mm,松質(zhì)骨骨質(zhì)設(shè)定為Ⅱ類骨。
將所用基臺(tái)STL文件送至技工室(西安,康泰利華牙科技術(shù)有限公司),導(dǎo)入3shape 2014 Pro軟件(3Shape,Copenhagen,Denmark)中,由專業(yè)技師設(shè)計(jì)生成符合臨床要求的牙冠,頰舌徑:8.5 mm,近遠(yuǎn)中徑:9.0 mm,并降低牙尖高度和斜度。將生成的牙冠STL文件導(dǎo)入SolidWorks 2014軟件中,利用軟件自帶“拉伸切除”工具,沿種植體軸向切割,形成開孔直徑為1、2、3、4mm的牙冠。在臨床工作中,面螺絲孔通常會(huì)被樹脂封閉,以暫時(shí)維持牙冠的完整,避免異物嵌入,但這仍無法彌補(bǔ)牙冠結(jié)構(gòu)連續(xù)性的中斷,并且因?yàn)檩^差的耐磨性,使用一段時(shí)間后樹脂往往會(huì)脫離咬合面,無法承擔(dān)應(yīng)有的咬合力。因此考慮以上因素,本次實(shí)驗(yàn)同Karl等學(xué)者[8]的研究一致,未對(duì)開孔封閉。牙冠材質(zhì)選用目前臨床上廣泛應(yīng)用的氧化釔部分穩(wěn)定四方相多晶氧化鋯(Y-TZP)[7]。
在Solid Works2014軟件中將各部件進(jìn)行裝配,利用三維有限元分析軟件(Ansys Workbench 13.0,ANSYS Inc.Canonsburg.PA)進(jìn)行網(wǎng)格劃分(圖 1),共形成單元數(shù)956 627,節(jié)點(diǎn)數(shù)1 362 433(以完整牙冠為例),材料力學(xué)參數(shù)(表1)。
圖1 5種開孔直徑的三維有限元模型網(wǎng)格劃分頰舌向剖面圖Fig 1 Buccal-lingual section of themeshes of five FEmodelswith different diameters of screw-access hole
本實(shí)驗(yàn)各部件均為各向同性的均質(zhì)線彈性材料[12-14],假設(shè)植體與骨界面之間為完全的骨結(jié)合,其界面采用Bonded接觸,即受力時(shí)各方向不產(chǎn)生移動(dòng)[7,12],骨段近遠(yuǎn)中面設(shè)置為 Fix support[15]。由于在人的實(shí)際咬合過程中,牙冠的功能尖承載主要的咬合力,故本次實(shí)驗(yàn)選取下頜第一磨牙的三個(gè)頰尖舌斜面為加力面[16-17](總面積 =2.85 mm2),垂直向加載 200 N咬合力,斜向45°加載100 N咬合力[18](圖 2)。利用Ansys Workbench 13.0中靜態(tài)結(jié)構(gòu)(statics structure)分析模塊進(jìn)行計(jì)算機(jī)有限元分析。對(duì)牙冠咬合面、牙冠邊緣、基臺(tái)、中央螺絲、種植體、植體頸部皮質(zhì)骨的最大等效應(yīng)力及其分布區(qū)域進(jìn)行記錄。
表1 材料及組織的力學(xué)參數(shù)Tab 1 Material and tissue properties used in finite element analysis
圖2 牙冠加力面(A)及加力方式(B)示意圖Fig 2 Loading points and directions simulatingmasticatory force
本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:①牙冠咬合面:當(dāng)開孔直徑≤3 mm時(shí),牙冠咬合面在兩種載荷方式下最大等效應(yīng)力值均基本保持穩(wěn)定;當(dāng)開孔直徑>3 mm時(shí),最大等效應(yīng)力值急劇增加,在4 mm時(shí)達(dá)到峰值。牙冠咬合面等效應(yīng)力分布:當(dāng)開孔直徑≤3 mm時(shí),應(yīng)力主要集中在咬合力加載區(qū)域;當(dāng)直徑為4 mm時(shí),垂直載荷組的應(yīng)力集中部位出現(xiàn)改變,由咬合力加載區(qū)變?yōu)殚_孔邊緣處,但斜向載荷組未見明顯改變;②中央螺絲:在垂直載荷下,當(dāng)牙冠開孔直徑≤1 mm時(shí),螺絲可維持在較低的應(yīng)力水平;當(dāng)直徑在1~2 mm之間時(shí),螺絲所受最大等效應(yīng)力急劇增加;當(dāng)直徑≥2 mm時(shí),螺絲所受最大等效應(yīng)力始終維持在較高水平;在斜向載荷下,中央螺絲所受最大等效應(yīng)力始終未見明顯改變。等效應(yīng)力分布:隨著開孔直徑增大,中央螺絲的應(yīng)力集中部位未見明顯改變,主要集中于第一螺紋處;③其余部件,包括牙冠邊緣、基臺(tái)、種植體、植體周圍皮質(zhì)骨所受的最大等效應(yīng)力均未見明顯改變,故在本實(shí)驗(yàn)中均不再予以討論(表2,圖3~5)。
三維有限元分析方法目前已被廣泛的應(yīng)用于口腔種植系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì),通過對(duì)生物力學(xué)表現(xiàn)初步的觀察與預(yù)測(cè),避免將問題帶入臨床工作[19]。
表2 各部件所受最大等效應(yīng)力值Tab 2 Maximum equivalent stress value(MPa)for each component
圖3 不同載荷條件下各部件所受最大等效應(yīng)力變化圖Fig 3 Maximum equivalent stress change of each componentunder vertical and oblique loading
圖4 不同開孔直徑下牙冠咬合面的等效應(yīng)力云圖Fig 4 Von-mises stress distribution on the occlusal surface of the crown
本研究結(jié)果同樣顯示:當(dāng)牙冠開孔直徑為0~1 mm時(shí),中央螺絲在垂直載荷下可維持較低的應(yīng)力水平。因此在臨床工作中行后牙區(qū)修復(fù)時(shí),若要采用面開孔的粘接固位方式,建議將開孔直徑控制在1 mm及以下,這可能會(huì)對(duì)中央螺絲起到一定的保護(hù)作用,同樣,這對(duì)于咬合力大、齦距低或夜磨牙的患者可能具有更大的意義。
圖5 不同牙冠開孔直徑下中央螺絲的等效應(yīng)力云圖Fig 5 Von-mises stress distribution on the screws
眾所周知,骨骼是一個(gè)復(fù)雜的非線性、各向異性的活體組織、且存在動(dòng)態(tài)改變[23],種植體與骨組織之間也無法到達(dá)真正的100%骨結(jié)合[24],因此本次研究同其他有限元研究一樣具有:線性、均勻、同質(zhì)的材料設(shè)定以及種植體-骨界面間的剛性連接設(shè)定這些局限性。本實(shí)驗(yàn)僅對(duì)后牙區(qū)單牙種植修復(fù)系統(tǒng)進(jìn)行了初步分析,其種植體的三維位置、牙冠的開孔位點(diǎn)、負(fù)載的咬合力均處于較為理想的狀況,而對(duì)于主要承受側(cè)向力的前牙區(qū),以及不同的種植體軸向,偏心的開孔位點(diǎn)等,可能都會(huì)對(duì)種植修復(fù)系統(tǒng)的生物力學(xué)性能產(chǎn)生影響。因此,未來仍需對(duì)這些因素展開進(jìn)一步的研究。
從生物力學(xué)角度來看,在垂直力較大的后牙區(qū)行單牙種植修復(fù)時(shí),若不考慮體外粘接,建議將面開孔直徑控制在1 mm,這不僅有利于避讓咬合功能區(qū),也可以使中央螺絲處在較低的應(yīng)力水平,同時(shí)也最大限度的保留了牙冠的完整性以及面開孔的粘接固位的主要優(yōu)勢(shì)。
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