下頜第一磨牙根管治療后不同修復(fù)方案的生物力學(xué)分析

張國慶 王衛(wèi)國 朱慧勇

根管治療已成為牙髓病和根尖周病的主要治療方法，然而由于去除牙髓后患牙冠方牙本質(zhì)缺乏營養(yǎng)供應(yīng)，導(dǎo)致繼發(fā)性牙本質(zhì)和第三期牙本質(zhì)的形成中斷，造成根管治療后牙齒強(qiáng)度下降。另外根管治療也不可避免的會造成牙體組織減少，所以根管治療后的牙齒較易發(fā)生折斷或劈裂[1]。所以，臨床中患牙根管治療后一般都建議進(jìn)行冠保護(hù)，將其所受的拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，增加牙冠的抗力，減少牙折斷或劈裂的可能性。傳統(tǒng)根管治療后的修復(fù)方案主要是直接全冠修復(fù)，當(dāng)剩余牙體組織較少時(shí)一般是先行植入纖維樁后再進(jìn)行全冠修復(fù)。隨著材料學(xué)、粘接技術(shù)的發(fā)展以及醫(yī)患雙方微創(chuàng)修復(fù)理念的提升，有學(xué)者提出了髓腔固位冠的修復(fù)方法[2]，這種修復(fù)方式有利于保存剩余牙體組織[3]，在臨床調(diào)查中也顯示出了較傳統(tǒng)全冠更優(yōu)良的力學(xué)性能以及成功率[4-5]。所以，對于根管治療后牙冠修復(fù)已有多種方案可供選擇，而對于幾種冠修復(fù)方式受力后的生物力學(xué)分析，國內(nèi)外尚未見文獻(xiàn)報(bào)道。本研究擬建立不同的下頜第一磨牙修復(fù)方案模型，通過三維有限元法研究牙體組織和修復(fù)體的應(yīng)力大小和分布情況，為臨床選擇修復(fù)方案提供參考。

1 材料與方法

1.1 樣本選擇

選擇外形正常，表面無齲壞、無缺損，無充填體和修復(fù)體，尺寸大小接近正常人均值的下頜第一磨牙[6]，去除牙體表面的牙周膜、牙石等附著物后，貯存于4℃，1%的氯胺T溶液中備用[3]。

1.2 有限元模型建立

1.2.1 牙齒掃描及重建三維數(shù)字模型 采用Micro CT(Siemens Inveon Multimodality system, Germany) 對牙齒進(jìn)行掃描，從牙尖掃描至牙根，掃描電壓80 kV，掃描電流500 mA，掃描層厚30 μm，掃描結(jié)束后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為Dicom格式并存儲。使用Mimics 12.0軟件(Materialise, Belgium)讀取CT文件，通過閾值調(diào)整處理，區(qū)分出牙釉質(zhì)、牙本質(zhì)和牙髓腔，計(jì)算生成下頜第一磨牙的牙體組織點(diǎn)云模型后導(dǎo)入Geomagic studio 11(Raindrop Geomagic, USA)。使用Geomagic軟件對生成的模型進(jìn)行表面去噪，對缺損處以及根尖孔進(jìn)行充填，并將其轉(zhuǎn)化為NURBS曲面，最后通過Unigraphics NX 8(UG Siemens， Germany)軟件中曲面縫合功能將曲面實(shí)體化，生成下頜第一磨牙三維實(shí)體模型。

1.2.2 不同修復(fù)方案的下頜第一磨牙修復(fù)體三維數(shù)字模型的建立 在建立的下頜第一磨牙三維數(shù)字模型基礎(chǔ)上，使用 Unigraphics NX 8軟件進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì),共設(shè)計(jì)5 種修復(fù)形式：嵌體組，全冠組、纖維樁加強(qiáng)全冠組、水平髓腔固位冠組、斜向髓腔固位冠組(圖 1)。

圖 1 5 種修復(fù)形式的實(shí)體模型截面圖

材料彈性模量(GPa)泊松比牙釉質(zhì)84.10.30牙本質(zhì)18.60.31牙周膜0.068 90.45硬質(zhì)骨13.70.30松質(zhì)骨1.370.33牙 膠6.9×10-40.45全瓷冠68.90.30樹脂粘接劑8.30.35流動樹脂6.50.30

1.2.3 建立有限元分析模型 將上述各組三維實(shí)體模型導(dǎo)入ANSYS(Swanson Analysis,Houston,PA,USA)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元采用10 節(jié)點(diǎn)的四面體。將模型中各材料和組織假設(shè)為連續(xù)、均質(zhì)和各向同性的線彈性材料(牙骨質(zhì)和牙本質(zhì)彈性模量極為接近，并且牙骨質(zhì)較薄，故簡化為同一物質(zhì))，模型中相關(guān)的材料參數(shù)[7-8]如表 1。

1.3 加載條件與邊界條件

應(yīng)力加載位于頰尖的舌斜面，施加載荷為正常人平均咬合力225 N，分別在 45°斜向和垂直方向進(jìn)行加載。邊界條件設(shè)定為牙槽骨的頰舌面及底部完全固定[9]。

1.4 主要觀察指標(biāo)

本研究以修復(fù)體以及牙體組織的等效應(yīng)力(EQV應(yīng)力)為應(yīng)力觀察指標(biāo)，記錄2 種加載方式下修復(fù)體和牙體組織的EQV應(yīng)力分布以及EQV應(yīng)力峰值。

2 結(jié) 果

2.1 不同修復(fù)形式有限元模型的建立

通過掃描離體牙，逆向工程建模、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)以及網(wǎng)格劃分建立了根管治療后5 種修復(fù)形式的有限元模型。各種修復(fù)方式模型粘接面的面積如表 2，全冠組以及纖維樁加強(qiáng)全冠組的粘接面積最大，而水平髓腔固位冠組、斜向髓腔固位冠組以及嵌體組粘接面積相差較小。

表 2 5 種修復(fù)體的粘接面積

2.2 垂直加載時(shí)的應(yīng)力分布情況

垂直加載時(shí)的牙體組織EQV應(yīng)力分布如圖 2，各實(shí)驗(yàn)組應(yīng)力均集中于牙體組織頸部。而對于修復(fù)體來說，嵌體組的EQV應(yīng)力集中于嵌體的咬合面；2 種全冠修復(fù)組的EQV應(yīng)力集中于冠頸部邊緣；而2 種髓腔固位冠組的應(yīng)力集中于髓腔粘接面。

2.3 斜向加載時(shí)的應(yīng)力分布情況

斜向加載時(shí)的修復(fù)體和牙體組織EQV應(yīng)力分布如圖 3，牙體組織和修復(fù)體的EQV應(yīng)力峰值均明顯高于垂直加載情況下的應(yīng)力值。與垂直加載相似，斜向加載時(shí)2 種全冠組以及2 種髓腔固位冠組牙體組織的應(yīng)力集中在牙體組織頸部；而與垂直加載不同，斜向加載時(shí)嵌體組牙體組織的應(yīng)力集中在牙冠咬合面。而對于修復(fù)體來說，各組斜向加載時(shí)應(yīng)力分布形式均與垂直加載時(shí)相似。

圖 2 垂直加載時(shí)修復(fù)體以及牙體組織EQV應(yīng)力分布

圖 3 斜向加載時(shí)修復(fù)體以及牙體組織EQV應(yīng)力分布

2.4 2 種加載后的EQV應(yīng)力峰值

無論施加垂直還是斜向的載荷時(shí)，對于牙體組織來說，嵌體組的EQV應(yīng)力峰值是所有實(shí)驗(yàn)組中最大的，而2 種全冠修復(fù)組的EQV應(yīng)力峰值較2 種髓腔固位冠高；而對于修復(fù)體來說，嵌體組的EQV應(yīng)力峰值是所有實(shí)驗(yàn)組中最小的，而2 種全冠修復(fù)組的EQV應(yīng)力峰值較2 種髓腔固位冠低。而全冠組與纖維樁增強(qiáng)全冠組相比以及水平髓腔固位冠組與斜向髓腔固位冠組相比，修復(fù)體以及牙體組織的EQV應(yīng)力峰值的大小均相差較小(表 3)。

表 3 牙體組織和修復(fù)體的應(yīng)力峰值 (Mpa)

3 討 論

隨著根管治療技術(shù)的發(fā)展，大錐度根管預(yù)備器械在臨床應(yīng)用越來越廣泛，而這類根管預(yù)備器械一般都要求直的根管通路，這就要求增大開髓孔以及髓腔預(yù)備，導(dǎo)致冠部牙體組織減少，所以目前根管治療后常規(guī)需要進(jìn)行冠修復(fù)以增大牙冠部分的抗力[10]。隨著粘接技術(shù)的發(fā)展以及微創(chuàng)治療理念的提升，國內(nèi)外學(xué)者也嘗試使用髓腔固位冠來修復(fù)根管治療后的牙齒[11-14]，這種修復(fù)方式有利于保存剩余牙體組織，特別是與全冠相比保留了牙頸部牙釉質(zhì)，而全冠修復(fù)中牙體組織應(yīng)力最大的位置就是牙頸部[15](圖 2～3)。所以髓腔固位冠不僅可以減少牙體預(yù)備量，更可以增加牙頸部抗力。

對于全冠組和纖維樁加強(qiáng)全冠組，無論是垂直加載還是斜向加載，其牙體組織應(yīng)力峰值均較嵌體組低，這說明全冠修復(fù)可以降低冠折的可能性。而垂直加載時(shí)全冠組的牙體組織EQV應(yīng)力峰值均較纖維樁加強(qiáng)全冠組大，而斜向加載時(shí)全冠組的牙體組織EQV應(yīng)力峰值均較纖維樁加強(qiáng)全冠組小。所以，植入纖維樁可以加強(qiáng)修復(fù)體和牙體組織抵抗側(cè)向應(yīng)力的能力，但并不能降低垂直向的應(yīng)力。同時(shí)，全冠組與纖維樁加強(qiáng)全冠組EQV應(yīng)力的分布及峰值均相差不大，這說明在沒有過薄牙壁的情況下，植入纖維樁并不能非常有效的降低修復(fù)體和牙體組織應(yīng)力。所以，對于四周牙壁均存在，且具有一定厚度的Ⅰ類洞并不建議做預(yù)防性纖維樁植入。

本研究顯示無論垂直加載還是斜向加載，牙體組織應(yīng)力最大的部分均為牙頸部。全冠修復(fù)需要去除部分頸部牙體組織，其中包含了強(qiáng)度最高的的釉質(zhì)，這會造成了頸部牙體組織抗力下降；而髓腔固位冠組保留了頸部牙體組織，對牙體組織頸部抗力無影響。因此，髓腔固位冠不僅EQV應(yīng)力較全冠組小，牙體組織抗力也較全冠組高，所以髓腔固位冠較全冠更能發(fā)揮其保護(hù)牙體組織的作用。然而需要強(qiáng)調(diào)的是：本研究的對象是牙體組織缺損較小的Ⅰ類洞根管治療后各種修復(fù)形式生物力學(xué)的比較，而對于Ⅱ類洞等較大牙體組織缺損時(shí)修復(fù)形式的選擇并不適用，較大缺損后牙體組織修復(fù)形式的生物力學(xué)分析還有待于進(jìn)一步研究。