不同切端設(shè)計(jì)的上頜中切牙瓷貼面三維有限元應(yīng)力分析

汪德州，姜雅萍，王歡歡，李 慧*，宋文植*

(1.吉林大學(xué)中日聯(lián)誼院 口腔科，吉林 長(zhǎng)春130033;2.青島醫(yī)學(xué)院附屬口腔醫(yī)學(xué)中心)

全瓷貼面是一種新型微創(chuàng)修復(fù)方法，不同于傳統(tǒng)的金屬烤瓷冠和全瓷冠，它采取不磨牙或僅磨除唇側(cè)或切端少量牙體組織的方式，將瓷貼面修復(fù)體通過(guò)粘接材料覆蓋于患牙表面，以恢復(fù)患牙美觀及功能[1]，具有牙髓刺激小、美學(xué)效果卓越、生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)，已成為義齒美學(xué)的首選修復(fù)方式和研究熱點(diǎn)[2,3]。

但牙體設(shè)計(jì)預(yù)備對(duì)瓷貼面修復(fù)效果和成功率的影響一直存在爭(zhēng)議，其中牙體切端設(shè)計(jì)一直是研究和爭(zhēng)論熱點(diǎn)[4，5]。目前爭(zhēng)論主要集中在切端預(yù)備與否、切端預(yù)備后為斜面鈍接型或舌側(cè)包繞型對(duì)修復(fù)體強(qiáng)度和成功率的影響上。故本實(shí)驗(yàn)選用臨床最常用的淺凹形頸部設(shè)計(jì)，采用三維有限元法分析不同切端設(shè)計(jì)對(duì)瓷貼面復(fù)合體應(yīng)力分布的影響，以期為瓷貼面美學(xué)修復(fù)的臨床應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

參照王惠蕓統(tǒng)計(jì)的中國(guó)人牙體測(cè)量平均值標(biāo)準(zhǔn)[6]，選用形態(tài)正常、無(wú)明顯磨耗的成人上頜離體中切牙標(biāo)本一顆。

日本東芝公司AQUILI ONE 320排動(dòng)態(tài)容積CT機(jī)；美國(guó)MSC公司 NASTRAN、PATRAN有限元分析軟件。

1.2 方法

1.2.1切端不同的上頜中切牙瓷貼面設(shè)計(jì) 瓷貼面頸部采用臨床最普遍的淺凹型設(shè)計(jì)，厚0.5 mm，根據(jù)切端設(shè)計(jì)不同分四種類(lèi)型 ：A．開(kāi)窗型：唇面形似開(kāi)窗，切緣余留少量牙釉質(zhì)，切緣及近遠(yuǎn)中釉質(zhì)邊緣形成淺凹形肩臺(tái)；B.切緣對(duì)接型：唇側(cè)磨除部分切端釉質(zhì)，粘接后瓷貼面與剩余釉質(zhì)共同組成切緣；C.切緣斜面型：切緣高度降低2 mm，切緣完全由貼面瓷層組成，但不包繞切端腭側(cè)；D.切緣包繞型：切緣磨除2 mm，包繞切緣至腭側(cè)1 mm，邊緣淺凹形肩臺(tái)(圖1)。

A：開(kāi)窗型B：切緣對(duì)接型C：切緣斜面型D：切緣包繞型

1.2.2有限元模型的建立和實(shí)驗(yàn)條件假設(shè) 使掃描平面與牙體長(zhǎng)軸垂直，以0.1 mm層厚掃描上頜中切牙，計(jì)算機(jī)上應(yīng)用MSC/PATRAN軟件生成相應(yīng)坐標(biāo)網(wǎng)格,依次輸入上頜中切牙及瓷貼面復(fù)合體各部分邊界信息,經(jīng)邊界平滑處理、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換完成圖像數(shù)字化,劃分有限元單元和結(jié)點(diǎn),均采用四面體單元完成切端不同設(shè)計(jì)的上頜中切牙瓷貼面修復(fù)體三維有限元模型(表1，圖2)。

表1 不同設(shè)計(jì)三維有限元模型單元總數(shù)和節(jié)點(diǎn)總數(shù)

假設(shè)瓷貼面復(fù)合體各部分間無(wú)相對(duì)滑動(dòng)，材料均為連續(xù)均質(zhì)的線(xiàn)彈性材料，材料為各向同性,變形為小變形，牙周膜處行剛性約束。力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 材料力學(xué)性能參數(shù)

加載條件：載荷100N，切緣頂端正中加載，方向：(1)腭唇向與牙體長(zhǎng)軸成60°加載；(2)平行牙體長(zhǎng)軸加載。

2 結(jié)果

不同加載條件下不同切端設(shè)計(jì)的瓷貼面復(fù)合體應(yīng)力峰值及應(yīng)力分布見(jiàn)表3及圖3—10。斜向加載時(shí)瓷貼面復(fù)合體各部分等效應(yīng)力值明顯大于平行加載，應(yīng)力集中區(qū)多出現(xiàn)在加載點(diǎn)附近及頸緣。斜向加載瓷貼面本身應(yīng)力峰值大小為包繞型>斜面型>開(kāi)窗型>對(duì)接型；粘結(jié)層和基牙應(yīng)力峰值大小為開(kāi)窗型>對(duì)接型>斜面型>包繞型。

表3 不同加載條件下切緣設(shè)計(jì)不同的瓷貼面復(fù)合體 Von Mises值(MPa)

A.瓷貼面；B.粘接層；C.基牙

A.瓷貼面；B.粘接層；C.基牙

A.瓷貼面；B.粘接層；C.基牙

A.瓷貼面；B.粘接層；C.基牙

A.瓷貼面；B.粘接層；C.基牙

A.瓷貼面；B.粘接層；C.基牙

A.瓷貼面；B.粘接層；C.基牙

A.瓷貼面；B.粘接層；C.基牙

3 討論

3.1 瓷貼面復(fù)合體受力與加載方向的關(guān)系

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知60°斜向加載時(shí)瓷貼面復(fù)合體各部分應(yīng)力最大值明顯高于平行加載。早期Troedson M[9]等分析結(jié)果證明應(yīng)力峰值隨著加載方向與牙體長(zhǎng)軸所成角度的增加而增加，此時(shí)除了加載點(diǎn)，應(yīng)力集中區(qū)還出現(xiàn)在瓷貼面復(fù)合體頸部粘接層內(nèi)，說(shuō)明斜向載荷對(duì)瓷貼面復(fù)合體的破壞性較大，導(dǎo)致粘接層破壞的力隨受力角度增大而增加。

3.2 瓷貼面復(fù)合體受力情況

與瓷貼面復(fù)合體承受外力方式及應(yīng)力傳導(dǎo)方式有關(guān)。首先瓷貼面本身受力，切端高度不降低的開(kāi)窗型和對(duì)接型在斜向加載時(shí)應(yīng)力峰值較小，磨除部分切端的斜面型和包繞型應(yīng)力峰值較大。是因?yàn)樵陂_(kāi)窗型和對(duì)接型中，外力載荷首先作用于切端部分保留的牙釉質(zhì)上，而斜面型和包繞型則直接作用于瓷貼面切端，瓷貼面內(nèi)部直接承受較大應(yīng)力。與之相反，在粘接層和基牙牙體中，開(kāi)窗型和對(duì)接型粘接層和基牙牙體受力明顯大于斜面型和包繞型，斜向力加載時(shí)開(kāi)窗型粘接層應(yīng)力峰值分別是斜面型和包繞型的2.10倍、2.88倍，基牙牙體應(yīng)力峰值均為斜面型和包繞型的4.11倍。

有趣的是，同樣不降低切端高度的對(duì)接型，無(wú)論是瓷貼面本身還是粘接層和基牙，各部分的應(yīng)力峰值均小于開(kāi)窗型,這可能是不同的應(yīng)力傳遞方式?jīng)Q定的。開(kāi)窗型設(shè)計(jì)中，載荷力經(jīng)高彈性模量的切端牙釉質(zhì)傳導(dǎo)至瓷貼面和粘接層，雖然可使瓷貼面本身應(yīng)力峰值有所下降，但牙體組織因直接承受外力導(dǎo)致形變?cè)黾?，使基牙本身和粘接層受到較大的破壞性應(yīng)力，而在對(duì)接型瓷貼面設(shè)計(jì)中，外加載荷直接由牙釉質(zhì)和瓷貼面切端共同承擔(dān)，相應(yīng)地基牙和粘接層形變較小，應(yīng)力分布比較均勻。

在斜面型和包繞型中，粘接層和基牙應(yīng)力峰值均較低。這是因?yàn)榍卸说男泵嫘魏桶@形設(shè)計(jì)增大了瓷貼面與基牙的粘接面積，使單位面積上承受的的破壞性應(yīng)力減小。同時(shí)切端預(yù)備改變了應(yīng)力傳遞方式，斜面形切端設(shè)計(jì)和包繞形切端設(shè)計(jì)分別為瓷貼面提供了垂直向停止作用和唇向停止作用，不僅有助于臨床精確就位和固位，而且減小了粘接層內(nèi)所受的垂直和水平向破壞性應(yīng)力，使粘接層和基牙應(yīng)力分布更加均勻。臨床上瓷貼面的失敗多由于瓷材料的破裂或貼面松動(dòng)脫落，因此臨床選擇病例要嚴(yán)格，設(shè)計(jì)和使用時(shí)均應(yīng)注意增加應(yīng)力集中區(qū)瓷層厚度和強(qiáng)度，增加粘結(jié)面積，引導(dǎo)應(yīng)力沿牙體長(zhǎng)軸傳導(dǎo)。