骨替代材料修復(fù)牙槽骨缺損的有限元分析

方煒 馬偉群 陳軍 羅震 楊柳青

（1 南方醫(yī)科大學(xué)口腔醫(yī)院頜面外科門診 廣東 廣州 510280）

（2 廣州市婦女兒童醫(yī)療中心口腔科 廣東 廣州 510623）

牙槽嵴吸收主要表現(xiàn)在牙槽嵴垂直高度的降低和水平寬度的減小。在拔牙后的前6 個(gè)月吸收速度最快，牙槽嵴骨水平寬度平均減少2.9% ～63%，骨垂直高度降低11% ～22%。臨床可采用的治療策略包括引導(dǎo)骨再生、塊狀骨移植、牙槽嵴劈開或牽張成骨[1]。引導(dǎo)骨再生技術(shù)指的是通過植入膜和移植材料為骨缺損提供修復(fù)的空間和促進(jìn)骨組織再生[2]。已有眾多研究證明引導(dǎo)骨再生技術(shù)可有效促進(jìn)骨缺損再生，已成功運(yùn)用在臨床治療中。但眾所周知垂直向骨缺損比水平向骨缺損的治療更具有難度[3-5]。由于口腔這一特殊環(huán)境，垂直向骨缺損再生失敗的主要原因是咀嚼壓力過大，導(dǎo)致膜和移植材料所維持的成骨空間塌陷。

但目前未見相關(guān)文獻(xiàn)分析咀嚼壓力作用下，頜骨內(nèi)骨替代材料的力學(xué)分布。因此本研究設(shè)計(jì)一種固定鈦膜的鈦種植體，利用三維有限元分析其支撐和分散頜骨內(nèi)咀嚼壓力，并研究顆粒狀骨替代材料在骨缺損區(qū)的移位和力學(xué)分布。

1. 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

用ABAQUS 軟件繪制簡化的下頜骨缺損局部梯形骨塊模型，總高20mm，近遠(yuǎn)中方向?yàn)?3mm，頰舌方向?yàn)?mm，皮質(zhì)骨厚2mm，分別在頰、舌、上三個(gè)方向包繞松質(zhì)骨。骨缺損區(qū)域深度8mm，近遠(yuǎn)中方向?yàn)?mm，頰舌方向?yàn)?mm，頰舌側(cè)骨壁缺失。該簡化模型排除周圍組織和神經(jīng)肌肉系統(tǒng)。本實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷拿總€(gè)構(gòu)件認(rèn)為線性彈性并為均勻。

實(shí)驗(yàn)共設(shè)計(jì)三組模型，A 為下頜骨缺損骨塊模型，骨缺損區(qū)域充填顆粒狀骨替代材料；B 為下頜骨缺損骨塊模型，骨缺損區(qū)域充填顆粒狀骨替代材料，鈦膜覆蓋缺損區(qū)域；C 為下頜骨缺損骨塊模型，骨缺損區(qū)域充填顆粒狀骨替代材料，鈦種植體植入骨缺損區(qū)域固定支持鈦膜。

1.2 材料性能及負(fù)載條件

皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨(II 類骨) 的楊氏模量為13700MPa 和1370MPa，泊松比均為0.3。顆粒骨替代材料的楊氏模量為365MPa，泊松比為0.2。鈦膜、鈦帽和鈦種植體的楊氏模量為103400MPa，泊松比均為0.35。在三組模型相同位置，均勻加載垂直向力200N，負(fù)載力面積相等（D=5mm）。

2. 結(jié)果

3.1 應(yīng)力分布

整體模型中，A 模型Mises 應(yīng)力最大值位于顆粒狀骨替代材料中，呈弧形塌陷。A 模型顆粒狀骨替代材料Mises 應(yīng)力最大值為8.042MPa，B 模型顆粒狀骨替代材料Mises 應(yīng)力最大值為8.009MPa，C 模型顆粒狀骨替代材料Mises 應(yīng)力最大值2.612MPa，位于負(fù)載作用面的正下方，呈弧形塌陷，位于顆粒狀骨替代材料中。B、C 模型Mises 應(yīng)力最大值分別位于鈦膜和鈦種植體。B模型顆粒狀骨替代材料Mises 應(yīng)力最大值為8.009MPa。C 模型顆粒狀骨替代材料Mises 應(yīng)力最大值2.612MPa，降幅為67.52%，位于與種植體中部連接處。B 模型應(yīng)力集中的區(qū)域分布在鈦膜負(fù)載作用面的中心處，Mises 應(yīng)力最大值1114MPa，C 模型應(yīng)力集中區(qū)域位于種植體內(nèi)部中心軸，Mises 應(yīng)力最大值1525MPa，鈦帽和鈦種植體連接處Mises 應(yīng)力最大值17.02MP。

2.2 討論

生物力學(xué)是植入物成功和穩(wěn)定的重要考慮因素之一，特別在口腔這一復(fù)雜環(huán)境，植入物受到來自頰部、舌部肌肉和咀嚼力等多方面應(yīng)力影響[6]。有限元分析具有許多優(yōu)勢，給予適當(dāng)?shù)臈l件和已知物理性質(zhì)，排除不相關(guān)的實(shí)驗(yàn)外部因素，可用于研究復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)或各種材料組成的物體三維整體的應(yīng)力分布、方向、應(yīng)力大小和移位[7]。植入物的成功取決于外力是如何分布到周圍的骨組織[8]。本研究中鈦種植體固定鈦膜為植入顆粒骨維持空間，達(dá)到“帳篷效應(yīng)”，當(dāng)垂直向力作用通過種植體有效傳遞到松質(zhì)骨。三組模型對比，模型頜骨內(nèi)應(yīng)力集中位置從植入物- 皮質(zhì)骨- 松質(zhì)骨接觸界面轉(zhuǎn)移到皮質(zhì)骨- 松質(zhì)骨接觸界面。模型中顆粒狀骨替代材料Mises 應(yīng)力最大值，下降幅度也是相當(dāng)明顯。

需要注意的是，在本研究中的模型是均勻和線性彈性，這不一定在臨床實(shí)踐中存在，而且在實(shí)際臨床中存在許多不確定性，如顆粒狀骨替代材料隨壓力和時(shí)間推移，其密度也變化；皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨條件隨個(gè)體變化等因素。本研究的目的是提供一個(gè)生物力學(xué)原理，為臨床治療作參考。

3. 結(jié)論

根據(jù)本研究結(jié)果，所測試的鈦種植體固定鈦膜足夠支撐和增強(qiáng)植入顆粒狀骨替代材料的穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)論需要進(jìn)一步在后期動(dòng)物和臨床研究必須中確認(rèn)。本次研究提示在臨床骨缺損植入手術(shù)中需考慮應(yīng)力在植入物的分布，減少植入物的微動(dòng)，以增加手術(shù)成功。