第一磨牙作为口腔中较早萌出并建牙合的恒牙之一,在形成正常咬合系统的过程中扮演着不可或缺的角色。临床上第一磨牙的缺失会导致邻牙倾斜、对颌牙伸长等问题,严重影响咀嚼功能及咬合关系。种植修复技术广泛应用于此类牙列缺损病例中。磨牙在口腔咀嚼机制中的生物力学背景错综复杂,不同咬合接触方式下,第一磨牙所承受的力量也不尽相同
[1]。因此其在种植修复后所遭遇的力量分布也具有差异性。此外,有研究
[2-4]认为,在种植修复中,金属材料疲劳、冠(桥)设计不合理、负荷压应力过大等因素会使种植修复体受到创伤性的力量,进而出现种植基台脱落或折断、螺纹滑丝或螺钉松动、种植冠(桥)无法戴入就位、种植冠(桥)折断及崩瓷等情况。由此可见,探究在不同咬合关系下,第一磨牙行种植修复后所承受的力学状态,对于完善种植修复策略、提升种植手术的成功率及长期稳定性具有至关重要的意义。本研究通过建立上颌第一磨牙种植修复体及周围骨组织的三维有限元模型,针对上颌第一磨牙在不同咬合接触条件下的种植修复过程进行力学性能的模拟及评估,分析不同咬合接触下上颌第一磨牙种植修复体各部分的应力、应变、位移等参数及应力分布。
1 资料与方法
1.1 一般资料
选取1份符合标准的口腔科患者影像学资料。纳入标准:①单颗上颌第一磨牙缺失;②种植体类型为4.0 mm×10.0 mm Dentium种植体;③修复基台为DAB4515NL常规基台;④骨质类型为Zarb骨分类中的Ⅱ类骨;⑤种植上部修复体材料为二氧化锆。排除标准:①正畸治疗史;②种植修复区有严重骨缺损者;③颌骨区外伤史、病理性损伤;④妊娠期者;⑤X线影像伪影影响颌骨识别者;⑥有牙周病相关疾病骨吸收严重者;⑦骨质疏松病史、双膦酸盐用药史、头颈部放疗治疗史及其他任何可能影响骨质的因素。
1.2 方法
①建立三维有限元模型:通过口腔锥形束CT设备(AERO-X,中国)获取原始影像学资料,并将资料存储为DICOM格式。本研究仿真3D模型包括:种植体、种植体中央螺丝、种植体基台、皮质骨、松质骨、与种植体匹配的修复体单牙以及放置对应点位的若干载荷圆柱。将患者CT影像数据导入Mimics Research 19.0软件(Materialise,比利时)建出,DICOM格式文件导入Mimics软件后,选择合适阈值得到粗糙的上颌骨模型,以STL(Standard Tessellation Language,立体光刻语言)格式导出。将粗糙的上颌骨导入Geomagic Wrap 2015软件(Geomagic,美国),逆向修复出不含牙齿的上颌骨模型,光滑所有锐利棱角,消除多余壳体,此过程中保持模型相对位置不变,以STL格式导出保存。
②将处理好的上颌骨、上颌第一磨牙种植修复体模型以及在SolidWorks 2020软件(Dassault Systemes,美国)中设计的一套种植体模型一并导入3-matic 12.0软件(Materialise,比利时)中,在3-matic软件中完成上述模型的就位装配(
图1)。以上颌骨为基础整体缩放2 mm得到完整松质骨模型及经布尔运算后的完整皮质骨模型;以第一磨牙位点种植体为参考分别向近远中偏移5 mm并经布尔运算后得到局部的所需的皮质骨及松质骨模型,以便进行单独材料赋值,获取皮质骨及松质骨的在不同受力下的数据。将所有模型在3-matic 12.0软件中划分四面体分体网格,以组件数据库(component database,CDB)格式导出保存,至此完成所有模型的设计与装配。
③模型导入ANSYS:使用ANSYS 2022R1软件(ANSYS,美国)中的External Model模块导入建立的所有CDB格式模型,连接Static Structural模块
[1]。
④经模型网格独立性检验分析,相邻数量级网格计算应力结果误差在5%以内,即网格独立性检验通过并选取各部件网格数量(
表1)。
⑤定义部件材料属性及接触性质:定义各部件的材料属性参数,依照下表完成部件材料的属性参数设定(
表2)
[5]:假设种植体修复体模型各部分之间接触关系为绑定接触,种植体与牙槽骨之间为完全骨结合,依照下表完成部件之间的接触设定(
表3)。
⑥创建载荷:本研究中仿真在修复体牙面的4个牙尖及3个窝沟共计设置了7个横截面积为1 mm
2的圆柱,将圆柱根据咬合情况分为3组(正常覆盖、反覆盖、对刃状态),圆柱均与种植体的长轴线重合,并与修复体牙合面紧密接触。对圆柱施加大小为300N的轴向及斜向力
[6](
图2、
图3)。固定上颌骨近远端截面,使其不产生任何位移。
⑦种植体三维有限元建立及观察指标:应用三维有限元分析手段,构建出涉及种植修复体及其相应颌骨构造的数学模型。在模拟过程中,运用静态载荷条件,并在中性咬合位置的基础上,对应于正常覆盖、反覆盖以及对刃状态这3种不同的咬合状态,指定载荷的施加位置、大小及其作用方向。在实施对三维有限元模型施加力学载荷的过程中,通过控制不同的变量,可获得在不同条件下模型的应力分布状况
[7-8]。通过对所得数据汇总与分析,得出种植修复体各部位所承受的等效应力峰值及其分布特征。
⑧本研究属结构力学相关研究,采用三维有限元分析软件进行建模与分析,并通过应力分布云图及数据图表形式,说明上颌第一磨牙种植修复体模型在不同咬合接触作用下,其各部分的应力分布特征,该研究为描述性研究。
2 结 果
2.1 正常覆盖下种植修复后的受力分析
在正常覆盖条件下,本研究设定上颌第一磨牙的近远中舌尖、近中窝、中央窝以及远中窝为主要受力区域,在主要受力区域加载轴向及斜向的力后得到种植修复体在正常覆盖条件下的受力图以及受力分析数据见
图4、
图5、
表4、
表5。
2.2 反覆盖下种植修复后的受力分析
在反覆盖条件下,本研究设定上颌第一磨牙的近远中颊尖、近中窝、中央窝以及远中窝为主要受力区域,在主要受力区域加载轴向及斜向的力后得到种植修复体在反覆盖条件下的受力图以及受力分析数据见
图6、
图7、
表6、
表7。
2.3 对刃状态下种植修复后的受力分析
在对刃状态下,本研究设定上颌第一磨牙的近远中颊尖以及近远中舌尖为主要受力区域,在主要受力区域加载轴向及斜向的力后得到种植修复体在对刃状态下的受力图以及受力分析数据见
图8、
图9、
表8、
表9。
2.4 上颌第一磨牙种植修复应力集中分布情况
在3种不同咬合接触条件下,分别对上颌第一磨牙种植修复体模型进行轴向以及斜向加载,即形成六种工况。在这六种工况中反映出的应力集中分布区域普遍为修复体载荷部位、种植修复体颈部连接处(修复体颈部、基台与种植体连接处、中央螺丝颈部)及颈部周围骨组织。其中,中央螺丝整体的应力水平较高,骨组织的应力主要分布于颈部周围皮质骨。
2.5 上颌第一磨牙种植修复体力学情况
相同咬合接触方式下,斜向加载时种植修复体各部分(皮质骨、松质骨、修复体、中央螺丝、基台、种植体)的应力、应变和位移均大于轴向加载。不同咬合接触方式相比,上颌第一磨牙种植修复体各部分的应力峰值分别出现在正常覆盖斜向加载和对刃状态斜向加载时。不同咬合接触方式条件下,上颌第一磨牙种植修复体各部分的最大等效应力值的排序基本一致,由大到小依次为种植体、基台、修复体、中央螺丝、皮质骨、松质骨,其中以正常覆盖斜向加载条件下,最大等效应力值的极差最大。
3 讨 论
在成功的种植修复中种植体与牙槽骨应该为刚性的骨结合状态,而天然牙齿的牙根与牙槽骨之间存在牙周组织,当牙齿受到咬合力时,牙周膜可以起到缓冲作用,这也是种植修复体与天然牙的不同之处。牙周膜内有丰富的神经纤维传递触、压、痛和温觉,感受和判断牙体所受的压力大小、位置和方向。因此由于缺乏牙周组织给予的保护,种植修复体的咬合力敏感度更低,容易出现因咬合力过大导致基台或中央螺丝松动、折断等现象
[9]。
本研究在改变咬合接触条件和载荷方向进行施力后显示应力集中分布区域普遍为修复体载荷部位、种植修复体颈部连接处(修复体颈部、基台与种植体连接处、中央螺丝颈部)及颈部周围骨组织。其中,中央螺丝整体的应力水平较高,骨组织的应力主要分布于颈部周围皮质骨。由此可见,上颌第一磨牙种植修复体的主要受力区域位于颈部,颈部各部分结构如出现异常则可能导致机械并发症,从而影响种植修复的长期效果
[10]。研究
[11]通过多篇综述整理种植体并发症显示单颗种植修复体最常见的并发症为螺丝松动,而本研究中央螺丝整体的应力水平较高,与这一分析结果相吻合。骨质与骨组织的应力值相关,研究
[12]证实借助上颌窦提升术及骨替代材料的植入,能够显著增加上颌后牙区的骨量,从而减轻种植体与骨接触面的应力,且研究者通过施加不同方向的力得到的结果认为垂直载荷对于种植修复体的稳固性及周围骨组织的应力分布有益。本研究结果得知,种植修复体颈部周围骨组织存在应力集中区域,此时咬合产生的力量通过种植修复体各部传递至颌骨后,骨组织应力也发生变化,骨组织结构在新的应力条件下将发生改建。当咬合过载时可导致种植体周围骨吸收,甚至出现种植体骨结合界面破坏,从而导致种植修复失败,可见在种植修复中咬合接触与颌骨同样关系密切
[13]。研究
[14]表明利用有限元分析骨组织条件和骨结合率对短种植体应力分布的影响,由本研究得知骨组织的最大应力集中在种植修复体颈部周围的皮质骨,本研究与其结果一致,此外,随着骨结合率提高,骨组织和种植修复体的最大应力会变大,且骨组织条件恶化也会导致骨组织和种植修复体的最大应力变大。
正常覆盖并进行轴向加载的过程中,本研究所施加的力量沿种植体的主轴方向传递。种植修复体的各个组成部分承受的应力、应变以及位移均维持在一个相对恒定的水平,保证了整体结构的稳定性。在实施反覆盖轴向加载过程中,尽管种植体所承受的咬合力方向与正常覆盖轴向加载的情形存在一定差异,然而,力的主要传递路径仍旧集中在种植体的纵向轴线周围。与正常覆盖轴向加载比较差异无统计学意义。对刃状态轴向加载的过程中,本研究观察到种植体(除修复体外)承受的力相对较低,且应力峰值变化较平缓。可能由于对刃状态下咬合接触面积小,且咬合力在一定程度上仍然趋近于种植体长轴的方向,因此有效降低了侧向力产生的不利效应。
本研究显示,当实施斜向负载时,种植修复体结构各个组件的应力水平均明显增加,可能影响种植修复体的整体稳固性。由于此时施加的力量与种植体的主轴产生偏离,导致种植修复组件受到较大的横向分力,这种分力使种植体承受了扭转及弯曲的力矩作用,因此应力、应变以及位移的量级显著提升。在咬合接触状态下,若上下磨牙为尖对尖咬合,施加斜向载荷时,咬合力不仅无法沿种植体的主轴方向传递,且极易导致应力在局部区域过分集中。在以往有关种植体植入角度与种植修复体受力相关性的研究
[15]中,倾斜种植体在受到垂直方向和斜向载荷时所受到的应力与应变均出现了明显的不同,呈现出随种植体倾斜角度增加,应力、应变也逐渐增大的趋势。
不同咬合接触方式下,上颌第一磨牙种植修复体各部分的应力峰值分别主要出现在正常覆盖斜向加载和对刃状态斜向加载时,表明在这2种工况下上颌第一磨牙种植修复体各部分受力相对较大。而种植修复体各部分的最大等效应力值的排序在不同的咬合接触方式中基本一致,由大到小依次为种植体、基台、修复体、中央螺丝、皮质骨、松质骨。Hong等
[16]对于种植体不同材料的受力进行研究,以期获得更符合天然牙状态的种植修复材料,为临床中第一磨牙种植修复策略的构建提供了理论基础
[17]。
临床中确定准确、稳定的咬合关系是制作精确、高质量修复体的关键
[18]。咬合关系影响着应力在种植修复体各结构及种植体―骨界面的分布
[19]。此外,咬合关系也是影响种植修复后邻接关系的关键因素
[20]。在进行治疗前方案设计和治疗中植体植入时,医师应深入分析患者的咬合状况,尽量规避不良咬合接触,从而提高种植修复成功率。实际操作中力求达到正常的咬合模式,如果患者治疗前存在严重异常咬合种植条件不足,应探究这种状态下对种植修复体各组成部分所承受力量的潜在影响,选择适宜的手术方式。也可以借助T-Scan定量分析单颗后牙种植修复体的咬合接触情况,避免出现不良的咬合受力,从而保护种植修复体
[21]。在特定情形下,优先实施咬合关系的调整或正畸处理。当咬合关系调整空间不大或无法实现正畸联合治疗的情况时,结合本研究结果,并不一定需要追求完全正常咬合,优先考虑修复体能达到轴向受力的植入方式。本研究研究的重点是希望对种植修复的临床工作有所帮助,结合本研究结果,在种植修复体形态的设计方面,考虑反覆盖情况下,可以调整种植体植入角度来减小非轴向分力或与技师沟通改变修复体形态,如降低牙尖斜度,减小咬合接触面积等,但需注意避免出现咬颊、咬舌和食物嵌塞等。在对刃状态下,由于修复体载荷部位存在应力集中,因此相较于正常的天然牙形态应降低牙尖高度,让咬合力量更均匀分散。同样,如面临因机械并发症导致种植修复失败的患者,应仔细检查患者的咬合是否存在异常,再次种植修复之前综合考虑修复体受力问题。
良好的咬合设计、调整和维护能够减少机械并发症或生物并发症的发生,并且提高种植修复远期成功率
[22]。在承载力的过程中,由于基台、中央螺丝与种植体需要承受较大的压应力,因此,在设计种植修复体及其材料选取过程中,须严格依照咬合力的具体分布进行精细化调整与优化,选择合适的长度、直径及形态的种植体,利用角度基台,根据缺牙区情况选择修复体材料。例如在设计方案时将种植修复体的冠根比纳入考量,梁雄穗等
[23]对不同冠根比的模型进行施力后显示,冠根比越大,模型侧向受力时的应力随之增大,当冠根比≥1.5∶1时,基台和基台螺丝上的von-Mises应力峰值超过纯钛的屈服强度,临床上应慎用此种冠根比,避免种植修复体颈部发生疲劳。优先考虑那些具有高强度与高弹性模量的材料增强其负载承受能力。有研究
[24]通过有限元分析表明,种植体材料组成显著影响种植体周围的应力分布和变形模式,该研究中碳纤维增强聚醚醚酮表现出了良好的生物学性能。也有研究
[25]认为基台和牙冠弹性模量的变化对种植体周围骨的应力大小或分布没有显著影响:然而,材料硬度影响修复体内的应力分布。设计种植体植入的具体倾斜角度及其空间定位过程时,必须对咀嚼力的传递路径进行周密的评估。种植体处于功能性状态时,其承受的力量以轴向力为主,尽可能降低侧向力的影响,从而提升种植体长期稳定性。
本研究在构建模型过程中,采纳了单一影像学资料作为基础进行生物力学模拟分析,未能全面考量口腔实际应用场景中涉及的诸多复杂变量,如患者骨骼质量的具体状况、咬合习惯的差异以及咀嚼力量的不同等因素。由于三维有限元模型的局限性,本研究假设种植体与牙槽骨之间为完全骨结合,未考虑到种植体初期稳定性及骨整合过程中的不确定因素可能带来的影响,在力的加载方向上,受条件影响,将加载方向简化为轴向加载和斜向加载。在斜向加载中,为保证本研究条件的统一和结果的可比性,将3种情况统一为斜向舌尖方向。而在实际动态咬合过程中,咬合接触点受力方向多元且复杂。未来的研究中可考虑拓展样本规模,在本研究方式上增加动态加载,对影响种植修复体力学性能的多元因素进行整合性探讨,并在实际临床治疗过程中追踪患者种植修复后的长期效果。
邢台市科技计划项目(2023ZC176)