短种植体修复牙槽骨吸收下颌磨牙的三维有限元分析

陈俊良１，２ 刘旭琳２ 张潇月２ 田欣２ 何芸１，２＊（１．西南医科大学附属口腔医院口腔颌面外科 四川 泸州 ６４６０００；２．西南医科大学口颌面修复重建和再生实验室 四川 泸州 ６４６０００）［摘要］ 目的：对比分析种植修复牙槽骨严重吸收的下颌第二磨牙时，不同长度种植体和牙冠直径对种植体及周围骨组织的影响。旨在为短种植体修复下颌第二磨牙的应用奠定理论基础。方法：将影像学资料导入软件，建立６个不同修复方式的模型，对牙冠施加垂直向１５０Ｎ 的载荷，比较分析不同模型的生物力学性能。结果：与长种植体模型相比，短种植体模型的种植体最大位移值和骨皮质最大应力值均较之更小，而骨松质最大应力值较之更大。随着牙冠减径的比例增加，种植体的最大位移值、骨皮质最大应力值、骨松质最大应变值均减小。结 论：从 生 物 力学角度来看，短种植体修复牙槽骨严重吸收的下颌第二磨牙是一种比较可靠的修复方式。对牙冠进行减径处理能降低种植体位移、骨组织应力和应变。［关键词］ 短种植体 应力 应变 三维有限元

种植修复是目前被广泛认可和最为流行的口腔修复方法之一。但种植体的植入常受到骨量和骨质的限制。特别是长时间缺牙的患者和牙周病、外伤和颌骨手术后的患者，常伴随严重的牙槽骨骨量不足，难以直接植入常规长度的种植体，这使种植修复面临巨大挑战。这类病例虽可以通过上颌窦提升术、下牙槽神经移位术、骨增量术等，实现种植治疗，但这些手术又带来操作相对复杂、增加额外费用，术后反应严重、效果不稳定等缺点［１］。短种植体的应用，为这类病例的种植治疗提供了新的思路。短种植体通常指长度小于８ｍｍ的种植体［２］。它主要用于牙槽骨高度不足的后牙种植修复。随着材料和临床技术的不断发展，近年的多项临床研究表明：在合理的设计下，短种植体能获得良好的初期稳定性，其成功率与常规种植体相似［３，４］。但是，目前对短种植体的临床研究较多，生物力学相关研究相对缺乏。三维有限元法可以从生物力学角度对短种植体修复的危险因素等进行预警，指导修复设计以避免产生应力分布不均和过大等不良的生物力学效果，避免种植修复失败等问题。

修复体牙冠减径可以减小咬合接触面积，使种植体－骨界面的应力值减小，同时又能够促进种植体周围骨组织的代谢，维护骨组织的健康［５］。修复牙弓中段的缺失牙时，由于近远中接触关系的限制，一般只能减小颊舌径。但是，在修复牙弓末端缺失牙如第二磨牙时，可以通过减少颊舌径和近远中径来实现牙冠减径。修复牙冠减径在短种植体的应用中尤为重要，它在一定程度了补偿了失调的冠根比［６］。本研究，以牙槽骨严重吸收的下颌第二磨牙为例，选取合适患者的影像学资料，建立６种不同的种植体修复方案的三维有限元模型，对比分析其生物力学特征，揭示不同长度种植体和牙冠直径对种植体以及周围骨组织的影响。旨在为短种植体修复下颌第二磨牙的应用奠定坚实的理论基础。

材料与方法

１．１ 影像资料获取

获取１名下颌第二磨牙缺失成人患者的ＣＢＣＴ影像学资料。该患者颌骨形态正常、无颌骨手术史，下颌第二磨牙区牙槽骨吸收严重（管嵴距高度约为９ｍｍ，患者咬合较紧，牙槽嵴顶到对颌牙的垂直距离约１０ｍｍ）。受试者对实验知情同意。三维有限元分析软件：ＭｉｍｉｃｓＲｅｓｅａｒｃｈ１７．０，３－ＭａｔｉｃＲｅｓｅａｒｃｈ１９．０ （ＭａｔｅｒｉａｌｉｓｅＮＶ，Ｌｅｕ－ｖｅｎ，Ｂｅｌｇｉｕｍ）和ＭＳＣ．Ｍａｒｃ／Ｍｅｎｔａｔ２０１２（ＭＳＣ．Ｓｏｆｔｗａｒｅ，ＳａｎｔａＡｎａ，ＣＡ）

１．２ 实验方法

１．２．１ 模型的建立 将 Ｄｉｃｏｍ 格式的 ＣＢＣＴ 影像学数据导入 ＭｉｍｉｃＲｅｓｅａｒｃｈ１７．０，获取包括第一磨牙及其周围骨组织、缺失第二磨牙及其远中骨组织的右下颌骨片段。建立３个 ｍａｓｋ：骨皮质、骨松质、牙 齿。将 ｍａｓｋ 行 三 维 重 建 后 导 入３－Ｍａｔｉｃ Ｒｅ－ｓｅａｒｃｈ１９．０，并 将 种 植 体 （ｔｉｏＬｏｇｉｃ ，ＤｅｎｔａｕｒｕｍＧｍｂＨ ＆ｏ．ＫＧ，Ｉｓｐｒｉｎｇｅｎ，Ｇｅｒｍａｎｙ）的 ＣＡＤ 数据导入，并插入到下颌第二磨牙区骨组织的合适位置，分别建立模拟６种不同修复方式的模型。在下颌第二磨牙区植入５．５ｍｍ×７ｍｍ 种植体，不同牙冠直径修复 的 模 型３个：（１）行 正 常 大 小 的 牙 冠 修复。（２）牙冠颊舌径和近远中径均减小１０％。（３）牙冠近远中径减小１０％，颊舌径减小２０％。下颌后牙区ｏｎｌａｙ植骨，骨块最大长、宽和高约为２０ｍｍ×７ｍｍ×４ｍｍ，并使之与牙槽骨形态相协调，植骨后下颌第二磨牙区管嵴距约 １３ ｍｍ，可 允 许 植 入４．８ｍｍ×１１ｍｍ 种植体。不同牙冠直径修复的模型３个：（４）行正常 大 小 的 牙 冠 修 复。（５）牙 冠 颊 舌径和近远中径均减小１０％。（６）牙冠近远中径减小１０％，颊 舌 径 减 小２０％。然 后，将 模 型 转 化 为 实 体三维 模 型 （四 点 的 四 面 体），并 导 入 Ｍａｒｃ／Ｍｅｎｔａｔ２０１２，进行材料性质、接触面、边界条件、负载及分析需求的设定。

１．２．２ 实验 假 设 及 材 料 性 质 

所 有 材 料 假 设 为 连续、均质、各向同性的线弹性材料。因患者下颌后牙区牙槽骨为二类骨，故按照二类骨相关参数设置骨组织材料 性 质。各材料物理参数见表１［７－９］。接 触面假设：假设下颌第二磨牙牙冠和种植体基桩之间，下颌 第 二 磨 牙 牙 冠 和 第 一 磨 牙 牙 冠 之 间 为 接 触（ｃｏｎｔａｃｔ）关系。其余各部分之间无相对滑动，种植体与骨已经 形 成 骨 整 合，且 结 合 率 为１００％。载 荷及边界条件：在模型的底部和近远中骨皮质施加多个点的三向平移及旋转约束，限制其三维空间上的移动。通过 ＲＥＢ’２命 令，建 立 多 个ｌｉｎｋ，均 匀 连 接下颌第二磨牙顶端多个节点（确保模型受力均匀、一致），对每 个 模 型 均 施 加 １５０ Ｎ 的 垂 直 向 载 荷 （图１）。

１．２ 实验方法

１．２．１模型的建立将 Ｄｉｃｏｍ 格式的 ＣＢＣＴ 影像学数据导入 ＭｉｍｉｃＲｅｓｅａｒｃｈ１７．０，获取包括第一磨牙及其周围骨组织、缺失第二磨牙及其远中骨组织的右下颌骨片段。建立３个 ｍａｓｋ：骨皮质、骨松质、牙齿。 将 ｍａｓｋ 行三维重建后导入３－ＭａｔｉｃＲｅ－ｓｅａｒｃｈ１９．０，并将种植体 （ｔｉｏＬｏｇｉｃ ，ＤｅｎｔａｕｒｕｍＧｍｂＨ＆ｏ．ＫＧ，Ｉｓｐｒｉｎｇｅｎ，Ｇｅｒｍａｎｙ）的 ＣＡＤ 数据导入，并插入到下颌第二磨牙区骨组织的合适位置，分别建立模拟６种不同修复方式的模型。在下颌第二磨牙区植入５．５ｍｍ×７ｍｍ 种植体，不同牙冠直径修复的模型３个：（１）行正常大小的牙冠修复。（２）牙冠颊舌径和近远中径均减小１０％。（３）牙冠近远中径减小１０％，颊舌径减小２０％。下颌后牙区ｏｎｌａｙ植骨，骨块最大长、宽和高约为２０ｍｍ×７ｍｍ×４ｍｍ，并使之与牙槽骨形态相协调，植骨后下颌第二磨牙区管嵴距约 １３ｍｍ，可允许植入４．８ｍｍ×１１ｍｍ 种植体。不同牙冠直径修复的模型３个：（４）行正常大小的牙冠修复。（５）牙冠颊舌径和近远中径均减小１０％。（６）牙冠近远中径减小１０％，颊舌径减小２０％。然后，将模型转化为实体三维模型 （四点的四面体），并导入 Ｍａｒｃ／Ｍｅｎｔａｔ２０１２，进行材料性质、接触面、边界条件、负载及分析需求的设定。

１．２．２实验假设及材料性质 

所有材料假设为连续、均质、各向同性的线弹性材料。因患者下颌后牙区牙槽骨为二类骨，故按照二类骨相关参数设置骨组织材料性质。各材料物理参数见表１［７－９］。接触面假设：假设下颌第二磨牙牙冠和种植体基桩之间，下颌第二磨牙牙冠和第一磨牙牙冠之间为接触（ｃｏｎｔａｃｔ）关系。其余各部分之间无相对滑动，种植体与骨已经形成骨整合，且结合率为１００％。载荷及边界条件：在模型的底部和近远中骨皮质施加多个点的三向平移及旋转约束，限制其三维空间上的移动。通过 ＲＥＢ’２命令，建立多个ｌｉｎｋ，均匀连接下颌第二磨牙顶端多个节点（确保模型受力均匀、一致），对每个模型均施加 １５０Ｎ 的垂直向载荷 （图１）。

１．３ 主要观察指标 

记录比较不同模型的种植体位移，皮质骨应力和松质骨应变。

２ 结果

２．１ 网格划分 本实验共建立三维有限元模型共６个。其单元和节点数目见表２。

２．２ 种植体位移对比 

各 个 模 型 种 植 体 的 最 大 位移值比较见表３。所有模型的种植体最大位移值均小于１０μｍ。６个模型中，短种植体－冠减２０％模型的种植 体 最 大 位 移 值 最 小，仅 为 ３．６０μｍ；长 种 植体－牙冠 正 常 模 型 的 种 植 体 最 大 位 移 值 最 大，为９．２０μｍ。短种植体模型的种植体最大位移值较长种植体模型的小。随着牙冠减径的比例增加，种植体的最大位移值减小。

２．３ 骨皮质应力对比 各 个 模 型 骨 皮 质 应 力 分 布

情况及最大应力值见图２和表３。６个模型的最大骨皮质应力及其应力分布相似，主要分布在种植体颈部的 骨 皮 质。所 有 模 型 中，短 种 植 体－冠 减 ２０％模型的骨皮质最大应力值最小，为２４ ＭＰａ；长种植体－牙冠 正 常 模 型 的 骨 皮 质 最 大 应 力 值 最 大，为３０ＭＰａ。短种植体模型的骨皮质最大应力值较长种植体模型的小。随着牙冠减径的比例增加，骨皮质最大应力值减小。

２．４ 骨松质应变对比 

各 个 模 型 骨 松 质 应 变 分 布情况及最大应变值见图３和表３。６个模型的骨松质最大应变值均在生理性骨组织吸收应变值下限３０００μｓｔｒａｉｎ以内。短种植体的３个模型中，骨松质应变主要集中在种植体根尖的骨松质；而长种植体的３个模型中，骨松质应变主要集中在种植体颈部和根尖的骨松质，所有模型中，短种植体－牙冠正常模型的骨松质最大应变值最大，为２５７０μｓｔｒａｉｎ；长种植体－冠减２０％ 模 型 的 骨 松 质 最 大 应 变 值 最 小，为１６４８μｓｔｒａｉｎ。短种植体模型的骨松质最大应变值较长种 植 体 模 型 的 大。随 着 牙 冠 减 径 的 比 例 增加，骨松质最大应变值减小。

３ 讨论

　　有限元法（ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ，ＦＥＭ）是 生物力学研究领域的一项重要手段。已被广泛成功的应用于口腔医学研究领域，如义齿修复尤其是种植修复、口腔颌 面 外 科 创 伤、正 畸 矫 治 等 生 物 力 学 分析。它具有无创性，可以精确模拟生物结够复杂多变的三维外形，还可以赋予生物材料特定的性能，可以模拟各种加载情况，使模型最大限度地模拟真实的临床情况［１０］。牙槽骨对力学刺激敏感，其生物力学性能的改变将直接影响植入其中的牙种植体使用效果和 寿 命［１０］。本 研 究，运 用 三 维 有 限 元 分 析 软件，利用 ＣＢＣＴ 数据建立个性化精确的三维模 型，比较研究不同长度种植体和牙冠直径对种植体以及周围组织的影响。

　　生物力学因素对种植体成功的重要性已经被广泛认识，种植体及其周围骨组织在咀嚼载荷下的生物力 学 反 应 直 接 关 系 到 种 植 的 成 败。Ｐｉｅｒｒｉｓｎａｒｄ等［１１］的研究表明，种植体和颌骨的应力主要集中于种植体颈部３ｍｍ 的区域，其他区域的应力迅速衰减，与种植体长度关系不大。这可能是短种植体应用的生物力 学 基 础。Ｎｉｎｇ等［２］认 为 虽 然 短 种 植 的应用，增加（大）了冠／种植体比率，但是在合理的修复设计下，不会影响其成功率及周围牙槽骨吸收速度。毫无疑问，修复体的设计是影响短种植体修复治疗成功率的重要因素。

　　在种植修复的牙冠设计中，通常采用减径的方法来减小咬合力。对于下颌第二磨牙种植修复，减径的程度可以有很多种的选择。鉴于过度减径会影响咬合功能，且导致三维有限元模型比例失真，本研究选择牙冠１００％（即 未 减 径 牙 冠）、牙 冠 近 远 中 径颊舌径均减小１０％、牙冠近远中径减小１０％和颊舌径减小２０％这３种 情 况，希 望 以 点 带 面，反 映 真 实的临床情况。另一方面，为了达到传统的理想冠根比例，对于严重吸收的下颌后牙区临床上还可以通过植骨，增加牙槽骨的高度，待愈合后植入常规长度的种植体，并行牙冠修复。因此，本研究共建立不同长度种植体和牙冠直径的模型共６个，进行对比分析，以找到最理想的种植修复方案。

　　本研究结果显示：所有模型的种植体最大位移值均小于１０μｍ，即理论上允许的种植体最大动度。这提示：在６个模型模拟的修复方式中种植体都能获得良好的稳定性。６个模型的骨松质最大应变值均在生理性骨组织吸收应变值下限３０００μｓｔｒａｉｎ以内［１２］。这说明，从 生 物 力 学 角 度 来 说，模 型 模 拟 的６种修复设计方案，均能获得成功，不会导致种植体周围牙槽骨的过度病理性吸收。与３个长种植体模型相比，３个短种植体模型的种植体最大位移值和骨皮质最大应力值均较之更小，而骨松质最大应力值较之更大。这一结果提示：种植体的直径比其长度，对种植体位移和骨皮质应力的影响更大。直径越大的种植体，种植体位移和骨质应力更小，更有利于防止应力集中造成的牙槽骨吸收［１３，１４］。因此，在牙槽骨吸收严重的下颌第二磨牙种植修复时，选择短粗的种植体更好。本研究结果还显示：随着牙冠减径的比例增加，种植体的位移值、骨皮质应力值、骨松质应变值均减小。因为牙冠的减径，使施加在种植修复牙冠上的力与种植体牙长轴中心更加一致，减小了扭矩，使种植体位移值、骨皮质应力值、骨松质应变值相应地也减小。这一结果与临床实际和其他学者的研究一致。李英等［６］用三维有限元法分析不同颊舌径的下颌第一磨牙种植冠在不同载荷下种植体周骨质的受力情况，结果显示，颊舌减径能起到降低种植体及其周围骨质应力集中的受力情况。

从生物力学角度来看，短种植体修复牙槽骨严重吸收的下颌第二磨牙是一种比较可靠的修复方式。对牙冠进行减径的比例越大，越能降低种植体位移、骨组织应力和应变。

参考文献：略

免责声明：文章仅供交流学习，版权归原作者所有。如涉及版权，请联系删除！

PART  01

针对骨学、关节外科、普外科、囗腔科等提供医学力学有限元分析仿真、培训、临床手术模拟分析等；

代做有限元：脊椎、腰椎、颈椎、上下肢、假肢、前臂、血管支架、牙齿、骨关节等；

服务对象：各省市、自治区从事运动生物力学、生物医学工程、基础医学、临床医学、囗腔力学、骨骼力学的教学、研究与应用的教师、科研工作者、各级教练员等方面的相关人员；国内各重点大学、科研院所相关研究领域的博士、硕士相关研究生和学者等。

相关生物力学学习或项目代做可主页私信小编