短种植体和超短种植体单冠修...骨质中受力情况的有限元分析_杨涛.pdf

短种植体和超短种植体单冠修复在不同骨质中受力情况的有限元分析杨涛张鹏张林林基金项目:国家自然科学基金(编号:81700437)作者单位:518172广东深圳深圳市龙岗区耳鼻咽喉医院口腔科(杨涛，张林林)，耳鼻咽喉研究所(张鹏)通信作者:张林林，dentlindallz hotmail com 摘要 目的通过有限元建模，分析短种植体和超短种植体支持的单冠在不同骨质中的受力情况并评估其临床适用性。方法共建立 12 组有限元模型，包括 2 种直径(4 1 mm 和 4 8 mm)、3 种长度(4 mm、6 mm、8 mm)和 2 种骨质(类骨和类骨)，并选择下颌第一磨牙牙冠作为上部修复体，施加垂直向(152 8 N)、近远中向(31 2 N)和颊舌向(22 8 N)的载荷，计算皮质骨和松质骨的应变、应力以及种植体位移。结果在下颌磨牙区类骨和类骨中，皮质骨和松质骨的最大应变随直径增加而降低，皮质骨应变降幅分别为 22%和 16%，松质骨应变降幅均为 14%，随长度增加而降低，皮质骨应变降幅分别为 7%和 17%，松质骨应变降幅分别为 29%和 27%。在类骨中，皮质骨和松质骨最大应变均在生理限度内;在类骨中，除 4 8 mm 8 mm 组外，其他各组松质骨应变均超过生理限度;除 4 1 mm 4 mm 组外，其他各组皮质骨应变均在生理限度内。各组模型应力与应变呈正变关系，种植体最大位移均低于 50 m。结论在仅考虑下颌磨牙区不同骨质中的受力情况时，在类骨中，可以应用短种植体和超短种植体;在类骨中，需谨慎选择短种植体并采取降低咬合力的措施，不建议使用超短种植体。关键词 短种植体;超短种植体;有限元分析;下颌磨牙doi:10.3969/j.issn.1000 0399.2023.03.005Finite element analysis of stress of single crown supported by short and ultra short implants in different bone typesYANG Tao1，ZHANG Peng2，ZHANG Linlin11 Department of Stomatology，Shenzhen Longgang ENT Hospital，Shenzhen 518172，China2 Institute of Otorhinolaryngology，Shenzhen Longgang ENT Hospital，Shenzhen 518172，ChinaFunding project:National Natural Science Foundation of China(NO 81700437)Corresponding author:ZHANG Lingling，dentlindallz hotmail com Abstract ObjectiveTo analyze the stress of single crown supported by short implant and ultra short implant in different bonetypes via using finite element modeling and to evaluate its clinical applicability MethodsTwelve groups of bone models were established，including two diameters(4 1 mm and 4 8 mm)，three lengths(4 mm，6 mm，8 mm)and two bone types(type and type)The crownof mandibular first molar was selected as the upper prosthesis，axial(152 8N)，mesiodistal(31 2N)，and buccal lingual(22 8N)loadswere applied to calculate the strain and stress of cortical and cancellous bone，and the displacement of implants esultsThe maximumstrain of cortical bone and cancellous bone decreased with the increase of diameter in typeand type bones，the strain of cortical bone de-creased by 22%and 16%respectively，and the strain of cancellous bone both decreased by 14%Strain of cortical bone decreased by 7%and 17%，while strain of cancellous bone decreased by 29%and 27%，respectively In typebone，the maximum strain of cortical boneand cancellous bone was within the physiological limit In type bone，the maximum strain of cancellous bone was above the physiologicallimit except for group 4 8 mm 8 mm Except for the 4 1 mm 4 mm group，the strain of cortical bone in other groups was within the physi-ological limit There was a positive relationship between stress and strain in each model，and the total displacement of implant was lower than50 m ConclusionsWhen considering the stress in different bones of mandibular molars，short and ultra short implants can be used intype bone In type bone，short implants should be carefully selected and measures to reduce bite force should be taken，and ultra short implants should not be recommended Key words Short implant;Ultra short implant;Finite element analysis;Mandibular molars由于直径更大、长度更长的种植体具有更好的生物力学分布，临床医师偏向于选择此类种植体。但是在后牙区，由于受到上颌窦、颏孔和下牙槽神经管等解剖结构的限制，如果使用标准长度(10 mm 以上)的种植体，常常需要辅以块状骨移植、上颌窦提升术以及神经管移位术等复杂的外科手术，这不仅需要丰富的临862安徽医学第 44 卷第 3 期Anhui Medical Journal2023 年 3 月床经验，还会延长治疗周期，增加手术风险。使用较短的种植体是重要的替代方案，目前一般认为短种植体的长度为6 8 mm，超短种植体的长度为 6 mm1 2。对于其成功率，不同的临床研究差异较大3，观察时间1 12 年，成功率 75%96%，明显低于标准长度种植体。目前，国外学者针对短种植体的生物力学研究相对较多，但来自国内的生物力学实验数据极少。本研究采用三维有限元方法评估短种植体和超短种植体在下颌磨牙区类骨和类骨中的生物力学情况并评估其临床适用性。1材料与方法1 1研究对象实验中影像学数据取自一位青年男性，28 岁，牙周健康，全牙列牙槽骨无明显骨吸收。1 2材料计算机三维体层摄影系统(OTHOPHOSXG 3D，sirona，德国);Mimics 20 0 医学三维重建软件(Materialise 公司，比利时);Geomagic 12 逆向工程软件(Geomagic 公司，美国);Solidworks 2015 三维 CAD建模软件(Dassault 公司，法国);Ansys Workbench18 0通用有限元计算软件(Ansys 公司，美国)。1 3锥形束 CT(cone beam CT，CBCT)扫描选择 1例牙周健康的青年志愿者，进行 CBCT 扫描后，导出Dicom 格式文件，再导入至 Mimics 软件中，经处理后得到下颌牙槽骨的三维轮廓模型，并以 Stl 格式文件导出。1 4三维有限元模型建立将前述 Stl 文件导入至Geomagic 软件中，经处理后得到牙槽骨三维模型，以IGES 格式导出。参考相关文献4 5 修改皮质骨和松质骨的材料参数，分别得到类骨和类骨(Lekholm和 Zarb 分类)的下颌牙槽骨模型 类下颌骨(皮质骨 2 mm+较致密松质骨1 2)，类下颌骨皮质骨1 mm+较低密度松质骨1 2)。种植体参考 Strau-mann 系统植体(瑞士，Straumann 公司)，软组织面高度1 8 mm，直径分别为 4 1 mm 和 4 8 mm，长度分别为4 mm(无实物)、6 mm 和 8 mm。基台为八角基台(高度 5 5 mm)，牙冠为右下颌第一磨牙(高7 2 mm，颊舌径 10 mm，近远中径 11 mm)。以上实物利用游标卡尺测量各部分细节数据后，在 Solidworks 软件中利用拉伸、旋转、螺旋线切除等功能分别建立种植体、八角基台、中央螺丝、牙冠等三维模型，并与类骨和类骨的下颌牙槽骨模型进行组装(图 1)。共得到 12 组三维有限元模型。本研究涉及到的材料均为连续、各向同性和均匀的线弹性材料，各部件之间为绑定接触，骨结合率定义为 100%，材料参数见表 1。种植体基台中央螺丝牙冠图 1三维有限元模型展示表 1各种材料的力学参数材料弹性模量(GPa)泊松比皮质骨4 5 13 70 30类松质骨4 5 5 50 30类松质骨4 5 1 60 30种植体6 1100 35中央螺丝6 1100 35基台6 1100 35牙冠(二氧化锆)6 2100 261 5加载方式及评价指标对下颌第一磨牙牙冠进行 5 点加载7(图 2)，并对其平均咬合力进行分解8 9:垂直向(152 8 N)，近远中向(31 2 N)，颊舌向(22 8 N)。计算各组模型中皮质骨和松质骨的最大应变、最大应力以及种植体的最大位移。图 2加载点示意图1 6理论前提根据 Frost 骨力学调控系统理论10 11，应变范围与骨力学调控系统的关系为:在正常咀嚼过程中，应变通常可达到 1 000 1 500;当应变高于1 500，可能引起骨重建减少，但一般不会962第 44 卷第 3 期安徽医学2023 年 3 月Anhui Medical Journal造成骨吸收;当应变高于 3 000 则超过生理限度，会引起病理性骨吸收;当应变低于 50，会引起骨废用性萎缩。所以骨应变合理范围为 50 3 000。2结果21 类骨中各组模型皮质骨和松质骨最大应变在 类骨中，各组模型最大应变在皮质骨均大于松质骨，最大值出现在4 1 mm 4 mm 组皮质骨中，为 2 297，最小值出现在4 8 mm 8 mm 组松质骨中，为755。各组模型皮质骨和松质骨的最大应变均未超过生理限度(3 000)。见表 2。2 2类骨中各组模型皮质骨和松质骨最大应变在类骨中