植入位点不同对颧骨种植义齿种植体周骨应力分布影响的研究

储顺礼 周延民 岳贵平

（1.吉林大学口腔医院 口腔种植中心，吉林 长春 130041；2.中国第一汽车集团公司技术中心，吉林 长春 130011）

当上颌后牙区可用骨量严重不足时，学者们常常采用上颌窦外提升[1-3]的方法来增加骨量以满足种植牙修复，但是该方法术后并发症较多、患者的痛苦较大，患牙修复时间较长，很多患者难以接受。随着功能性外科和功能性整复的开展，以及种植技术及相关生物材料学的发展，颧骨种植义齿修复是近年来新开展的解决上颌后牙区重度萎缩的牙缺失修复的良好办法。

种植义齿修复其不同的植入术区常拥有不同的骨质和骨量，如前磨牙区的骨宽度小于磨牙区的骨宽度、上颌第一磨牙区上颌窦底位置最低等，选择不同植入术区会产生不同的应力分布，这会影响种植义齿的远期成功率。在选择颧骨种植义齿修复时，由于种植体是斜向植入到颧骨区的，植入位点不同时种植体的倾斜角度也会不同，但究竟何者更有利于种植体的长期稳定和远期成功率目前仍无基础理论。本实验即从该角度出发，应用三维有限元法，研究植入位点的变化对种植体骨界面应力分布的影响，为临床实践提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 有限元模型的建立[4-5]

选择1例右侧上颌后牙区牙缺失、牙槽骨严重吸收（其牙槽嵴顶到上颌窦底的可用骨高度为4mm）、口内无其他牙体牙周疾患的成年男性志愿者。将预先制作的咬合板戴入志愿者口内，自上颌牙弓咬合平面开始至眶上缘做连续横断CT扫描，扫描参数为：螺旋层厚为1.5mm，床进速度为1mm·s-1，球管电流与电压125mA和120 kV，获得45幅二维CT扫描断层图像，以DICOM格式将数据存入计算机，输入到自编计算机软件中,依据图像各组成部分的明暗度来辨别各个层面骨皮质、骨松质、上颌窦腔、颧骨骨皮质和骨松质的边界。描记边界绘制上颌骨后牙区、上颌窦、颧骨的骨轮廓位图，自动生成X、Y、Z轴三维坐标化数据。将坐标数据输入计算机Altair Hypermesh软件（由中国第一汽车集团公司技术中心提供）中，连接各层面间坐标点成闭合曲线，层面间拉伸形成空间实体。定义各部位骨质的弹性模量，完成建立正常上颌骨后牙区、上颌窦及颧骨的三维有限元模型。分别在三维有限元模型的第一前磨牙区、第二前磨牙区、第一磨牙区和第二磨牙区描入种植体，途经上颌骨、上颌窦外侧壁达到颧骨最厚平面之中央处，采用圆柱形纯钛种植体，直径为3.5mm，种植体长度为52mm，基台的高度为8.6mm（依据口内余留牙确定咬合平面的高度）。由于本实验主要研究的是种植体骨界面的应力分布规律，所以对上部结构进行了简化，参考正常人上颌后牙的数据[6]设计上部结构为圆柱形牙，直径为7mm，高为7mm。

实验模型的单元和节点数如下表1。

表1 模型的有限元网格单元数和节点数Tab 1 The elements and nodes of these experimental models

1.2 材料的力学参数

有关材料的力学参数见下表2。

表2 材料的力学参数Tab 2 M echanical parameters of materials

1.3 实验条件假设

人体生物组织的结构和力学性能复杂，在对其进行有限元研究时，往往需要对其材料特性加以简化，以发现对临床具有指导性的应力分布规律，本研究对颌骨局部模型进行了连续、均质、各项同性假设；种植体与周围上颌骨、颧骨为100%骨性结合，在载荷作用下二者无相对滑动。

1.4 加载条件

根据牙周潜力理论[6]设计加载力的大小为100N，加力点位于牙冠咬合面中心点处，分别进行垂直加载、颊向30°加载（偏颊侧，与牙冠长轴成30°）、舌向30°加载（偏舌侧，与牙冠长轴成30°）。

1.5 计算分析

将各种工况模型输入到ABAQUS软件[9]中（由中国第一汽车集团公司技术中心提供），进行求解计算，得出各组模型的三维数字化图像以及应力数值，应用Hyperviews软件（由中国第一汽车集团公司技术中心提供）进行后处理分析。应力分布图可以集中反映颧骨种植义齿在受载荷时的应力分布特征，列表输出种植体-骨界面的应力峰值，并比较大小。

2 结果

2.1 建立了上颌后牙区、上颌窦、颧骨以及颧骨种植义齿的三维有限元模型

通过CT扫描获得了高精度的DICOM格式的图像，利用软件技术获得了上颌后牙区、上颌窦、颧骨的三维有限元模型，几何相似性好。对模型各组成结构进行材料特性设置，并且模拟了颧骨种植义齿修复（图1）。

2.2 颧骨种植义齿种植体周骨应力分布

应力主要集中在与种植体接触的骨界面区域，距离种植体骨界面越远，骨承载的应力越小。无论是垂直向载荷还是斜向载荷条件下应力峰值均位于上颌骨牙槽嵴顶区。在上颌骨区，与种植体接触的上颌窦底部以及上颌骨颊侧骨质最薄区骨承载的应力较大。在颧骨区，与种植体接触的上颌窦顶端（即上颌窦顶颧骨区）骨承载的应力最大（图2、3）。

2.3 植入位点变化对种植体周骨应力峰值影响比较

第一前磨牙区颧骨种植体其颊侧种植体暴露较多，与临床不符（图4）。

植入位点变化不同部位的拉应力和压应力如下表3～5。

对表3～5数据进行分析可以看出，上颌骨牙槽嵴顶区骨界面应力明显高于颧骨区骨界面应力，最大压应力值均大于最大拉应力值。

上颌后牙区拉应力峰值比较：选择第二磨牙区植入时最大，第二前磨牙区次之，第一磨牙区最小。

上颌后牙区压应力峰值比较：选择第二磨牙区植入时最大，第一磨牙区次之，第二前磨牙区最小。颧骨区拉应力及压应力峰值比较：选择第二前磨牙区植入时最大，第一磨牙区次之，第二磨牙区最小。

垂直载荷下植入位点变化时上颌后牙区及颧骨区应力分布云图见图5～8。

表4 颊向30°加载时，植入位点变化时不同部位的应力峰值/MPaTab 4 Stress peak values in different implant sites loading 30°angle buccally to the axis of tooth crown/MPa

表5 舌向30°加载时，植入位点变化时不同部位的应力峰值/MPaTab 5 Stress peak values in different implant sites loading 30°angle lingual to the axis of tooth crown/MPa

图5示上颌后牙区拉应力云图，最大拉应力均位于牙槽嵴顶区的颊侧骨皮质区，选择第二磨牙区植入时拉应力更为集中。图6示上颌后牙区压应力云图，选择第二磨牙区植入时压应力最为集中，第一磨牙区次之，第二前磨牙区最小。图7示颧骨区拉应力云图，图8示颧骨区压应力云图，其应力分布比较均为：选择第二前磨牙区植入时最为集中，第一磨牙区次之，第二磨牙区最小。

3 讨论

3.1 颧骨种植义齿的临床应用

Brånemark教授1989年正式提出了颧骨种植义齿这一名称，然后由Nobel Biocare公司开始生产和设计颧骨种植体，并将其纳入Brånemark系统[10-11]。2001年Bedrossian等[11]学者对上颌骨严重吸收萎缩的病例进行颧骨种植义齿修复，认为颧骨种植义齿修复可以避免大型骨移植手术和上颌窦提升术，与传统的方法相比节省了大量的时间、人力和财力。近几年其他学者[12-20]也有该方面的报道。尤其是近些年来种植牙外科技术的大力发展，使得颧骨种植义齿成为上颌后牙区严重吸收萎缩病例的良好修复方案。

3.2 颧骨种植义齿种植体周骨应力分布趋势

颧骨种植体是斜向植入到颧骨中，当种植义齿受到载荷作用时，载荷可以分解为平行于种植体长轴方向的轴向载荷和垂直于种植体方向的水平向载荷。轴向载荷使种植体有向根方相对下沉的趋势，水平向载荷使种植体有弯曲变形的趋势。本研究结果表明，应力主要集中在与种植体接触的骨界面区域，距离种植体越远，骨承受的应力越小。应力在整个上颌骨及颧骨中传递较好，分布趋向均匀，无论是垂直向载荷还是斜向载荷条件下牙槽嵴顶区骨质承受的应力值最大。在上颌骨区域，与种植体接触的上颌窦底部以及上颌骨颊侧骨质最薄区应力较大。在颧骨区域，与种植体接触的上颌窦顶端骨承受的应力较大。由数据结果得知，上颌骨区承受的应力要大于颧骨区承受的应力，因而上颌骨区是主要承载区，应着重考虑上颌骨区的力学分布，在适应证选择时也应仔细探究上颌骨区的骨质情况。

3.3 植入位点变化对颧骨种植体-骨界面应力分布的影响

由实验结果可以看到，上颌后牙区拉应力峰值比较：选择第二磨牙区植入时最大，第二前磨牙区次之，第一磨牙区最小。上颌后牙区压应力峰值比较：选择第二磨牙区植入时最大，第一磨牙区次之，第二前磨牙区最小。颧骨区拉应力及压应力峰值比较：选择第二前磨牙区植入时最大，第一磨牙区次之，第二磨牙区最小。这些结果也可能与种植体植入位点不同时的植入角度不同有关。第一磨牙区植入时，种植体的倾斜角度要小一些，种植体所受的侧向力相对较小，引起的骨质破坏趋势要小，综合考虑在第一磨牙区植入种植体是最佳选择。

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