植骨高度对种植体微动影响的三维有限元分析

袁佳　吴新中　张东霞　石小兰

【摘要】 目的 探讨人工骨高度改变对种植体微动的影响。方法 用三维有限元分析方法，分别对种植体模型施加200N垂直和斜向60°两种方向的载荷，在Ⅲ类骨质上植骨0-7 mm后进行位移分析。结果 垂直载荷条件下，种植体颈部及末端的微动与人工骨高度成正相关；斜向载荷条件下，种植体颈部及末端的微动与人工骨高度基本成正相关；斜向载荷下种植体颈部及末端的微动远大于垂直载荷下产生的微动。结论 人工骨高度在一定范围内，植骨高度越高，种植体微动越大。在临床设计种植方案时应尽量减小或避免斜向载荷。

【关键词】 牙种植体；Bio_Oss骨粉；微动；三维有限元分析

牙种植体动度是指牙种植体-骨界面在负荷作用下产生的各个方向的相对位移。它是种植体成功的主要标志。通常在即刻负载中运用的较多，以评价牙种植体是否可以在愈合期与周围骨组织形成骨结合。种植体及其周围骨组织在100%结合的状态下，受到载荷力时仍会发生一定的位移和变形^[1]。本实验采用三维有限元分析方法，对种植体颌骨复合体施行静载荷，分析Ⅲ类骨质在不同植骨高度下，种植体的位移状况，帮助评价植骨高度对种植体稳定性的影响，为临床植入种植体提供理论参考。

1 材料和方法

1.1 有限元模型的建立 利用ANSYS10.0有限元软件绘制下颌骨立方骨块：近远中10mm、高度15mm、颊舌向10 mm的立方骨块，骨块颊舌和上下4个外表面绘制Ⅲ类皮质骨层，皮质骨厚度为0.6-0.8mm^[2]。骨块正中绘制出容纳种植体的种植窝。种植窝直径为3.5mm。模拟标准的ITI螺纹实心种植体，直径为4.1mm，长度直径为3.5mm的种植体窝，模拟标准的ITI螺纹实心种植体，直径4.1mm，长度10mm，螺纹深度0.35mm，螺距1.25mm；上部结构模拟高度5.5mm、锥度为6度的实心基台，在种植体颈部模拟Bio-Oss成骨0、1、2、3、4、5、6、7mm，分别生成模型。密质骨、松质骨、纯钛、Bio-Oss成骨的弹性模量分别为13.7Gpa、1.37Gpa、103.4Gpa、11Gpa，泊松比分别为0.3、0.3、0.35、0.3。^[3-4]

1.2 单元和节点的生成 本实验模型构建中整体结构均采用三维实体单元处理。单元类型采用了8节点的六面体单元SOLID185，每个节点有三个方向的自由度，能很好地模拟牙体运动，以帮助得到精确的分析结果。

1.3 实验条件的假设 假设模型中的各材料和组织为连续、均质、各项同性的线弹性材料。下颌骨相对于矢状面完全对称。种植体与骨界面为完全的骨性结合，受力时各界面不产生相互滑动。将下颌骨后缘节点的自由度均予以刚性约束，阻止下颌骨刚性移动。

1.4 加载方式 分为垂直加载和侧向加载：垂直加载与牙合平面呈90°；侧向加载的角度与牙合平面成60°，加载方向由舌侧向颊侧加载力量为200N，平均分配到4个节点。

1.5 实验分组 通过植骨0-7mm，分别生成模型。按照垂直载荷和斜向60°载荷定义分别定义为M0、M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7和M0-60、M1-60、M2-60、M3-60、M4-60、M5-60、M6-60、M7-60。

2 结 果

在计算机上用ANSYS10.0软件对各实验组施加静载荷，分析垂直及斜向载荷200N工况下，种植体颈部及末端的总微动矢量。

垂直载荷条件下，种植体颈部及末端的微动与人工骨高度成正相关，分别波动于7.4-9.32μm、6.1-8.3μm；斜向载荷条件下，种植体颈部及末端的微动与人工骨高度基本成正相关，分别波动于55.6-108μm（6mm）-105.1μm（7mm）、13.4-43.8μm；斜向载荷下种植体颈部及末端的微动远大于垂直载荷下产生的微动。

3 讨 论

以往种植体的微动集中在初期稳定性的研究^[5-7]，如果种植体骨界面微动幅度大于100μm，间充质细胞不向成骨细胞转化，而形成纤维愈合。事实上，即使种植体植入后形成骨结合，仍不能排除由于微动带来的损伤。研究发现，在接近骨破损极限的法向载荷下，随着相对位移幅值的加大，皮质骨的微动运行状态从部分滑移向完全滑移状态转变，骨接触表面磨损损伤逐渐加重，最终导致骨质吸收，种植体松动失效。

骨质量对种植体的微动有着很大的影响。与以往的一些研究表明：随着皮质骨厚度的增大，种植体的微动减小。Cook^[8]等用三维有限法对植入下颌骨的种植体进行力学分析研究，结果显示，当种植体周围骨组织颊、舌侧皮质骨厚度减少50%时，种植体顶部位移增加50%，种植体中部位移增大30%，种植体的稳定性与皮质骨的厚度成正相关。兰泽栋^[9]等用三维有限元方法，对分别种植于皮质骨厚度为0.5mm、1.0mm、2.0mm颌骨模型中的种植体施加150g近远中方向的载荷，分析支抗种植体-骨界面应力分布情况。发现三者种植体颈部的Von-Mises位移随着皮质骨的增厚逐渐减小，皮质骨的厚度与界面骨的位移成反比。

而本实验评价指标为种植体在三个方向的最大总微动矢量，所得到的结果与以往的研究不同。不同载荷条件下，种植体颈部及末端的微动均基本与Bio-Oss成骨的厚度成正相关。垂直载荷下种植体颈部的微动与Bio-Oss成骨的高度成正相关；斜向载荷下，种植体颈部的微动以M6-60的微动最大，为108um，当Bio-Oss成骨为7mm时种植体颈部的微动又减小至101.5um。

种植术后，骨代用品与种植体及其临近的皮质骨会逐渐达到骨结合状态，具有与骨组织相似的生理功能，理论上随着人工骨的增厚，种植体的微动应越来越低。本实验出现阳性结果，可能由于成骨的增高，使力臂增长，产生的力矩作用就越明显，导致种植体的微动越来越大。

载荷方向对种植体微动亦有显著的影响。当种植体受到近远中向、颊舌向作用时，种植体将以骨结合部的某个未知的点为旋转轴中心进行旋转，并产生弯曲变形，同时种植体-骨界面的骨组织也受到压力随之弯曲变形，种植体及骨组织产生弯矩^[10]。弯矩使种植体-骨-骨粉模型发生形变，导致微动增大。本实验中，垂直载荷下种植体-骨-人工骨模型仅受到压力的作用，未产生弯矩的作用，故微动相对较小。而斜向载荷下，随着成骨的增高，力臂增长，在斜向载荷下产生的弯矩就越明显，导致种植体的微动越来越大。实验数据则体现在相同模型，斜向加载200N工况下，种植体颈部的微动是垂直载荷下的7.5-12.1倍，种植体末端的微动是垂直载荷下的2.2-5.3倍。轴向载荷有利于种植体的稳定性。种植体在种植手术时要充分考虑种植体的植入角度、设计合理的上端修复结构，尽量减小斜向载荷，保证种植体的稳定性。

参考文献

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