纤维桩桩核系统的仿真模拟研究概况

黄志国，李艳艳，崔喜贺，王 锋

(1.承德石油高等专科学校 工业技术中心，河北 承德 067000;2.承德石油高等专科学校 机械工程系，河北 承德 067000)

在现代口腔医学中，采用口腔生物材料来修复病损的组织器官的案例日益增多。口腔生物材料被列为《国家中长期科学和技术发展规划纲要》的“人口与健康”重点领域的优先发展主题。目前口腔生物材料的全球市场增长迅速，而我国口腔生物材料90%依赖进口。口腔生物材料的国内研究的滞后主要是由于口腔生物材料研究所涉及的学科领域较广，研究难度大［1］。

1 三维数字化口腔医疗研究现状

基于三维数字化技术的口腔医疗是国际口腔医疗的最新发展趋势。三维数字化技术在口腔医学上的普遍采用，不仅可以大大提高口腔诊疗的质量和效率，尤其适合解决我国目前口腔健康所面临的紧迫局面。基于三维数字化工程技术口腔医疗专用技术、工艺、设备和材料［2－4］主要包括:

1)三维扫描测量技术与设备;

2)三维数字化诊断技术与装备;

3)新型树脂、陶瓷、金属材料及粘接技术等;

4)口腔修复用计算机辅助设计和辅助制造(CAD/CAM)系统;

5)激光快速成型加工(RP)系统。

口腔先进诊疗技术及材料的国产化及产业化，可以提高口腔诊疗的效率和质量，降低国民就医的成本。国内一些口腔医学研究者［3，4］注意到了以数字化三维技术为核心的先进诊疗技术及先进口腔生物材料的这一发展趋势，与工程技术领域合作，开展了一系列的相关基础和临床应用研究，在获取牙体的三维数字模型、咬合关系模型的三维扫描、口腔修复体的三维CAD 理论、口腔生物材料模型的三维设计以及各类口腔修复体的数控加工取得了一定研究进展。经过多年努力，国内在某些方面已经掌握了一定的原创性技术理论，有了一定的研究开发基础。

2 有限元分析在桩核系统研究中的应用

目前，口腔修复材料的力学性能研究已成为力学、材料、医学和生物等众多学科共同关注的热点，是当今口腔学与生物材料科学的前沿课题之一。二十世纪八十年代以来，以有限元为代表的数值分析方法的发展，为生物力学研究提供了建模、分析求解和分析结果可视化等强有力的支持，已经成为口腔修复学生物力学研究的主要手段之一［5］。现在有限元数值分析方法已经广泛地应用于口腔领域，利用有限元软件的强大建模功能及其接口工具，可以很逼真地建立三维牙体组织模型，计算不同材料，不同载荷情况下牙齿及周围组织的应力应变分布［5－7］。

基于口腔三维数字化的纤维桩桩核系统的仿真与实验研究是当前口腔生物材料的一个前沿研究领域，在国际上日益引起人们的关注［8］。纤维桩桩核系统的仿真与实验研究的核心思想在于采用计算机辅助工程技术，通过计算几何与图像图形学、机械与生物力学、口腔临床医学等学科交叉，基于国际上先进的“基于三维数字化的工程技术”口腔诊疗技术特点，根据口腔颌骨和牙齿解剖结构特点，结合计算机三维医学影像处理技术，模拟和预知桩核修复效果，仿生设计和构建符合中国人特点的纤维桩黏结系统。

近年来，大量国内外学者采用有限元方法进行了桩核系统的模拟研究，取得了大量的研究成果。例如:在修复牙冠严重缺损的患牙时，使用较粗直径的纤维桩可以降低牙体组织内部的应力［9］。金属桩核由于弹性模量较高，在受到外力时不易变形，将力直接传导到根尖部桩与根管交界处，在近根尖区易形成应力集中，而且产生应力的峰值大于纤维桩［10］。通过离体牙体外最大载荷实验和有限元分析发现，在受到加载条件相同时，比较坚硬的预成金属桩的抗折强度低于玻璃纤维桩。这是由于金属桩在牙体组织内形成了较大的应力集中，在承受载荷时首先造成了牙体组织的损伤而使修复体的抗折强度较低;而与牙本质弹性模量接近的纤维桩表现了更好的机械性能［11］。通过有限元分析研究发现，桩核修复体内部的最大剪切力主要集中在纤维桩与粘接剂之间，以及粘接剂与根管壁之间，这种应力会造成粘结层断裂继而使桩从牙根内脱出［12］。因此，尽量使桩、粘结剂、牙本质三者的弹性模量接近而缓解应力集中，似乎可以达到理想的修复效果［13］。

有限元计算分析方法较其他传统的实验应力分析方法有明显的优越性在于:有限元法能够给出所需要的模型任意部位的应力和位移状态;不仅能给出任意部位的数据结果，还能由计算机自动给出整体的三维图像;一旦生物医学模型转化为数学力学模型，就可以反复使用同一模型进行各种载荷状况的计算，从而保证了模型的完全相似性;由于使用了计算机手段，使得大量的数据处理变得较为容易，不管研究对象的几何形状、材料性质、支持条件和加载方式多么复杂，都能进行分析，并且迅速得出结果。

3 展望

随着有限元技术的发展，计算机技术和相关医学专业图像软件开发的深入，建模技术的不断提高，计算结果与实验结果有了较好的一致性，这些研究使人们对口腔疾病的治疗效果有了越来越深入的认识，促进了口腔技术的发展［6，7］。将有限元分析方法与最优化技术结合起来，将促进口腔疾病诊断和修复计算机辅助设计的实现，使临床治疗技术跃上新台阶，给口腔科医学临床应用提供科学的理论依据，促进生物力学向更深入、更广泛、更光明的前景发展。

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