三维有限元牙釉质与牙髓不同材料属性对牙周组织应力分布在临床中的应用

叶　菲

三维有限元牙釉质与牙髓不同材料属性对牙周组织应力分布在临床中的应用

叶菲

三维有限元牙釉质与牙髓不同材料属性对牙周组织应力分布在临床中的应用。方法 选择2012年1月至2013年12月接受种植义齿修复治疗的患者368例，将所有患者随机分为四组，比较两种材料的应力分布、集中情况和四组种植体折断情况。结果 四组种植体折断率比较，差异有统计学意义（P＜0.05）。两种全瓷材料修复时，种植体支持的全瓷冠、全瓷基台和种植体周围骨组织内的应力分布相似。两种材料全瓷冠内部张应力、全瓷基台内部张应力比较，差异有统计学意义（P＜0.05）；全瓷冠内部压应力、全瓷基台压应力与骨组织等效应力比较，差异无统计学意义（P＞0.05）。结论 通过采用三维有限元模型分析不同材料属性对牙周组织应力分布，可得出多种形式的受力情况下的牙体应力分布，提前预知牙体承载力的脆弱部位，避免临床应用中牙体损坏等情况发生。

牙釉质 牙髓 牙周组织 应力分布 三维有限元模型

三维有限元法应力分析是生物力学研究中的重要手段之一，其将CT 扫描的一系列连续组织断层图像输入计算机，经图像处理后，显示组织的三维结构，因此能更加真实、形象地再现组织的空间结构［1］，从而建立牙体、牙周组织三维几何模型，为口腔医学提供有效的信息。本文比较了三维有限元模型在牙釉质与牙髓不同材料属性对牙周组织应力分布情况，现将结果报道如下。

1　临床资料

1.1一般资料 选择2012年1月至2013年12月在本院接受种植义齿修复治疗的患者368例（共植入种植体788枚），其中男190例，女178例；年龄 28 ～60岁，平均年龄 （35.4±10.8）岁。种植体植入部位分别是上颌前牙区（144枚）、上颌后牙区（178枚）、下颌前牙区（198枚）、下颌后牙区（268枚）。

1.2方法 按随机数字表将所有患者随机分为氧化铝组、氧化铝联合三维有限元组、Procera氧化锆组和Procera氧化锆联合三维有限元组，各92例（种植体197枚）。氧化铝组种植体模拟3i Certain PRE-VAILTM 4.0mm×11.5mm种植体，基台模拟氧化铝全瓷基台，以钛固定，采用全瓷单冠，核瓷最薄0.7mm，饰瓷面最薄0.3mm，以树脂粘结剂粘固。氧化铝联合三维有限元组在氧化铝组基础上，采用三维有限元模型模拟不同材料牙周组织应力分布情况。Procera氧化锆组植体模拟3i Certain PRE-VAILTM 4.0mm×11.5mm种植体，基台模拟Procera氧化锆全瓷基台，以钛固定，采用全瓷单冠，核瓷最薄0.7mm，饰瓷面最薄0.3mm，以树脂粘结剂粘固，Procera氧化锆联合三维有限元组在Procera氧化锆组基础上采用三维有限元模型模拟应力分布，比较两种材料的应力分布、集中情况和四组种植体折断情况。四组患者年龄、性别、植入部位等一般资料比较，差异无统计学意义（P均＞0.05），具有可比性。

1.3三维有限元模型应力分布方法 样本来源选择1例牙列完整，咬合关系正常，且无明显牙周疾患、无明显牙体缺损或明显磨耗的身体健康成年男性作为标准采集对象。样本对象取仰卧位，抬高颏部，固定头部，配戴用预先制作完成的咬合板，使其口微张，避免上下牙列接触。采用SIEMENS SOMATOM Definition AS 64层螺旋CT行常规断层扫描获取口腔空间数据信息（颌骨和牙齿），使扫描截面尽可能与牙齿长轴垂直，自牙尖开始至上、下颌骨下缘做连续横断超薄扫描，层厚为0.5mm，二维扫描得到18幅断层图像。计算机中设置模型构建的层间距为0.5mm，采用Outline图像处理软件进行处理，因CT扫描图像中的牙齿各层组织结构和每幅图像的灰度值不同，构建以线条形式显示的牙齿及其各层结构的二维断层外形轮廓，之后采用Points软件封闭牙齿各层组织的轮廓线条，并按方向及精确度确定各层组织部位的起始点，通过线条采用多个节点形式显示。此时，去除构建模型不需要部分。将所有节点坐标图形转化为数据文件，导入Unigraphicsl6模具设计软件中，按坐标将牙齿的不同部位和材料建立三维空间模型，将所有数据导入Mentat3.2有限元软件［3］。见表1。

表1　各层结构与材料的属性

1.4统计学方法 数据采用SPSS17.0统计软件。计量资料以（±s）表示，采用t检验；计数资料用百分比表示，采用χ2检验，P＜0.05为差异有统计学意义。

2　结果

2.1四组种植体修复效果 见表2。

表2　四组种植体修复过程中折断与损坏情况［n（%）］

2.2两种材料牙周组织应力与集中部位 两种全瓷材料修复时，种植体支持的全瓷冠、全瓷基台和种植体周围骨组织内的应力分布相似。两种修复材料全瓷冠内部应力集中在近远中颈部区域，全瓷基台内部应力集中在腭侧种植体-基台连接处和基台-冠连接处，骨组织内部应力集中在唇侧颈部皮质骨。

2.3两种材料种植义齿最大应力情况 见表3。

表3　不同材料和骨组织内部最大应力（±s）

表3　不同材料和骨组织内部最大应力（±s）

材料全瓷冠全瓷基台骨组织张应力压应力张应力压应力等效应力氧化铝50.28±3.825.47±0.8368.48±3.823.28±0.3689.38±2.03 Procera氧化锆39.35±3.055.30±0.4564.28±2.043.27±0.2189.21±1.39 t值7.2480.3093.8470.0230.117 P值＜0.05＞0.05＜0.05＞0.05＞0.05

3　讨论

三维有限元应力分析法能反映牙齿结构的各个部分，特别是牙周和及牙齿间的应力、应变和位移，其精确度受控于重建模型所模拟的真实状态［2］。

本文通过采集志愿者的牙槽骨和牙齿标本参数构建了牙釉质、牙本质、牙髓、牙周膜及颌骨的皮质骨和松质骨的三维有限元模型，并根据牙釉质和牙髓不同材料属性即各部分结构采用皮质骨、松质骨和修复材料属性，分析了5种载荷方式（整体移动、压力移动、旋转移动、倾斜移动和转矩移动）的不同组织和修复材料的组织最大Von-mises应力、拉应力和压应力变化。最大Von-mises应力时反映物体承受破坏强度的应力，时材料力学种的综合强度计算值，常可作为现实材料的屈服标准［3］；拉应力是指牙齿受力后产生的抵抗力使牙齿伸长和延伸的力量；压应力时抵抗压缩牙齿的力［3，4］。两种修复材料最大Von-mises应力呈现倾斜移动时，牙根应力水平最高；在压入移动时牙根应力最低。从力学角度出发，修复体发生破坏的原因是修复体在发挥其功能时材料内部产生的应力超过了材料所能承受的限度，因此研究不同材料属性对牙周组织应力分布有利于提高种植体修复成功率。本文发现不同材料联合三维有限元模拟牙周组织应力分布种植体折断率均较低于未联合组。

文献［5～7］显示牙颈部釉质产生应力的大小、方向和特征取决于加载方式，说明牙齿的应力值和集中区域与载荷方向密切相关。本文发现两种全瓷材料修复时，种植体支持的全瓷冠、全瓷基台和种植体周围骨组织内的应力分布相似。两种修复材料全瓷冠内部应力集中在近远中颈部区域，全瓷基台内部应力集中在腭侧种植体-基台连接处和基台-冠连接处，骨组织内部应力集中在唇侧颈部皮质骨，说明种植体内部的主应力分布相同，主要集中在冠的近远中颈部区域，提示该区域可能是种植体易折断部位，因此在设计过程中应适当加强以防止折裂。这与文献［8，9］报道显示牙齿受力时应力集中部位易出现结构破坏，牙齿易出现折断或裂痕［10］的结论相类似。

本文中两种材料全瓷冠内部张应力、全瓷基台内部张应力比较，氧化铝较Procera氧化锆大，这与不同全瓷材料的机械性能不同有关，但最大张力不代表其修复时折断的风险最大，应该结合材料本身的抗折强度和断裂韧性整体考虑。种植体周围骨组织内部的等效应力是影响种植体长期成功率的重要因素［11］，本文中发现不同全瓷材料修复时，骨组织内部的应力无显著不同，提示氧化铝与Procera氧化锆修复不会对种植体周围骨组织内部的应力产生不利影响。

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8 苗沛.固定桥修复前后牙槽骨组织改建过程的生物力学研究.第四军医大学,2013. 39,50.

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10 任旭升.上颌埋伏尖牙在牵引力作用下的位移趋势及牙周应力分析.山东大学,2009.12～18.

11 王萌.直丝弓和方丝弓矫治器对左上颌前牙的三维有限元分析.中国医科大学,2013.9,25.

430012湖北省武汉市汉口医院口腔科