冲击载荷作用下种植体周围牙槽骨组织的动力学分析

李至睿, 李 恺, 辛海涛, 侯 兵, 刁晓鸥, 安佰利

(陕西 西安: 1. 军事口腔医学国家重点实验室, 陕西省口腔医学重点实验室, 第四军医大学口腔医院修复科, 710032; 2. 西北工业大学航空学院，结构与力学工程系, 710072)

冲击载荷作用下种植体周围牙槽骨组织的动力学分析

李至睿1, 李 恺1, 辛海涛1, 侯 兵2, 刁晓鸥1, 安佰利1

(陕西 西安: 1. 军事口腔医学国家重点实验室, 陕西省口腔医学重点实验室, 第四军医大学口腔医院修复科, 710032; 2. 西北工业大学航空学院，结构与力学工程系, 710072)

目的: 研究冲击载荷作用下种植体周围牙槽骨组织的受力情况和损伤特点。方法：应用逆向工程软件建立包含种植体、皮质骨和松质骨的有限元模型；然后在Abaqus有限元软件中设置载荷-时间历程曲线，并导入冲击载荷波形来实现冲击载荷加载，分析不同冲击载荷作用下骨组织受力情况和动力学特征。结果：当种植体受到冲击载荷作用时，种植体颈部皮质骨首先出现应力变化，然后应力波从颈部向颊舌侧松质骨内扩散；在整个加载过程中，种植体颈部和底部的牙槽骨组织为主要受力区，其Mises应力值明显大于静载荷并随载荷方向而改变，当水平向加载时种植体周围的骨组织受力最大。结论：冲击载荷作用下，骨组织所受应力明显大于静载荷作用，其对骨组织造成的损伤在种植体颈部皮质骨和种植体周围牙槽骨处。

冲击载荷; 种植体; 有限元; 动力学分析; 生物力学

[DOI] 10.15956/j.cnki.chin.j.conserv.dent.2015.12.004

[Chinese Journal of Conservative Dentistry,2015,25(12): 718]

种植义齿是以植入牙槽骨内的种植体作为支持、固位的一类缺牙修复体。种植义齿不仅能显著提高咀嚼效率并具有类似真牙的舒适感，而且不以损伤邻牙为代价，因此为越来越多的患者熟知和接受。随着我国种植体植入量和种植修复的快速发展，临床种植修复工作中出现冲击损伤的患者逐渐增多。冲击力是指物体在相互碰撞或打击过程中所出现的一种先突然增大而后迅速消失的力。冲击力的特点是作用时间较短，往往只有百分之几秒甚至千分之几秒，其冲量可在这短暂时间内发生很大的变化[1]。相对于静态加载，冲击载荷会对人体组织施加与时间相关的迅速增大的冲量，当人体组织不能发生相应的组织形态改变来吸收和缓冲所承载的冲量时，这种冲击载荷就会对人体组织造成较大的伤害。由于牙槽骨具有特殊的组织结构，当种植体承受冲击力作用时其周围骨组织形态结构易发生改变，特别是在发生骨结合的种植体-骨组织界面处。因此，冲击载荷作用下种植体周围牙槽骨组织的损伤及其修复机制将成为临床工作中迫切需要认识的问题。

本实验首先建立包含种植体、皮质骨和松质骨的有限元模型，然后通过定义种植体与牙槽骨接触关系模拟骨结合，将冲击载荷波形导入载荷-时间历程进行冲击载荷加载，研究冲击载荷作用下种植体周围牙槽骨组织的受力情况和动力学特征，以期为临床冲击载荷作用下种植体周围骨组织损伤情况的预测及防护提供参考依据。

1 材料和方法

1.1 实体模型的建立

选择一位下颌后牙缺失的志愿者(知情同意)，并用锥形束 CT(CBCT)(Sirona,德国)对其下颌骨进行扫描。将扫描数据导入Mimics 10.01软件(Materialise,比利时)，获得下颌骨表面形态并导出模型。利用Geomagic Studio 13.0软件(Raindrop, 美国)对其进行裁剪，获得下颌骨磨牙区模型。所得模型经表面修整后，将其转化为非均匀有理B样(non- uniform rational B- splires, NURBS)曲面；然后在将其导入UG NX6.0软件(Siemens PLM Software，德国)中进行实体化，并通过装配、布尔运算等功能分别构建皮质骨(2 mm)、松质骨实体部件。

同时在UG NX6.0软件中绘制种植体(直径4.1 mm，长12 mm)(Straumann，瑞士)和适用于后牙修复的实心基台(高5.5 mm)的实体模型(图1a)；然后将皮质骨、松质骨、种植体及基台进行组装，并确定种植体在骨组织中的位置。

1.2 有限元模型的建立

将上述构建的实体模型(各部分模型参数见表1)导入Abaqus/CAE 6.13软件(Dassault SIMULIA, 美国)中，并采用网格单元为C3D4的四节点线性四面体动态(Explicit)单元对各实体部件进行网格划分，最终获得模型单元数为92 573，节点数为22 297。为了便于对冲击过程的模拟，将模型中的牙槽骨组织简化为连续均质、各向同性的线弹性材料[2]。种植体与基台，种植体与皮质骨、松质骨以及皮质骨与松质骨之间的界面均采用绑定接触关系(Tie)，并分别对下颌骨底面近远中端进行三维方向的位移约束，近远中面进行沿X轴方向的对称约束(图 1b)。

图1 种植体实体模型与有限元边界条件和载荷方向

1.3 冲击载荷的加载

为了实现对种植体的冲击加载，首先在Abaqus软件中使用动态分析步(Dynamics, Explicit)确定载荷的时间历程；然后再将冲击载荷波形(图2)通过幅值曲线(Amplitudes)进行加载。

图2 冲击载荷波形图

实验过程中最大冲击力为500 N的冲击载荷分别在时间(t)为0.000 2 s、0.000 4 s和0.000 6 s内加载完成，并使其在t /2时达到最大。根据加载冲击载荷的方向不同，本实验分为垂直加载组、水平加载组和斜向加载组[3]。其中，垂直加载组的加载作用点位于基台牙合面；水平加载组和斜向加载组的加载作用点位于基台颊侧中部，载荷方向均从颊侧传向舌侧。为了分析冲击载荷的作用特点，本实验还对3组方向载荷采用500 N的静态加载进行对比。

2 结果

2.1 冲击载荷下牙槽骨应力分布

当种植体受到冲击载荷作用时，种植体颈部皮质骨首先出现应力变化，然后应力波从颈部向近远中颊、舌侧的松质骨内传播，其应力值的大小也随载荷历程而发生改变(图3)。在整个冲击载荷加载过程中，种植体颈部的牙槽骨组织为主要受力集中区。图4所示为种植体颈部牙槽骨组织的应力分布，牙槽骨的Mises应力分布及其应力值大小均随载荷方向的变化而发生变化，当水平向载荷增大时，种植体颊、舌侧的松质骨与底端骨组织的应力分布范围扩大，种植体颈部皮质骨舌侧的Mises应力也随之增大。图5为不同方向冲击载荷加载过程中，种植体颈部所承受的最大应力值，从图中可以看出，随着水平方向载荷的增大，其最大应力值也逐渐升高。以上结果提示，冲击载荷方向与牙槽骨的组织损伤情况相关。

图3 种植体周围牙槽骨应力分布的动态变化

2.2 冲击载荷作用下牙槽骨的动力学分析

为了分析冲击载荷作用下骨组织的动力学特性，本实验还研究了在载荷大小相同、作用时间不同的冲击载荷下对牙槽骨组织应力分布的影响。结果表明，种植体在不同时间内承受500 N的冲击载荷作用下，当冲击力达到峰值时，种植体颈部颊、舌侧的牙槽骨组织Mises应力值也达到最大；随着加载时间延长，最大应力值也增大，同时应力波的传播时间也随之延长(图6b、d、f)。另外，牙槽骨颊、舌侧的最大Mises应力值与加载方向相关，当水平方向的载荷分量增加，其颊舌侧骨组织的应力值也随之增大(图6a、c、e)。以上结果提示，种植体周围牙槽骨组织在冲击载荷作用下所承受的损伤与冲击载荷的作用时间和冲量大小相关。

图4 种植体颈部牙槽骨组织的应力分布

2.3 咬合力作用下牙槽骨应力分布

在咬合循环过程中，咬合力作用时间约为0.1～0.2 s，近似静态加载。3组模型中的Mises应力均主要分布在种植体颈部皮质骨和种植体底端松质骨；应力大小与加载时间无关，但与加载方式相关，当受到水平或斜向加载时，种植体舌侧的应力值均较垂直向明显升高，且主要集中在舌侧松质骨。3组模型的最大Mises应力值分别为56.94、568.46、444.5 MPa，均位于种植体颈部皮质骨(图7)。

图5 不同方向载荷作用下种植体颈部的最大应力值

a、b为垂直加载; c、d为水平加载; e、f为斜向加载

图6 3种不同载荷时间模型组的种植体颊舌侧时间-应力曲线的比较

图7 静载荷下种植体周围牙槽骨的应力分布

3 讨论

在日常生活和许多突发情况如交通事故、体育竞赛等过程中，种植义齿可能会承受冲击力的作用，从而使种植体周围的牙槽骨组织发生不同程度的损伤。因此，冲击载荷作用下种植体周围牙槽骨组织的损伤过程已成为临床工作中迫切需要认识的问题。为了模拟冲击与损伤过程，本实验首先通过逆向工程软件建立了包含种植体、皮质骨和松质骨的三维有限元模型，并应用种植体与骨组织的接触关系模拟牙槽骨与种植体的骨结合状态；然后再将冲击载荷历程通过幅值曲线进行加载，从而使动力学分析得以实现。本结果显示，当种植体受到冲击载荷作用时，种植体颈部皮质骨首先出现应力变化，然后应力波从颈部向颊舌侧松质骨内扩散，说明冲击加载对骨组织造成的损伤并不局限在种植体周围的牙槽骨区域。种植体周围牙槽骨在冲击载荷作用下受到的损伤与静态载荷有较大不同。目前关于种植体的动态研究主要为模拟咀嚼过程的准静态加载[4-5]和种植体的体外断裂实验[6]，而对于种植体受到冲击载荷后其周围骨组织损伤的研究尚未见报道。有学者认为，通过建立适用于分析冲击载荷的力学模型，并对模型施加不同大小和方向的冲击力，不仅可以分析骨组织的应力、应变情况和断裂强度，同时还能预测受冲击载荷后骨组织的损伤和改建情况[7-9]。本实验通过动力学分析发现，除了种植体颈部皮质骨周围分布有较大的应力外，种植体底端松质骨处的Mises应力也随冲击载荷历程出现明显增大。同时还发现，应力值大小与载荷方向密切相关，以水平方向进行加载时，种植体周围牙槽骨组织的应力分布最大。本结果与以往认为牙槽骨组织的受力主要集中于种植体颈部区域的研究结果不同，在冲击力作用下种植体底部牙槽骨组织也会承受较大的应力，有可能会使这些区域的松质骨骨小梁产生裂纹、断裂等微结构改变。提示，临床种植体修复的患者在承受冲击损伤后，除了注意检查种植体颈部皮质骨的损伤外，还应通过X线片或牙科CT关注种植体底部骨组织微结构的变化，以防止这些部位的漏诊而出现并发症。

冲击载荷作用下种植体周围牙槽骨组织的损伤与组织所承受的冲量相关，而冲击载荷冲量则与冲击力的大小和作用时间相关；当冲击力大小不变时，随着载荷时间的延长，组织所承受的载荷冲量也相应增加。本实验中最大冲击力确定为500 N，并通过改变载荷加载时间研究载荷冲量对种植体颈部牙槽骨应力分布和损伤的影响。本结果显示，随着载荷冲量的升高，种植体颈部牙槽骨的应力值快速升高，应力分布范围也随之扩大，提示牙槽骨组织在受到较高的载荷冲量时，其冲击损伤范围也将增大，可能会引起微结构损伤甚至骨结合破坏并进而导致种植体脱落。因此，在临床接诊冲击损伤患者时，应深入了解其损伤病史，以便对患者作出合理诊断和治疗。

本实验初步探讨了冲击载荷作用下种植体周围骨组织受力情况和损伤特点，在后续的研究中还将建立包含骨小梁微观结构的有限元模型[10]，并通过实验确定骨组织的材料属性和屈服强度[11]，以期进一步分析冲击损伤过程及其破坏机制。

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A dynamic analysis of peri- implant alveolar bone under impact load

LI Zhi- rui*, LI Kai, XIN Hai- tao, HOU Bing, DIAO Xiao- ou, AN Bai- li

(*DepartmentofProsthodontics,SchoolofStomatology,TheFourthMilitaryMedicalUniversity,StateKeyLaboratoryofMilitaryStomatology,Xi'an710032,China)

AIM: To investigate the stress distribution and damage characteristics of peri- implant bones under impact load by finite element model (FEM) of implant and alveolar bone. METHODS: Reverse engineer software was used to establish the FEM including the implant, cortical and cancellous bone. Load- time history curve was set in Abaqus finite element software and the impact load wave form was imported to analyze the stress distribution and dynamic characteristics of the alveolar bone around the implant under impact load. RESULTS: Under impact load,the cortical bone around the implant changed firstly, then the stress wave spread from the neck to the peri- implant bone. The alveolar bone around the implant neck and bottom was the main area affected by the stress under the impact load. The Mises value under impact load was significantly higher than that of static load, and the Mises value was influenced by the direction of the impact load. When the load was hovizontal to the implant, the stress of the peri- implant reached peak value. CONCLUSION: Impact load causes more damage to bone tissues than static load. Bone damage under impact load is not limited to the cortical bone around implant neck, the cancellous bone around implant bottom can als be affected.

impact load; implant; finite element; dynamic analysis; biomechanics

2015-07-21

陕西省科学技术研究发展计划项目(2011K12-68)

李至睿(1991-), 男, 汉族, 安徽合肥人。硕士生(导师：辛海涛)

辛海涛, E-mail:xhthmj@fmmu.edu.cn

R782.1

A

1005-2593(2015)12-0718-05