种植体支持的磁性附着体下颌覆盖义齿的三维有限元分析

高　翔　王忠厚　赵云刚　周振平

(包头医学院口腔学院修复教研室，内蒙古　包头　014060)

种植体支持的磁性附着体下颌覆盖义齿的三维有限元分析

高翔王忠厚1赵云刚2周振平3

(包头医学院口腔学院修复教研室，内蒙古包头014060)

〔摘要〕目的对自然牙根和种植体混合支持的磁固位全口覆盖义齿进行受力分析。方法采用CT技术、计算机图像处理系统及Solidworks有限元软件，根据自然牙根与种植体不同组合，放置两对磁性附着体，建立三组下颌覆盖义齿的三维有限元模型。在不同的应力加载下对三组模型中自然牙和种植体颈部骨应力进行计算对比、分析。结果一侧自然牙根、一侧种植体组时，种植体周围骨应力已经超出了牙槽骨所能承受的范围；在尖牙区使用两个种植体或是两个自然牙根做基牙的覆盖义齿受力时，基牙周围骨应力分布较均匀。结论磁性附着体的结构能比其他类型的附着体更好地防止侧向力对基牙的损害。

〔关键词〕磁性附着体; 覆盖义齿; 应力

在种植覆盖义齿上部结构设计中,常用按扣式附着体、磁附着体、杆卡式附着体等来改善义齿的固位功能。因磁性附着体可为全口覆盖义齿提供长期、稳定的固位力，且临床操作简便,疗程短,咀嚼效能高,费用相对低,患者易于摘戴和清洁〔1，2〕。许多学者对磁性附着体在口腔内的应用进行了一些临床和基础方面的研究〔3～5〕。但对种植体支持的磁性附着体覆盖义齿支持组织应力分布的研究，目前报道较少。现根据自然牙根与种植体不同组合，放置两对磁性附着体，建立三组下颌覆盖义齿的三维有限元模型。在不同的应力加载下对三组模型中自然牙和种植体颈部骨应力进行计算对比，对自然牙根和种植体混合支持的磁固位全口覆盖义齿进行三维有限元分析，以便更好地指导临床。

1材料与方法

1.1标本来源选择一名牙周组织正常、无其他口腔病变下颌无牙颌的女性志愿者，作为被测试对象。

1.2CT扫描被检对象取仰卧位，颏部抬高，使下颌下缘与水平面垂直，头部固定，并戴用预先制作的咬合板，使被测者微张口。扫描全过程中，要求口腔处于安静状态。使用日立公司Turbo CT扫描机，扫描条件120 kV，125 mA，1.0 s。扫描时，扫描标志线与下颌骨下缘平行，由下至上进行横断面扫描，直至髁状突顶端。其中自髁状突顶端至下颌骨下缘断面间距为2 mm，共获得31张断层影像。

1.3CT图像的处理以及数据的读取将CT胶片使用Arroy公司透扫仪进行透扫，通过其配套软件将图像转换为TIF格式图片保存，再使用Adobe公司的Photoshop 6.0专业图像处理软件读取图片。根据软件自带的坐标系读取下颌骨各层轮廓坐标，再根据其所在断层数值，将其每层轮廓曲线的二维坐标输入EXCEL电子表格转化为纯文本曲线文件格式保存。

1.4横块化三维有限元模型的建立及网格的划分因建模工作量较大，图形质量要求较高，故对计算机软、硬件要求均较高。系统硬件：CPU采用AMDAthlon XP 1600+、内存512 M、硬盘40 G，操作系统使用稳定的Windows，建模软件使用Solidworks，有限元分析软件使用Cosmos/ Work 6.0分析模块。

使用Solidworks曲线工具中的通过自由点的样条曲线调用已保存的各断层轮廓曲线，再通过放样，分别形成下颌骨、34567的牙根以及34567的牙冠部分。牙周膜的生成采用牙根反向抽壳，厚度为0.25 mm。这样每颗牙都有牙冠、牙根、牙周膜三部分，分别做成单独文件保存。种植体是直径为3.75 mm、长15 mm的圆柱体；磁性附着体采用Magfit EX600(日本国爱知制钢株式会社出品)，衔铁的尺寸为3.8 mm×2.8 mm×1.0 mm；磁体的尺寸为3.8 mm×2.8 mm×1.8 mm。无牙颌下颌骨是将有牙下颌骨进行修整而获得。黏膜是根据无牙下颌骨的形态和轮廓，在前牙区、尖牙区、前磨牙区及磨牙区分别取轮廓线作为放样曲线，以下颌牙弓线为放样引导线，生成黏膜块；将黏膜块反向抽壳，生成全口义齿的基托，将黏膜块与下颌骨叠加，取型腔，而形成黏膜，牙槽嵴区黏膜厚度为2 mm。将34567的牙冠排列于全口义齿基托上，形成全口义齿。根据临床情况，将1～2个自然牙根排列在尖牙区，种植体排列在尖牙区或磨牙区。根据自然牙根和种植体上衔铁的位置确定磁体在全口义齿基托内侧的位置，再将磁体装配到全口义齿上，最后将带自然牙根和种植体的下颌骨装配体与带磁体的全口义齿装配体进行组装，形成完整的模型。两个装配体之间为自由式接触关系。

模型完成后，利用分析模块Cosmos/Works 6.0对模型进行网格的自动划分，其中对于要求细划的零件进行手工设定，自动划分的单元均为四面体。

1.5模型分组由于尖牙的独特生理解剖特点，使得口内最后余留的多是尖牙牙根，因此本实验中设计的自然牙根及种植体位于尖牙区。两对磁性附着体：模型Ⅰ两自然牙根组;模型Ⅱ两种植体组;模型Ⅲ 一侧自然牙根、一侧种植体,经过网格划分后，模型Ⅰ共有364 128个节点，250 125个单元；模型Ⅱ共有204 693个节点，135 484个单元；模型Ⅲ共有153 755个节点，108 095个单元。选用相关材料的力学参数。见表1。

表1　选用材料的力学参数

1.6约束条件及加载方式在下颌骨下颌角处Z方向位移约束。根据Brigolf所测杆关节覆盖义齿的最大咬合力值作为本研究的加载载荷〔11〕，根据模拟的不同咬合状态设计出4种工况。工况Ⅰ：双侧后牙区加载，两侧磨牙各加50 N，共200 N，方向垂直。 工况Ⅱ：双侧前牙区加载，前牙各加25 N，共150 N，方向垂直。工况Ⅲ：单侧后牙区加载，单侧磨牙各加50 N,共100 N，方向垂直。工况Ⅳ：单侧后牙区斜向加载，单侧磨牙每牙垂直向加33.3 N，水平向加16.7 N。

1.7实验条件假设模型中的材料和各种组织之间是连续的，模型中涉及的材料和组织均简化为均质的和各向同性的线弹性材料，材料变形为小变形，种植体与颌骨形成了完全骨整合，加载时义齿和支持组织不产生相对滑动。

1.8应力分析方法分别取自然牙根颈部和种植体颈部骨皮质层压应力和拉应力以及Von Mises综合应力作为研究对象，分析比较各组模型在不同的加载情况下对基牙周围支持组织应力分布的影响。

2结果

从表2中可见，模型Ⅰ前牙区加载时，双侧后牙加载时，自然牙根周围骨质应力分布不均匀。其中，Mises综合应力最大处位于两自然牙根的颊侧，为压应力，但其数值很小，仅为同工况下两种植体模型的1/20左右；前牙加载时，大部分是压应力；右侧后牙加载时，该侧自然牙根周围应力分布不均匀，最大综合应力位于远中区域，对侧牙根周围骨应力分布较均匀。右侧后牙斜向加载时，该侧自然牙根周围骨组织应力分布不均匀，综合应力最大处为舌侧。对侧自然牙周围应力分布均匀，综合应力最大处位于舌侧，为拉应力。

从表2中可见，模型Ⅱ前牙区加载时，双侧后牙加载时，两侧种植体的最大应力均位于种植体远中区域，为压应力；前牙加载时，两种植体周围骨综合应力集中区位于种植体近中颊侧，性质为压应力；右侧后牙加载时，该侧种植体远中区域出现综合应力集中区域，性质为压应力，对侧种植体周围骨没有应力集中现象。其综合应力值分别是双侧加载时的1/4和前牙加载时的1/5。未加载侧种植体周围骨最大综合应力是加载侧的1/4。右侧后牙斜向加载时，应力分布情况、大小与垂直加载时相似。从表2中可见，模型Ⅲ双侧后牙区垂直加载时，自然牙根周围下颌骨应力分布均匀，种植体周围下颌骨则有很明显的应力集中，种植体颈部牙骨质所受最大压应力约为最大拉应

表2　模型Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ应力表

力的3.5倍。当前牙区垂直加载时，自然牙根周围应力分布较均匀，种植体周围骨质应力集中于近中和远中两个区域。远中区域为拉应力，其压应力是所有模型中最大的。当种植体侧后牙垂直加载时，自然牙根周围应力分布很均匀。而种植体周围应力明显集中于远中颊侧，应力性质为压应力，其压应力值约为拉应力的3.5倍。当种植体侧后牙区斜向加载时，自然牙根周围应力分布均匀，综合应力最大处在舌侧，而种植体明显集中于远中颊侧，性质为压应力；近中舌侧为拉应力。当自然牙侧后牙垂直加载时，自然牙根与种植体周围的应力都分布较均匀。最大综合应力值是双侧加载时的1/5，前牙加载时的1/10，种植体侧加载时的1/6。当自然牙侧后牙斜向加载时，与垂直加载时类似。

3讨论

通过观察模型Ⅲ中种植体和自然牙根周围骨的压应力和拉应力的数值与方向可以发现：所有状况中，前牙加载时，种植体和自然牙根周围骨的压应力最大；与双侧后牙加载时相对比，无论是自然牙还是种植体，前牙加载时的压应力约是后牙双侧加载时的两倍；而在前牙加载时，种植体周围骨的最大压应力为95.44 Mpa，更是达到自然牙根周围骨的压应力的72倍；在双侧后牙加载时比值也高达61倍。根据陈新民〔9〕对新鲜人体牙槽骨的测试结果可知：牙槽骨抗压强度轴向为112 Mpa，横向为88 Mpa，抗拉强度轴向为80 Mpa，横向为45 Mpa，可见此模型中种植体周围骨应力已经超出了牙槽骨所能承受的范围，很容易导致牙槽骨的坏死、吸收。无论是什么加载方式，种植体周围骨应力值都明显地大于自然牙根周围的骨应力值。

国内外学者研究认为，自然牙和种植体为两种完全不同的支持形式：自然牙根有牙周膜。牙周膜是介于牙骨质和牙槽骨之间的纤维性结缔组织，是一种各向异性的黏膜弹性体，富有弹性和韧性。在咀嚼活动中，它不仅仅是简单传递牙合力，同时还能缓冲储存牙合力：牙周膜能将牙合力分散到牙槽骨上，避免局部应力集中。而种植体与牙槽骨之间为骨性结合。由于种植体周围的组织结构的特殊性，使其对牙合力的承受、分散、传导与自然牙有着本质的区别。种植体组织界面对侧向力和扭力的耐受能力远小于自然牙，而且受力时不允许种植体和周围组织有相对位移。由于牙周膜独特的结构，使其受力时的感受特性为耐压不耐拉。当模型Ⅲ在前牙加载时，自然牙根和种植体受到的大部分为轴向力，此时自然牙的牙周膜受压可发生形态改变，从而缓解应力。而种植体不能发生位移和形变，因而种植体就形成了一个支点，使覆盖义齿发生转动，这样种植体又受到扭力和侧向力的作用，所以种植体周围骨应力很大，容易造成牙槽骨坏死、吸收，从而使种植体松动、脱落。

在模型Ⅲ中，比较单侧后牙垂直加载和斜向加载时，骨应力值没有太大区别。这与其他上部结构的全口覆盖义齿的受力情况明显不同。出现这种情况与磁性附着体的特点有关：磁性附着体由于其上部衔铁的厚度很薄(仅1 mm)，冠根比很小，因此减少了侧向力。同时当侧向力过大时，磁体会发生侧向移动和转动，从而产生应力中断现象。而这种应力中断现象可避免基牙受到过大的侧向力，从而使基牙免受损伤。所以磁性附着体可以有效地保护基牙，延长修复体的使用寿命。对比该三个模型的应力结果，可以发现：由于磁性附着体的特殊结构，它能比其他类型的附着体更好地防止侧向力对基牙的损害。

当双侧后牙加载时，因为有相当一部分载荷被牙槽骨和黏膜承担，所以自然牙和种植体周围骨的应力有大幅度的下降。但同样也是因为一个种植体形成了支点，从而使种植体周围骨的应力值仍然很高。此点通过与模型Ⅱ的对比可以看出：模型Ⅱ中，因为是两个种植体，情况相同，形成两个支点，因此，覆盖义齿不会发生转动，而只会围绕两个种植体的连线为轴发生翘动，这样种植体基本上不会受到扭力的作用。同时因为两个种植体的受力情况相同，使种植体周围应力的分布比较均衡，数值也较模型Ⅲ有大幅度的下降。因此，当一个基牙是自然牙根，另一侧是种植体时，种植体周围骨应力会出现明显的应力分布不均匀，且最大主应力和最小主应力数值相差悬殊，易导致种植体脱落，使修复失败，建议临床避免采用此种修复方式。在尖牙区使用两个种植体或是两个自然牙根做基牙的覆盖义齿受力时，基牙周围骨应力分布较均匀；最大主应力和最小主应力数值接近，临床可以应用。

4参考文献

1蒋一,刘洪臣,李鸿波.Magfit 磁性附着体在老年患者全口覆盖义齿的应用体会〔J〕.口腔颌面修复学杂志,2012;2(13): 79-82.

2朱亚君.磁性附着体在全口覆盖义齿中的临床应用与效果评价〔J〕.口腔医学,2013;11(33): 789-91.

3张兴乐,李乐,王鹏.上颌种植磁性固位义齿的临床有效性研究〔J〕.天津医药,2014;1(42):84-5.

4吴小勇.磁性附着体与传统卡环固位体在老年全口覆盖义齿修复中的疗效及对牙周健康的影响〔J〕.中国老年学杂志,2013;33(20):5011-3.

5王广,任道普,郑光勇.27 例磁性附着体固位种植覆盖义齿临床体会〔J〕.中国口腔种植学杂志,2013;4(18):194-8.

6Nogawa A.Study on the dynamic behowior of mandibular distal-extension removable pareial denture utilizing finite element method〔J〕.Jpn Prosthet Soc,1989;33(6):1313.

7Skinner EW,Philips RW.The science of dental material〔M〕.5th ed.Philadelphia: W B Saunders Co,1960:194.

8肖雪，冯海兰.磁性附着体在下颌全口覆盖义齿中的临床应用〔J〕.华西口腔医学杂志，2000;18(4)：232-4.

9陈新民.不同状态下人体牙槽骨的弹性性质〔J〕.口腔材料器械杂志，1993;2(1)：6.

10Kydd WL,Mandly J.The stiffness of palatal mucopericosem.〔J〕.J Prosthet Dent,1967;18(2):116-21.

11Meijer HJ,Kuiper JH,Starmans FJ,etal.Stress distribution around dental implants:influence of superstructure,length of implant and height of mandible〔J〕.J Prosthet Dent,1992;68(1):96-102.

〔2014-12-31修回〕

(编辑赵慧玲/曹梦园)

基金项目：包头市科技发展项目(No.2010S2001-2-3)

〔中图分类号〕R783.6

〔文献标识码〕A

〔文章编号〕1005-9202(2016)11-2731-03；

doi：10.3969/j.issn.1005-9202.2016.11.076

1包头医学院第一附属医院口腔科2大连中山赵云刚口腔诊所3吉林大学机械工程学院生物力学教研室

第一作者：高翔(1972-)，女，主任医师，硕士，硕士生导师，主要从事固定义齿研究。