颌骨骨质类型对种植体骨界面应力分布影响的三维有限元分析

王维丽 马洁 李鑫 宫琳

·论著·

颌骨骨质类型对种植体骨界面应力分布影响的三维有限元分析

王维丽 马洁 李鑫 宫琳

目的 研究种植区骨皮质厚度对种植体骨界面应力分布的影响。方法 运用三维计算机辅助设计CAD软件建立含种植体的颌骨三维有限元模型，应用ANSYS Workbench有限元分析软件进行仿真分析，研究在不同骨质类型及厚度的皮质骨支持下，种植区骨皮质厚度对种植体骨界面应力分布的规律。结果 不论种植体螺距大小，随着颌骨骨质类型改变，骨皮质厚度变薄，骨松质弹性模量降低，种植体上及颌骨内应力值均增加。结论 颌骨的骨质类型对种植体及周围骨的应力分布有重要的影响，Ⅱ类骨较Ⅲ类骨更有利于种植修复成功。

种植体；骨质类型；动态负载；三维有限元分析

种植体-骨结合是通过种植体-骨界面良好的应力分布、生物结合实现的一种组织学状态，是牙种植技术的生物学基础，多种因素影响着骨结合。牙种植技术近年来发展迅速，作为一项新兴的治疗手段，许多细节尚待探讨和研究。种植区的颌骨是实施口腔种植术的基础，颌骨质量是影响种植体初期稳定性的重要因素。临床上，口内检查和影像学检查过后，我们常常发现很多希望实施种植术的患者并没有理想的颌骨条件。然而，良好的骨质条件可以将种植体所受的应力均匀分散，进而提高种植体在骨内的稳定性；相反，较差的骨质条件会导致种植体颈部周围负荷过载，影响种植体在骨内的稳定性[1,2]。种植体表面螺纹的几何形态包含齿高及宽度以及螺纹螺距对种植体的初期稳定性及功能性载荷下骨界面的应力分布有重要影响。Eraslan等[3]研究表明，不同的种植体表面螺纹设计对骨组织产生的应力有所差异；Cheng等[4]针对种植体不同螺纹几何形态变化对周围骨组织的影响做了相关研究，同样证明螺纹几何形态变化对牙槽骨的影响也发生变化。Ryu等[5]研究表明在即刻负载下种植体螺纹宽度和深度的改变对种植体骨界面的应力变化也有一定的影响。总结以往的研究文献发现，国内外学者从不同角度研究颌骨质量对种植体骨结合的影响，包括观察松质骨皮质骨的总厚度，骨小梁构造的作用等[6-9]。本研究参照Lekholm和Zarb提出的骨质分类方法，参考Ⅱ、Ⅲ类骨质类型，应用三维有限元法建立不同骨质模型，参照临床实际设计不同螺纹螺距的种植体，模拟一个咀嚼周期内不同阶段作用力及方向，研究在应用不同螺纹螺距种植体时，种植区皮质骨类型对种植体骨界面应力分布的影响，以期为临床应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 模型的建立

1.1.1 颌骨模型建立：本文利用1例25岁健康成年男性颌骨CT扫描数据保留为DICOM格式，导入Mimics10.0软件中生成下颌骨模型，使用逆向工程软件Geomagic Studio12.0对模型进行表面优化处理得到下颌骨模型以igs格式导出，根据实验需要截取左侧下颌骨模型应用。参照Lekholm与Zarb提出的骨质分类方法，Ⅱ类骨及Ⅲ类骨分别表示由一层较厚的骨皮质(约2 mm)包绕骨小梁密集排布的骨松质和薄层的骨皮质(约1 mm)包绕骨小梁密集排布的骨松质，本实验建立2种不同骨质模型，D2组指Ⅱ类骨，D3是Ⅲ类骨，各模型骨皮质及骨松质弹性模量变化按照有关文献取值[10,11]。见表1。

表1 各相关材料力学参数

1.1.2 种植体模型建立:种植体采用骨水平种植体，基本形态设定为种植体总长10 mm、直径4.5 mm，螺纹形态为“V”型，顶角30°，齿高0.3 mm[12]，种植体体部7 mm，颈部高度为3 mm，种植体上方穿龈部高度2 mm，基台高度5 mm，与种植体连为一体，冠修复体简化为直径6 mm,厚度 2 mm的瓷修复体。建立3种颈部螺距不同的种植体模型,颈部螺纹螺距分别为 0.8 mm、1.0 mm、1.2 mm分为P1、P2、P3组。见图1。

图1 种植体及螺纹局部放大参数示意图

1.1.3 三维有限元模型建立:将三维实体模型导入ANSYS WORKBENCH软件采用二阶单元四面体网格进行划分，设定种植体网格划分时最大尺寸为0.2 mm，其他部件基于种植体形成的网格进行自适应划分，由于此实验只涉及种植体及周围骨块的应力分析，为了更直观的观察其应力分布及提高计算效率节约运算时间，计算时截取20 mm(近远中)×10 mm(颊舌向)×26 mm(高度)的颌骨骨块模型，建立种植体系统-骨组织三维有限元模型，最后产生网格数目为235 347 个。

1.2 种植体骨界面接触定义 模型中种植体、冠修复体和骨组织均假设为连续、均质、各向同性的线弹性材料。种植体与皮质骨、松质骨之间的摩擦设定为摩擦接触，摩擦系数μ=0.3[13]。

1.3 约束及加载 除种植体植入的一个面以外，颌骨模型的其他面全部进行固定约束。在种植体上部结构分别均匀加载动态作用力，模拟一个咀嚼周期0.875 s内不同阶段作用时间及方向，共分为5个阶段，初始阶段0～0.13 s和最后卸载阶段0.301～0.875 s无作用力，中间三个阶段0.131～0.15 s、0.151～0.26 s、0.261～0.30 s作用力方向分别为垂直向、由颊侧斜向舌侧与牙体长轴呈45°及舌侧斜向颊侧呈45°，作用力设定为200 N，分别用F1、F2、F3表示[14]。

1.4 统计学分析 应用ANSYS Workbench 16.0设计软件进行计算，输出种植体骨界面的应力值进行分析，对比不同骨质，种植体骨界面应力分布的变化。

2 结果

2.1 总体应力分布情况 不同骨质类型变化最大Von Mises应力均集中于种植体颈部与皮质骨交界处，此处应力梯度变化较大。种植体上所受应力最大，其次为皮质骨、松质骨。在咀嚼周期内不同时间段加载时，可见侧向加载种植体-颌骨最大Von Mises应力值显著大于垂直向加载。见图2、3。

2.2 不同骨质类型的应力分布 骨质类型的变化对种植体-颌骨上应力分布有一定程度的影响。在咀嚼周期各个阶段，P1-P3三种颈部螺距变化的种植体植入Ⅱ类骨所受最大Von Mises应力值相较于植入Ⅲ类骨上应力值相对减小，Ⅱ类骨种植体颌骨模型在皮质骨上所受最大Von Mises应力值也相对较小，说明种植体植入Ⅱ类骨时其稳定性相对更佳；然而，松质骨所受最大Von Mises应力值在咀嚼周期内从Ⅱ类骨到Ⅲ类骨呈减小趋势，见表2～4，图2、3。

2.3 不同方向加载下应力分布 侧向加载时，种植体、皮质骨和松质骨上的应力分布基本均大于垂直向加载时各组织的应力分布情况，种植体上加载F2和F3两个不同方向等大的作用力所产生的应力大小相近。见表2～4。

表2 咀嚼周期内不同骨质类型种植体上应力峰值大小 MPa

表3 咀嚼周期内不同骨质类型皮质骨上的应力峰值大小 MPa

表4 咀嚼周期内不同骨质类型松质骨上的应力峰值大小 MPa

aP=0.8mmbP=1.0mmcP=1.2mm

图2 三种螺距种植体植入不同骨质类型垂直加载时应力分布图

(a组 螺距为0.8 mm；b组 螺距为1.0 mm；c组 螺距为1.2 mm)

aP=0.8mmbP=1.0mmcP=1.2mm

图3 三种螺距种植体植入不同骨质类型斜向加载时应力分布图

(a组 螺距为0.8 mm；b组 螺距为1.0 mm；c组 螺距为1.2 mm)

3 讨论

种植体骨结合是通过种植体-骨界面良好的应力分布、生物结合实现的一种组织学状态。颌骨是实施口腔种植术的基础，颌骨质量是影响种植体初期稳定性的重要因素。本研究参照Lekholm和Zarb提出的骨质分类方法，建立不同骨质类型的三维有限元颌骨模型，根据临床实际设计不同螺纹螺距的种植体，研究在不同厚度的骨皮质类型支持下，种植区颌骨骨质类型对种植体骨-界面应力分布的影响，以期为临床实践提供理论依据。

Branmark和Zarb等根据皮质骨与松质骨的比例及松质骨的致密程度对颌骨质量进行了分类。其中Ⅰ类和Ⅳ类分别表示颌骨内完全有均质的密质骨和薄层密质骨包绕骨小梁疏松排列的松质骨。而Ⅱ类和Ⅲ类骨较常见。Ⅱ类骨表示较厚的密质骨包绕骨小梁密集分布的松质骨；Ⅲ类薄层的密质骨包绕骨小梁密集分布的骨松质。本实验采用临床上较常见的Ⅱ和Ⅲ类骨质进行分析，符合临床实际应用。

以往研究中，学者们一直在探讨颌骨质量对种植体-骨结合的影响。三维有限元分析是一种与计算机技术相结合的数值分析方法，利用此种方法可以获得确切的Von Mises应力数据以及直观可分辨的Von Mises应力分布云图。Von Mises力代表了主应力和剪应力的综合情况，可以作为材料屈服的指标[15]。陈庆生等[6]认为松质骨和皮质骨的总厚度应大于或等于2.0 mm，且在2.0 mm时最利于种植体的初期稳定性。沈梅洁等[7]通过建立含骨小梁微结构的精确模型得出结论：骨小梁结构可以分散和缓冲负荷。Ohashi等[8]研究发现骨小梁结构能在骨改建时分散种植体的负载，同时在应变增大时起缓冲作用。Matsunaga等[9]的研究也发现骨小梁有分散和缓冲应力的作用。

Struamann系统螺距为0.8 mm、1.0 mm、1.25 mm等[16]，此前，本课题组通过实验证实[17]即刻负载时，对于圆柱状“V”形螺纹种植体，颈部螺距选取0.8 mm、1.0 mm时，在模拟前磨牙一个咀嚼周期内受力的情况下，种植体-骨组织系统的综合力学性能较好。赵静辉等[18]研究表明如果螺纹螺距过大(P大于1.2 mm)，皮质骨应力值在垂直向加载时会随螺距的增大而显著增加，换言之，应避免过大的螺距。因此，本研究螺纹螺距最大设定为1.2 mm，建立3种颈部螺距不同的种植体模型,颈部螺纹螺距分别为0.8 mm，1.0 mm，1.2 mm。根据以往相关文献，实验中模拟一个咀嚼周期内的动态加载，共0.875 s，5个阶段[14]。其中第1和第5阶段无作用力，中间3个阶段有作用力，设定载荷方向为垂直向、由颊侧斜向舌侧与牙体长轴呈45°及舌侧斜向颊侧与牙体长轴呈45°，作用力为200 N。本实验研究在一个咀嚼周期中研究不同螺距对种植体骨界面的不同Von Mises应力。

Huang等[19]的研究已证实种植体受到的应力主要来自于修复体受到的咀嚼力，且最大应力集中于种植体颈部的骨皮质，即使最大应力远低于骨的强度极限，仍然可导致不可逆的骨损伤。当斜向力作用于骨皮质时，在种植体颈部产生曲应力，更易引起骨吸收，而种植体颈部骨质吸收是导致种植体松动失败的重要因素[20]，本实验证实种植体颈部是应力集中的部位，且斜向加载时种植体上所受应力更大，与以往的研究结果[21]一致。临床上，骨质较差会影响种植体的骨结合，因此，当临床检查发现患者骨质不理想时，应先行采取措施改善骨质，再行种植治疗。

本实验研究结果表明：在咀嚼周期内力的作用下，种植体及皮质骨在Ⅱ类骨(D2)上所受最大Von Mises应力值相较于Ⅲ类骨(D3)上应力值较小，这与以往研究报道[22-24]一致。同时，这也可以解释为什么临床上，骨密度低的患者种植失败率较高。弹性模量是衡量物质产生弹性形变难易程度的指标，其值越大，物质发生一定弹性变形越大，反之，物质刚度越大，发生弹性变形越小。因此，可解释为什么Ⅱ类骨(D2)相较于Ⅲ类骨(D3)松质骨上所受应力较大[25]。然而，与以往研究不同的是，本实验中在建模时根据临床实际情况，设计不同螺纹螺距，以便以更好的贴近临床。通过本实验证实，螺距为0.8 mm、1.0 mm、1.2 mm时，种植体植入Ⅱ类骨所受最大Von Mises应力值相较于植入Ⅲ类骨上应力值相对减小，说明种植体植入Ⅱ类骨时其稳定性相对更佳。

用三维有限元方法进行生物力学方面的研究现已成为广泛应用有效、可靠的方法[26,27]。但是，因其无法完全复制临床条件，自然也存在一定的局限性[28]。因此，本实验研究结果中的相对数值是关注重点，而不是绝对数值[29]。另外，本实验计划将Ⅰ类及Ⅳ类骨列入研究范围进一步研究，以期全面概括临床情况。

综上所述，本实验通过三维有限元分析法证实：颌骨的骨质类型对种植体及周围骨的应力分布有重要的影响，Ⅱ类骨较Ⅲ类骨更有利于种植修复成功。

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Three dimensional finite element analysis for the effects of bone cortical thickness on the stress distribution of implant bone interface

WANGWeili*,MAJie,LIXin,etal.

*DepartmentofStomatology,CentralHospitalofChinaAerospaceCorporation,AerospaceTeachingHospitalofPekingUniversity,Beijing100049,China

Objective To investigate the effects of bone cortical thickness on the Von-Mises stress distribution of implant bone interface by three dimensional finite element analysis.Methods The mandible three dimensional finite element models containing implant were established by three dimensional computer-aided designing (CAD) software to analyze the effects of different bone types on Von-Mises stress distribution of implant bone interface.Results Regardless of the size of implant,bone cortex thickness became thinner with the changes of mandible sclerotin types,and elastic modulus of cancellous bone was decreased,however, the innerstress of mandible and implant was increased.Conclusion The mandible sclerotin types have important effects on stress distribution of implant and surrounding bone,moreover, bone typeⅡis superior to bone type Ⅲ in successful repairing of implant.

dental implants; bone types; dynamic loads; three dimensional finite element analysis (FEA)

10.3969/j.issn.1002-7386.2017.12.003

项目来源：航天科工集团科研基金(编号：YN201424)

100049 北京市，航天中心医院口腔科 北京大学航天临床医学院口腔科(王维丽、宫琳);锦州医科大学航天中心医院研究生培养基地(马洁、李鑫)

R 783

A

1002-7386(2017)12-1771-05

2017-01-03)