髓腔固位型高嵌体修复大面积牙体缺损的生物陶瓷及粘接剂适应性研究

魏子清，唐林俊，沈 杰，刘宇昆，赵楚翘，刘志辉

(吉林大学口腔医院，吉林 长春130021)

高嵌体过去一直被应用于活髓牙，但近年来大量临床实践证明利用髓腔固位的高嵌体修复根管治疗后大面积牙体缺损的死髓牙也能够取得较为理想的修复效果。而且相对于常用于修复大面积牙体缺损死髓牙的桩核冠，髓腔固位高嵌体的预备量明显减低，从而保留更多的根部健康牙体组织，进而改善剩余牙体组织的抗力；另一方面，髓腔固位高嵌体不需要桩道预备，避免了可能出现的桩断裂以及根折裂的风险。并且髓腔固位高嵌体设计为牙尖覆盖式，这种预备方式能够保护薄弱牙尖，使牙体的应力分布更为合理，能更有效地避免牙体剩余组织折裂。但是，对于依靠粘接固位的陶瓷髓腔固位高嵌体来说，粘接剂以及陶瓷材料的选用不当都可能增加牙体折裂的风险。因此，本研究通过有限元法分析髓腔固位高嵌体修复下颌第一磨牙大面积牙体缺损时，不同陶瓷材料及粘接剂对剩余牙本质应力大小及分布的影响。

1 材料与方法

1.1 材料和设备

实验对象为1例具备完整下颌第一磨牙形态、对本次实验知情且同意参与的健康成人，来自吉林大学口腔医院；锥形束CT(Carestream，USA),医学影像控制软件Mimics 10.01 (Materialise，Belgium)，图像处理软件Geomagic studio 12.0(Raindrop Geomagic，USA)，三维建模软件 CATIA V5R21 (Dassault，FRA)，有限元计算软件Abaqus 6.14(Dassault，FRA)，有限元网格划分软件HyperMesh 13.0(Altair，USA)。

1.2 髓腔固位高嵌体模型设计

首先设计包含牙釉质、厚度达0.2 mm的牙周膜、牙髓与牙本质在内的完整牙与牙周组织,以及分布于釉牙骨质界下方1.5 mm处牙槽骨简化模型(包裹着牙根)。再参照临床主要缺损形式，完成根管治疗后近中和远中二壁缺损模型的构建。因预针对大面积缺损，故而设计为极限性缺损，即缺损壁皆缺损至釉牙骨质界以上2.0 mm处，基本抵龈缘部位。在设计修复体时，需满足以下要求：髓腔固位冠厚度应在1.5 mm(含)以上,覆盖住牙尖，预备体轴壁打开角度为5°，余留壁都应具备1.0 mm(含)以上的厚度，垫底材料应具备0.5 mm左右的厚度。上述模型应点线角圆钝，粘接剂需达到0.1 mm的层厚要求。

1.3 构建三维有限元模型

由CBCT对实验对象牙列实施扫描，设定180 μm扫描层厚，得到CT影像共计553张。通过计算机检测此实验对象左下颌第一磨牙，可见根长、冠长分别为12.4 mm、6.9 mm,此结果与王惠芸[1]的统计数据相符。把计算机检测结果定义为.DICOM后缀的扫描文件，得到实验牙的三维图像。运用Mimics的阈值化处理功能提取出完整牙体、牙本质与牙髓、牙髓这三个单元，并进行光滑、修整处理，得到STL格式的表面网格数据。将STL格式文件导入Geomagic 中，对所获得的点云数据细化精修，进行曲面分析，完成NURBS曲面的制作，由此可得到以上所打造的三个单元的表面特征，定义为.IGES文件，并利用CATIA的偏移曲面以及布尔运算等功能，形成牙与牙周组织模型，并基于研究所需完成相应修复模型的构建。把上述模型均导至有限元网格划分专属软件Hyper Mesh内，由于牙齿具备复杂的解剖形态，选择4节点4面体单元组建自由网格，网格划分后模型的结点数为141568，单元数为 561570。

1.4 实验假设、参数设定以及边界条件

将模型所涉及材料以及组织假设为线性弹性物质，且这些物件具备各向同性、均质性以及连续性，在受力状态时变形不明显；针对各模型间的接触关系，均定义为“绑定”，若对其施加作用力，模型各截面间无相对滑动现象，各单元间稳定性充分；将牙槽骨底面设定为“完全约束”。对于建立的髓腔固位高嵌体模型，通过改变模型的生物力学参数(弹性模量和泊松比)，得到髓腔固位高嵌体搭配6种不同的陶瓷材料的模型，通过同样的方式使6种模型与3种不同粘接剂材料配合粘接，从而形成18种不同的搭配。6种陶瓷材料分别为：Lava Ultimate，IPS e.max CAD，Empress II，Vita blosa Mark II，Cercon base Zirconia，In-Ceram Alumina。三种粘接剂分别为：Relyx Unicem，Panavia F，Relyx luting cement。表1[2-12]所示为所涉及实验材料的力学参数。

表1 材料力学参数

1.5 载荷条件

借鉴Dejak[2]等研究者所应用的加载手段，对临床常规咬合状况加以模拟，将静态荷载作用于下颌第一磨牙。载荷1对正中咬合加以模拟，选择均布载荷，设定200N总载荷值，对中央窝、近远中颊尖顶和近远中边缘嵴施以加载,设定为垂直加载。载荷2对侧方运动加以模拟，总载荷同载荷1，对近远中颊尖的颊斜面施以加载，设定为斜向加载，与牙体长轴间夹角呈45°。

1.6 应力分析与结果输出

通过软件Abaqus对牙本质von Mises应力峰值进行求解，同时对应力分布状况展开探究。

2 结果

2.1 不同材料髓腔固位高嵌体修复下颌第一磨牙后牙本质应力峰值比较

本实验选取的观察指标为von Mises 应力，此应力反映材料内部一点不同方向的综合受力情况。不同加载条件下，不同材料髓腔固位高嵌体修复下颌第一磨牙大面积牙体缺损后剩余牙本质von Mises应力峰值见表2。垂直载荷下，随着陶瓷材料及粘接剂弹性模量递增，牙本质von Mises应力峰值变化见图1。斜向载荷下，随着陶瓷材料及粘接剂弹性模量递增，牙本质von Mises应力峰值变化见图2。

2.2 不同材料髓腔固位高嵌体修复下颌第一磨牙后牙本质应力分布趋势

本实验的18种搭配模型皆符合垂直载荷下，牙本质von Mises应力峰值均位于髓室底颊侧。斜向载荷下，牙本质von Mises应力峰值均位于髓室底舌侧。且应用不同的陶瓷材料和粘接剂，在相同载荷下牙本质的应力分布趋势近似。当粘接剂相同时，换用六种不同陶瓷材料剩余牙本质von Mises应力分布的情况见图3(图3中A,B,C,D,E,F分别指Relyx Unicem搭配Lava Ultimate，IPS e.max CAD，Empress II，Vita blosa Mark II，Cercon base Zirconia，In-Ceram Alumina的模型。1代表垂直载荷，2代表斜向载荷)。当陶瓷材料相同时，换用三种不同粘接剂剩余牙本质von Mises应力分布的情况见图4(图4中a,b,c分别为Lava Ultimate搭配Relyx Unicem，Panavia F，Relyx luting cement的模型。1代表垂直载荷，2代表斜向载荷)。

表2 下颌第一磨牙不同材料髓腔固位冠修复后von Mises 应力峰值(MPa)

图1 垂直载荷下，下颌第一磨牙不同材料髓腔固位高嵌体修复后牙本质von Mises 应力峰值(MPa)

图2 斜向载荷下，下颌第一磨牙不同材料髓腔固位高嵌体修复后牙本质von Mises 应力峰值(MPa)

A1&A2：Restored with Relyx Unicem and Relyx Unicem with load1 and load2 B1&B2：Restored with IPS e.max CAD and Relyx Unicem with load1 and load2 C1&C2：Restored with Empress II and Relyx Unicem with load1 and load2 D1&D2：Restored with Vita blosa Mark II and Relyx Unicem with load1 and load2 E1&E2：Restored with Cercon base Zirconia and Relyx Unicem with load1 and load2 F1&F2：Restored with In-Ceram Alumina and Relyx Unicem with load1 and load2

a1&a2：Restored with Relyx Unicem and Relyx Unicem with load1 and load2 b1&b2：Restored with Relyx Unicem and Panavia F with load1 and load2 c1&c2：Restored with Relyx Unicem and Relyx luting cement with load1 and load2

图4 垂直和斜向载荷下，下颌第一磨牙应用不同粘接剂的髓腔固位高嵌体修复后牙本质von Mises应力分布

3 讨论

本实验选取的六种陶瓷材料的材质各不相同，性质差异较大，并且所选的代表产品也是国内外在临床及科研上被广泛关注以及认可的材料。而其中更是包括像Lava Ultimate这种在科研研究领域有较大实验空缺的前沿材料。并且粘接剂的选择也同样保证了材质上的不同以及产品的常用性和新颖性。产品名称及对应的材料种类信息如下：Lava Ultimate(纳米树脂陶瓷)，IPS e.max CAD(二硅酸锂玻璃陶瓷)，Empress II(白榴石陶瓷)，Vita blosa Mark II(单层色长石类陶瓷块陶瓷)，Cercon base Zirconia(氧化锆陶瓷)，In-Ceram Alumina(氧化铝陶瓷)。 Relyx Unicem(通用自粘接树脂粘接剂)，Panavia F (含氟复合树脂粘接剂)，Relyx luting cement(玻璃离子水门汀)。

本实验中，18组不同材料修复模型中von Mises应力峰值的最大值为29.07 MPa，而正常载荷条件下，牙本质的抗拉强度为 33-40 MPa，抗压强度250-480 MPa[13,14]。故对于下颌第一磨牙大面积缺损，本实验所选用的6种陶瓷材料及3种粘接剂皆可作为髓腔固位冠修复的修复材料。并且垂直载荷产生的牙本质应力小于斜向载荷的牙本质应力，这与临床经验以及其他研究结果相符。

目前一部分有限元研究认为修复材料的弹性模量影响剩余牙体组织折裂风险，并有如下两个主要观点：①修复材料弹性模量越接近牙本质，牙本质所受应力越小，牙体组织折裂风险越低[15]。②修复材料弹性模量越大，牙本质所受应力越小，牙体组织折裂风险越低[16]。但Habekost[17]和Shor[18]等的实验显示高弹性模量的陶瓷嵌体和低弹性模量的树脂嵌体在抵抗折裂的性能上两者并无差异。由此可见，材料的弹性模量与牙本质弹性模量在何种关系时最有利于剩余牙体组织的保护是尚有争议的，这也是本实验期望解决的问题。而本实验研究结果表明，在不同加载条件下，陶瓷材料弹性模量的高低虽然对牙体组织所受应力大小有影响，但弹性模量和牙体的应力值并不呈线性关联。并且结果提示，当应用弹性模量接近牙本质的Lava Ultimate时，牙本质所受应力最小。其原因可能为Lava Ultimate具有类似于天然牙本质的弹性模量，产生的变形差异较小，应力分布更为合理，利于应力缓解，大大减少了牙齿折裂的可能。

粘接剂虽然厚度较小，约20-200 μm，却是传导与分散殆力的重要媒介，其弹性模量对于全瓷冠的应力分布有着极为重要的影响[19]。而本实验研究结果表明，搭配六种不同陶瓷时，粘接剂皆符合弹性模量越小，牙本质所受应力越小。并且应用弹性模量最小的Relyx Unicem粘接剂时牙本质所受的力明显小于应用另外两组粘接剂的情况。

综上所述，本实验所选用的六种陶瓷材料及3种粘接剂皆可作为下颌第一磨牙大面积缺损髓腔固位冠修复的修复材料，并且建议临床医生应用Lava Ultimate和Relyx Unicem这一组陶瓷材料和粘接剂搭配，使得理论上牙本质所受应力最小，牙体组织折裂风险最低。