不同材料嵌体修复对楔状缺损患牙应力分布影响的三维有限元分析

于敬伟，谢伟丽，施梦汝，陈 钱,王 玥，焦海斌，徐 琳

楔状缺损是牙齿唇、颊侧颈部硬组织发生缓慢消耗所致的缺损，导致楔状缺损的病因主要有应力集中、横刷牙、酸蚀等[1]。近年来临床上应用嵌体修复牙体缺损的病例逐渐增多，但用嵌体修复楔状缺损的状况较少。临床上常用的嵌体有树脂嵌体、瓷嵌体、金合金嵌体等，其中瓷嵌体具有较好的生物相容性和美观性、耐腐蚀性和耐磨损性[2]，嵌体整个制作过程是在口外完成，较传统的充填方法能更好地恢复牙齿原来的解剖外形，密合程度也会更好，咀嚼效率自然会有所提高[3]，但对于楔状缺损的病例临床通常采用树脂或玻璃离子进行充填，临床效果往往不是很理想，经常有微渗漏、继发龋、充填物脱落等。从生物力学角度分析充填修复楔状缺损的文章也有许多，但嵌体修复后的应力情况尚未见报道。因此有必要研究不同材料嵌体修复楔状缺损前后应力分布情况，为临床嵌体修复楔状缺损提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 实验设备和软件

电子计算机(联想酷睿i5，2.8 G CPU，8 G内存，Windows 7操作系统)；CBCT机(德国卡瓦Kavo 3D Exam锥形束CT机)。

Mimics 17.0(Materialise公司，比利时)医学三维重建软件、Geomagic Studio 13.0(Geomagic公司，美国)逆向工程软件、SolidWorks 2016三维机械制图专用软件(SolidWorks公司，美国)、Abaqus 6.14有限元分析软件(达索Simulia公司，法国)。

1.2 样本的选择

本实验选择牙列完整、咬合关系正常、牙周状况良好以及无牙槽骨吸收、牙齿无明显磨耗成年志愿者，进行CBCT扫描，建立下颌第一前磨牙的三维形态数据。

1.3 牙齿模型的建立

1.3.1 计算机三维实体模型的建立 采用Kavo 3D Exam 锥形束CT机对受试者进行扫描，扫描层厚0.25 mm，以标准DICOM 3.0格式存储，然后将文件导入Mimics 17.0 软件中，根据不同的灰度值区分牙釉质、牙本质、牙髓腔等不同组织[4]。再对蒙罩进行处理计算形成初步的三维实体模型。如图1所示。

图1 下颌第一前磨牙的三维实体模型

然后以.stl格式输出，由于Mimics软件输出的三维模型有许多不足，因此导入到Geomagic中，进行模型的细化和精修，最终以SolidWorks软件能识别的IGES(The Initial Graphics Exchange Specification)格式输出，形成更光滑的三维实体模型。如图2所示。

1.3.2 三维有限元模型生成 临床上根据楔状缺损破坏形式,可将楔状缺损的损害形态分为С型、)型、>型和不规则型。依据缺损深度可分为浅、中、深型[5]。计算机中我们可以模拟>型楔状缺损，但在实际临床操作中我们需要预备出瓷嵌体修复的空间，可以预备瓷嵌体的最小厚度为0.3 mm[6-7]，但为了得到的应力值数据更加典型和准确，计算机上运用SolidWorks软件生成的三维有限元模型及楔状缺损模型仍为>型，因采用瓷嵌体进行修复，为了避免其他材料的盖髓和根充，因此将深度设为1 mm[8]，夹角30°的下颌第一前磨牙的楔状缺损三维模型，并在模型中建立出80 μm厚的粘结层[9]。如图3所示。

图2 光滑处理的下颌第一前磨牙的三维实体模型

图3 下颌第一前磨牙的楔状缺损模型

1.4 边界加载和载荷方式

保证牙槽骨无水平以及垂直方向的位移。模拟临床正常咬合情况，模型加载部位在牙齿的颊尖顶偏颊面，载荷方向为与牙长轴成30°角，加载方式为静态加载，载荷的大小为100 N[10-11],载荷部位的面积为0.8 mm2[12]。正常第一前磨牙咬合压强为32.6 MPa[13]，材料力学参数见表1[14]。

1.5 应力分析及结果输出

将牙齿三维实体模型以IGES格式导入Abaqus有限元分析软件，对剩余牙体组织、嵌体等模型进行自动网格划分，并完成剩余牙体组织和嵌体修复的最大主应力的计算。

表1 牙体组织和修复材料的弹性模量和泊松比

陶瓷:VitaCerecMKⅡ；粘结剂树脂:Vivadent VariolinkⅡ

2 结 果

2.1 节点划分

楔状缺损部分及嵌体划分得到4 553个节点，12 520个单元,对照组划分得到30 998个节点，19 927个单元，再重新进行嵌体修复后的楔状缺损模型的网格划分，其中模型A得到30 998个节点，19 927个单元，模型B得到37 058个节点，112 692个单元，模型C得到30 997个节点，19 923个单元。

2.2 最大主应力值的计算

对照组模型最大主应力值为88.90 MPa,修复后模型A最大主应力值为59.27 MPa，模型B最大主应力值为48.95 MPa，模型C最大主应力值为19.34 MPa，发现嵌体修复后最大主应力值均明显降低，其中模型B和模型C相对理想,但B美观性优于C，所以瓷嵌体(模型B)的修复效果更加理想。如图4所示。

A：对照组；B：模型A；C：模型B；D：模型C；E：楔状缺损充填体模型

图430°楔状缺损时缺损模型、不同材料嵌体充填后应力分布图

Fig.4Defect model at30° wedge deficiency, stress distribution after filling of different materials

3 讨 论

本实验分别采用树脂、金合金、陶瓷三种材料对楔状缺损洞型进行嵌体修复，结合应力云图可以看出，三组材料嵌体修复后应力分布趋势相似，应力主要集中在楔状缺损牙颈部。三组材料中复合树脂嵌体修复的应力水平低于陶瓷和金合金嵌体修复的应力水平，主要是复合树脂的弹性模量与牙本质最接近，加载时二者变形程度相近，不会产生较大的变形差异。故复合树脂嵌体修复后的应力水平低于陶瓷和金合金嵌体修复[15]。曾有学者在临床中将树脂嵌体与树脂充填进行对比，利用统计学分析得出结论嵌体修复楔状缺损较充填法效果更好，成功率高[16]。也有学者统计2005—2008年全瓷嵌体修复牙体缺损的保存率为92%～97%，证明用嵌体修复牙体缺损的效果比较理想[17]。还有学者通过近3年的实验，对59例后牙牙体缺损的患者应用全瓷嵌体进行修复的临床结果表明：修复体形态合格率均为100%；修复体颜色的合格率均为98.3%，修复体边缘适合性合格率即刻、半年、一年、两年分别为100%、98.3%、96.6%、96.6%；修复体周围龋合格率均为100%；修复体磨损折裂的合格率即刻、半年、一年、两年分别为100%、98.3%、94.9%、91.5%。经卡方检验P>0.05，说明全瓷嵌体的边缘适合性、形态、颜色、周围龋和磨损与折裂等性能方面，在戴用半年、1年和2年后与戴后即刻比较均无显著性改变。仅有5例嵌体发生折裂及2例修复体与基牙出现间隙[18]。从以上结论可以得出瓷嵌体修复的成功率较高。

通过计算机技术建立有限元模型，运用有限元方法研究应力分布，可以在同一模型上任意更换不同材料的修复体，具有无创伤、可重复、观察指标明确等优势。导致楔状缺损的原因主要是应力[19]，而分析应力的最好方法就是通过有限元。比如Holberg等[20]通过有限元法研究了嵌体的不同厚度对其应力分布影响。Senqul等[21]研究了不同材料修复的经典Ⅱ类洞型修复牙应力分布的差异。有限元分析是应力分析的重要手段，在口腔以及其他医学方面都有着广泛的应用[22]。

总之，三维有限元分析结果显示，楔状缺损牙经嵌体修复后可显著缓解缺损处牙体组织所承受的应力，有助于降低患牙颈部折裂的风险，对患牙的保存具有积极意义。但该实验为简化的模拟研究，其目的是为临床提供生物学基础和参考数据，实验中采用静力加载，只是在体外一定程度上模拟牙的受力情况，难以模拟口腔中存在的复杂运动过程[23]，而且材料的疲劳问题以及口腔内的温度环境变化也会对实验产生一定影响,嵌体对楔状缺损前磨牙保存治疗的实际效果还需与体内外实验进行比较，必要时结合临床观察综合考虑。