平台转换种植体肩台成骨对牙槽骨边缘应力的影响

杨凯文，刘艾芃，王晓华，赵娅琴，胡晓光，邓文正

(1. 右江民族医学院研究生学院，广西 百色 533000；2. 广西梧州市红十字会医院口腔科，广西 梧州 543002)

目前使用种植牙修复缺失牙已经发展为成熟、可预期的治疗方案[1]。种植牙的早期成功主要依赖于种植体与牙槽骨的骨结合，而骨结合成功后种植体周围软硬组织的长期稳定是种植牙长期成功的重要因素之一[2]。当种植体植入颌骨内并完成骨结合行使负荷后，种植体边缘牙槽骨将发生改建，导致种植体边缘骨吸收(MBL)，在植入后1年期间吸收可以达到1.5 mm。已有研究表明[3]平台转换的种植体能够降低种植体周围牙槽骨的应力，减少种植体边缘骨吸收。目前对于平台转移种植体的肩台处成骨对种植体边缘骨应力影响的研究较少。本实验通过三维建模软件及有限元分析软件，对平台转移种植体肩台成骨宽度不同时种植体-牙槽骨边缘Von-Mises力进行统计分析。

1 资料与方法

1.1 模型的建立 使用SolidWorks(Dassault Systemes公司，美国)软件参照ankylos(Dentsply Sirona公司，美国)种植体数据建立种植体及基台模型，种植体直径4.5 mm，长度11 mm，基台种植体平面处直径2 mm，穿龈高度3 mm。全瓷牙冠及上下颌骨使用简化模型，牙冠为长宽高皆5 mm的正方体，牙槽骨为长宽皆10 mm、高15 mm的长方体，上颌骨为松质骨的长方体，下颌骨为厚度2 mm皮质骨包绕松质骨。将种植体、基台、颌骨和牙冠模型进行装配(见图1)。模型分为上下颌骨两大组(见图2)，每大组颌骨模型根据植入深度(D)分为0 mm、0.4 mm、0.8 mm、1.2 mm共4组。植入深度0.4 mm、0.8 mm、1.2 mm的模型根据肩台处成骨宽度(W)分为0 mm、0.4 mm、0.8 mm、1.2 mm共4组(见图3)，共建立模型26组。

图1 修复基台、种植体以及装配体渲染图

图2 上颌骨、下颌骨建模示意图

1.2 有限元模型建立和网格划分 将种植牙及颌骨模块导入ANSYS15.0(ANSYS公司，美国)软件进行网格划分，通过预实验得出应力集中区域，对应力集中处进行局部加密处理(见图4)，以获得更精准的结果。各模型节点及网格数量参照见表1。

图3 不同种植深度及肩台成骨宽度建模示意图

图4 有限元模型网格划分示意图

表1 各模型单元数及节点数

1.3 实验条件假设 本研究拟采用的各种材料的力学参数见表2。假设各材料为连续均值各向同性的线弹性材料[4]，种植体与松质骨、皮质骨形成完全骨结合，各材料间定义绑定，在颌骨的颊舌面及底面行刚性约束。中国人平均咀嚼力大小为30～300 N[5]，为模拟日常咀嚼食物时牙齿最常受到的轴向力与侧向力，本次实验采用两种方式进行加载：①垂直加载:牙冠颌面予以垂直向下的 200 N力；②斜向加载：与种植体轴线成45°角，由颊侧指向舌侧加载100 N的力，见图5。

表2 各种材料力学参数

1.4 有限元计算 使用ANSYS 15.0软件对以上26组模型进行两种加载后不同部位Von-Mises力的运算，记录并统计种植体肩台成骨宽度不同时的种植体-牙槽骨边缘Von-Mises力。

2 结果

各组Von-Mises力详细数据见表3。倾斜加载时种植体、牙槽骨、基台最大应力值均大于垂直加载，下颌骨模型的牙槽骨最大应力值大于上颌骨模型，这是由于皮质骨弹性模量大于松质骨，产生应力遮挡所引起。倾斜加载时，骨平面种植体牙槽骨边缘应力小于骨下种植体。骨下种植体牙槽骨边缘应力值大都随成骨宽度的增加而降低，在成骨宽度为0.8 mm时发现最小值，但成骨宽度>0.8 mm时出现应力升高。通过观察下颌骨D0.8W0.8和D0.8W1.2的应力云图，见图6，推测应力数值加大是由于种植体基台交接处为应力集中区域，当肩台处皮质骨宽度达到1.2 mm时，种植体-牙槽骨边缘过于靠近种植体基台交界应力集中区所引起。

图5 两种加载方式示意图

表3 各组Von-Mises力数据 单位：Mpa

组别上颌骨垂直加载200 N松质骨种植体-牙槽骨交界上颌骨45°加载100 N松质骨种植体-牙槽骨交界下颌骨垂直加载200 N松质骨皮质骨种植体-牙槽骨交界下颌骨45°加载100 N松质骨皮质骨种植体-牙槽骨交界D0W07.0176.60321.61319.9752.54117.62616.6733.18632.99232.992D0.4W09.0338.84434.02434.0242.50323.13923.1393.48258.86758.867D0.8W08.6246.14333.04531.6102.66622.23613.0063.70259.20054.609D1.2W09.1745.42134.56630.3102.92728.04520.2033.97874.61258.357D0.4W0.46.4421.22222.7774.2492.37712.6336.4393.25629.47815.214D0.8W0.46.0231.77923.4578.3542.68913.2696.1123.75632.69421.597D1.2W0.45.6131.28023.7589.4382.90715.1623.5673.78836.15321.852D0.4W0.85.9680.54920.5731.6882.41012.5524.5003.19626.3918.331D0.8W0.85.7531.28321.7034.8812.66212.7545.2813.52128.19812.631D1.2W0.85.6170.97321.0775.7712.87614.5522.3913.58630.74816.357D0.4W1.25.9270.70520.5285.2702.40511.4318.9323.18552.87352.873D0.8W1.25.7530.82021.5656.1562.64312.5607.0343.45961.63861.638D1.2W1.28.0470.78321.3235.6662.84814.1878.6233.49274.46574.465

倾斜加载时种植体、牙槽骨、基台最大应力值均大于垂直加载，下颌骨模型的牙槽骨最大应力值大于上颌骨模型，这是由于皮质骨弹性模量大于松质骨，产生应力遮挡所引起。将种植体-牙槽骨边缘Von-Mises力数值导入SPSS中，形成多线图进行分析，见图6，发现倾斜加载时，骨平面种植体牙槽骨边缘应力小于骨下种植体。骨下种植体牙槽骨边缘应力值大都随成骨宽度的增加而降低，在成骨宽度为0.8 mm时发现最小值，但成骨宽度大于0.8 mm时出现应力升高。通过观察下颌骨D0.8W0.8和D0.8W1.2的应力云图，见图7，推测应力数值加大是由于种植体基台交接处为应力集中区域，当肩台处皮质骨宽度达到1.2 mm时，种植体-牙槽骨边缘过于靠近种植体基台交界应力集中区所引起。

图6 下颌骨D0.8W0.8组和D0.8W1.2组应力云图

3 讨论

影响种植体颈部骨组织长期稳定的因素有很多，种植体边缘骨吸收会导致种植体失败[6]。种植体厂家尝试通过改变种植体设计以及种植体表面处理，以减少种植的边缘骨吸收[7]。Lazzara RJ等[8]于2006年报道了一种保留种植体颈部边缘骨的办法，称之为“平台转移”，并将其定义为使用较种植体直径更小的基台，使种植体与基台的交界面位于种植体平台的内侧，这导致种植体与基台的交界处向种植体中轴迁移。这样使得种植体周围的骨组织应力降低，有利于种植体周围软硬组织的健康[9-10]。尽管平台转移这个概念已经提出十多年，但是对其中的机制仍有争议[11]。有学者认为生物学宽度的改变是平台转移种植体边缘骨吸收减少的原因，平台转移的种植体不仅存在垂直向的生物学宽度，还存在水平向的生物宽度[12-13]。也有学者认为种植体与基台之间微间隙的微动及细菌引起种植体体边缘骨吸收[14-15]，由于平转转移，使得种植的微间隙向种植体轴心转移，使得微间隙的微动和细菌远离种植体颈部牙槽骨，对其造成的影响降低。还有一部分学者认为影响平台转移种植体骨吸收减少的原因是种植体周围应力得以分散[16]，当使用平台转移的种植体负载时，更多的应力集中在种植体、基台颈部以及固位螺丝上，虽然这样会增大机械并发症，但是可以有效分散种植体颈部骨组织应力，减少种植体颈部骨组织的吸收[17]。因此当下主流观点认为平台转移的种植错配值越大效果越好，即种植体肩台越宽越好。

目前已有学者[18]研究平台转移种植体入深度和种植体肩台宽度对应力分布的影响，但未见肩台成骨对应力分布影响的研究。本研究通过对比种植体肩台成骨宽度不同情况下的种植体-牙槽骨边缘Von-Mises力，可以得出以下结论：同等植入深度及成骨宽度条件下，下颌骨组Von-Mises力大于上颌骨组，这是由于皮质骨弹性模量大于松质骨，产生应力遮挡所引起。倾斜加载时，牙槽骨所受Von-Mises力均大于垂直加载，说明侧向力比轴向力容易产生应力集中。因此设计植入位置及最终修复体时，应减少种植体所受侧向力，减少牙槽骨所受应力。垂直加载时，种植体肩台成骨组的边缘牙槽骨Von-Mises力小于肩台未成骨，上颌骨在D0.4W0.8组发现最小Von-Mises力0.549 Mpa。下颌骨在D1.2W0.8组发现最小Von-Mises力2.391 Mpa，表明当种植体受到垂直加载时，肩台成骨可以有效减少种植体边缘骨应力，但并非成骨越宽边缘骨所受应力越小，而是在成骨宽度为0.8 mm时获得了最佳的生物力学效果。倾斜加载时，除了下颌骨肩台成骨宽度1.2 mm组边缘牙槽骨所受应力值大于肩台未成骨组以外，其余种植体肩台成骨组的边缘牙槽骨Von-Mises力亦明显小于肩台未成骨，上颌骨在D0.4W0.8组发现最小Von-Mises力1.688 Mpa。下颌骨在D0.4W0.8组发现最小Von-Mises力8.331 Mpa，最小应力值亦在成骨宽度为0.8 mm时出现。通过本次实验可知，上下颌骨无论是垂直加载或是倾斜加载，牙槽骨边缘最小Von-Mises力均出现在肩台成骨宽0.8 mm组中，说明种植体肩台成骨宽度并非越宽越好，通过观察应力云图，推测此现象是由于种植体肩台的内径与外径均为应力集中区域，骨边缘过于靠近两侧中的任一侧均导致应力集中，并增大边缘骨吸收的风险。

种植体的光滑表面成骨性能差，而经过粗糙化的种植体表面与骨组织结合面积和强度大大增加[19-20]，但当种植体粗糙表面无骨结合时，将比光滑表面的种植体容易堆积菌斑，因此建议发生骨结合种植体表面设计为粗糙面，非骨结合的种植体表面设计为光滑面。通过本次实验可知，若选择光滑肩台种植体时，平骨面种植可获得良好的应力分布，减少边缘骨吸收。若选择肩台粗糙化种植体则建议骨下种植，因为当种植体植入骨下时，种植体肩台位于有利骨缺损区域，肩台处粗糙面可与新生牙槽骨进行骨结合，使其肩台处成骨，有助于应力分散，减少菌斑堆积。由于种植体肩台成骨过于靠近种植体与基台交界处时将导致种植体-牙槽骨边缘应力再次加大，骨下种植的平台转移种植体设计成肩台外周粗糙，内圈光滑更为合理，见图7。

图7 外周粗糙、内圈光滑的种植体平台

本实验为基础实验，实验为理想条件下完成，仅为临床提供指导，实际情况仍需结合临床实验，以获得更精确的结果。