种植修复中开孔方案的优化探究

周慧霞,何立星,贾相斌,孟兆理,贺龙龙,常晓峰,张威震,杜良智*

(1西安交通大学口腔医院种植科,西安 710004;2中国原子能科学研究院;*通讯作者,E-mail:xmudlz@mail.xjtu.edu.cn)

种植修复采用黏接固位和螺丝固位方式都取得了较高的成功率,系统性综述显示种植体支持式单冠采用黏接固位和螺丝固位时,修复体5年成功率无明显统计学差异,但黏接固位略高于螺丝固位[1,2]。螺丝固位和黏接固位在临床应用方面各有优缺点,前者对咬合空间要求低、后期拆卸及维护方便,但被动就位差、技工成本高;后者操作简单、对种植体植入方向包容性强、容易获得被动就位、美观性及咬合功能更好,然而冠边缘残留的黏接剂会损害种植体周围的软硬组织已经在大量文献中得到证实[3-5],引起了临床医生的广泛关注,并且后期拆卸困难也是使用黏接固位时不得不考虑的问题[4]。也有调研显示:多数医生在临床工作中更偏向于使用黏接固位[6]。因此对黏接固位方式进行改良,以减少黏接剂残留、方便后期拆卸的研究是十分有价值的。

黏接剂的应用位置及量也会影响黏接剂在牙冠内外的分布状况,但体外或临床实验往往会受诸多混杂因素影响,尤其难以对黏接剂应用量进行控制。目前体外或临床实验多聚焦于牙冠外部黏接剂溢出情况,而对牙冠内部黏接剂充盈缺乏认识。CFD提供了一种经济、环保、动态、可视化的研究牙冠就位过程中黏接剂流动模式的手段。Wadhwani等[10]证实了CFD方法在研究黏接剂流动模式方面的可靠性,认为CFD方法可能会成为未来研究黏接固位系统的金标准。

1 材料与方法

1.1 计算流体力学

1.1.1 模型建立及网格划分 使用SolidWorks 2012建立基台及牙冠模型,基台尺寸(见图1)参考Semodos种植系统的成品Sub-Tec黏接基台[11](Bego公司,德国),黏接剂间隙为50 μm[10],牙冠面开孔直径分别为0,1,2,3 mm(见图2)。由于系统内部流场关于中心轴旋转对称,因此在不影响模拟精度的条件下将模型简化为二维处理[12]。在ANSYS Demodel中将牙冠和基台模型进行装配(见图2C),并在ANSYS Meshing中剖分三角形网格,得到有限元网格模型(见图2D)。

图1 基台尺寸图Figure 1 Dimension of the abutment

H0-H3分别为面开0,1,2,3 mm孔的牙冠模型;A.三维牙冠颊侧观;B.三维基台模型;C.装配后的牙冠及基台模型;D.二维有限元网格模型图2 牙冠与基台模型的建立及网格划分Figure 2 Establishment of crown and abutment models and meshing

1.1.2 CFD求解与后处理 使用Fluent软件进行CFD求解,主要使用了流体体积(VOF)模型和动网格模型。黏接剂物性参考RelyXTMARC(3M ESPE,美国),其黏度采用Herschel-Bulkley非牛顿流体模型[10]。重力加速度设为9.8 m/s2,牙冠下落时间为0.5 s,初始状态下黏接剂为半圆形,位于牙冠颈部[10]。以牙冠不开孔时,黏接剂半径为1.2 mm为对照组(H0-1.2组),以牙冠面开1,2,3 mm孔时,黏接剂半径为1.2 mm及2.4 mm作为实验组(H1-1.2组、H2-1.2组、H3-1.2组、H1-2.4组、H2-2.4组及H3-2.4组,具体见表1)。计算结束后比较0,0.25,0.5 s时的黏接剂分布云图,并使用CFD-Post进行后处理分析,计算以下指标:

轴面充盈率(%)=轴面黏接剂面积÷轴面黏接剂间隙面积×100%

肩台充盈率(%)=肩台黏接剂面积÷肩台黏接剂间隙面积×100%

颈部溢出量(mm2)=冠边缘外黏接剂总面积(mm2)

1.2 体外实验

1.3 数据处理

2 结果

2.1 计算流体力学实验结果

从黏接剂分布图可以看出,牙冠开孔时绝大部分多余的黏接剂从面开孔处溢出,颈部溢出量明显小于牙冠不开孔时(见图3)。不开孔组颈部溢出量明显大于开孔组;当黏接剂半径一定时,随着开孔直径增大,颈部溢出量逐渐减小,但是当黏接剂半径为1.2 mm时,不同开孔组间差别极小,当黏接剂半径为2.4 mm时,不同开孔组间差异较为明显(见图4及表1)。当开孔大小一定时,随着黏接剂半径增大,颈部溢出量增大;但是当面开孔直径较小时,颈部溢出量变化较大,而开孔直径为3 mm时,颈部溢出量变化较小(见图4及表1)。

不开孔组轴面充盈率为95.97%,小于所有开孔组;不开孔组肩台充盈率为55.03%,明显小于所有开孔组。轴面充盈及肩台充盈率与开孔大小或黏接剂半径之间未发现明显关系(见图4及表1)。

表1 流体力学实验分组方法及最终黏接剂分布

各组在0,0.25,0.5 s时的黏接剂分布云图及0.5 s时颈部放大图,图中蓝色表示黏接剂体积分数为0,即全部为空气;红色表示黏接剂体积分数为100%,即全部为黏接剂图3 流体力学实验中各组不同时刻黏接剂分布图Figure 3 Cement distribution in CFD experiments at different time in each group

图4 流体力学实验中各组的颈部溢出量、轴面充盈率及肩台充盈率Figure 4 Excess cement, cement fill rate at the axial wall and shoulder of crowns in CFD experiments in each group

2.2 体外实验结果

不开孔组及开孔组黏接剂应用总量分别为(41.4±3.5)mg和(42.2±3.9)mg,差异无统计学意义(P=0.630,见图5)。不开孔组及开孔组颈部溢出量百分比分别为(68.1±7.2%)和(8.3±3.5%),差异具有统计学意义(P<0.000 1,见图5)。不开孔组及开孔组黏接前后复合体长度变化值分别为(0.04±0.01)mm和(0.035±0.008)mm,两组间差异无统计学意义(P=0.218,见图5)。不开孔组及开孔组固位力分别为(169±25)N和(189±32)N,开孔组固位力相对于不开孔组略大,但两组间差异无统计学意义(P=0.123,见图5)。

3 讨论

目前在使用Fluent软件解决流体问题时,二维模拟[13,14]和三维模拟[15,16]都有着较广泛的应用。对于轴对称模型,将三维问题转化为二维问题进行分析是一种较好的方法,既能保证分析结果的精确性,又极大地降低了运算量和运算时间[12],而本实验“基台-牙冠”系统内部流场(黏接剂间隙)关于中心轴旋转对称;其次,本实验中黏接剂间隙宽度只有50 μm,为了保证模拟的精确性,网格尺寸必须十分小;而实验中采用的瞬态模拟,及黏接剂与空气之间极大的黏度差等都大大增加了计算量,因此,即使是进行二维模拟,计算量仍十分巨大,三维模拟就更加困难,故本实验采用了二维模拟。

本研究CFD部分从冠边缘黏接剂溢出量及冠内部充盈情况两方面来评价黏接效果。减少颈部溢出量对保护种植体周围骨组织和软组织具有重要意义[17]。黏接剂在冠与基台间的充盈是获得固位的基础,轴面黏接剂充盈不全时,可能会导致黏接剂层的不连续,有潜在的渗漏及牙冠脱落的风险[18],而肩台处黏接剂的封闭不良,可能会使修复体和基台之间出现微渗漏,影响种植体周围软硬组织的健康[19,20]。早期研究表明,黏接剂的固位力主要取决于轴面的黏接剂充盈量,而面是否获得黏接剂充盈并不会影响修复体的固位[21],这也是本研究中未对面的黏接剂充盈情况进行计算的原因。

与不开孔组相比，****P<0.000 1图5 体外实验中两组间黏接剂应用总量、颈部溢出量百分比、固位力及黏接剂前后复合体长度变化的比较Figure 5 Comparison of total amount of cement application, percentage of excess cement, value of retention and changes of the crown-abutment-implant analog complex before and after cementation in CFD experiments between two groups

修复体的边缘适合性是指修复体与基台肩台之间的间隙大小,过大的间隙可能会引起修复体和基台之间出现微渗漏,为细菌附着、牙菌斑积聚、牙结石形成提供有利的环境,进而引起种植体周围疾病的发生[19]。修复体的边缘适合性受黏接操作[22]、黏接剂涂布位置[23,24]、黏接剂类型[25]等影响。本研究的体外实验部分通过比较面开1 mm指示孔或不开孔时颈部溢出量百分比、固位力等参数,对CFD实验的结论进行了验证,并补充测量黏接前后牙冠-基台-替代体组成的复合体长度的变化,观察了面开孔对边缘合适性的影响。

实验中使用激光3D打印技术制作金属冠,与传统的失蜡铸造或CAD/CAM方式相比,该方法可获得更好的边缘适合性[26,27]。另外,黏接剂的应用位置及量对颈部溢出量、冠内部黏接剂充盈状况及冠边缘适合性等都有重要影响[10,21,23],而将黏接剂涂布在牙冠颈部时可以获得较好的边缘适合性及黏接剂充盈状况[10,23,28,29]。目前,绝大多数涉及固位力、颈部溢出量等的体外实验对黏接剂应用量的描述不清或较为主观[30,31],而本研究体的外实验部分,将黏接剂涂布在牙冠颈部,并尽量保证了两组之间的黏接剂总应用量相似,相应的结果更具有说服性。

在CFD模拟中,开孔组轴面黏接充盈率略优于不开孔组;而在体外实验中,虽然两组之间固位力的差异无统计学意义,但开孔组固位力略大于不开孔组,两种实验方法得到的结果一致,且与研究得到的结果一致[32,33]。另外,开孔组与不开孔组黏接前后复合体长度变化间差异无统计学意义,但是开孔组略小于不开孔组,说明在同样的就位压力下,开孔组边缘适合性更好,这与以往的研究结果相近[23,34,35]。

开孔组均获得了较好的冠内部充盈情况,总体来说,轴面充盈率总是优于肩台充盈率,这可能与冠就位后期,黏接剂流经肩台处时,剪切速率太快及黏接剂剪切变稀的非牛顿流体力学性质等有关。

当黏接剂半径为1.2 mm时,开孔直径大小对颈部黏接剂溢出量几乎无影响,这与研究结果相近[7,8],但Patel等[7]实验中仅将黏接剂使用状况描述为“按照厂家说明使用”,李哲等[8]仅定性比较了黏接剂半径为1 mm情况下,开孔大小对颈部溢出量的影响。本实验比较了两种黏接剂使用量情况下,最终冠内外黏接剂分布状况,并通过控制模拟精度,进行了组间定量比较。

当黏接剂半径从1.2 mm增大至2.4 mm时,不同开孔直径组中颈部溢出量均有所增加,但与黏接剂应用总量的增加量相比,颈部溢出量的变化很小,这说明面开孔排溢多余黏接剂的效力很大;开孔直径为1 mm时,颈部溢出量增加了约1倍,但开孔直径为3 mm时,颈部溢出量增加量几乎可以忽略,这说明开1 mm孔在排溢多余的黏接剂方面有一定的限度,当黏接剂应用总量增加到一定程度时,其排溢多余黏接剂的能力不如开孔直径为3 mm。但总体上,面开1 mm指示孔时,颈部溢出量不大,且最大限度地保持了牙冠完整的结构及美观性,也便于后期的拆卸及维护。此外,研究显示,当面开孔直径较大时,开孔边缘接近咬合受力区,在开孔边缘处易发生局部应力集中,而开孔直径≤1 mm时,中央螺丝可维持在较低的应力水平[36]。故建议在不使用口外去除多余黏接剂程序时,使用牙冠面开1 mm指示孔的方案,并注意控制黏接剂应用量。

通过反复观察CFD模拟过程,根据黏接剂流动方向变化,可将冠就位过程分为2个阶段:前期,牙冠的推挤作用使黏接剂相对于基台向上运动,从而将大部分多余的黏接剂堆积在基台方;后期,随着冠与基台之间间隙的减小,黏接剂因受到挤压从上下通道排出,而大部分堆积在基台方的黏接剂从面开孔处排出(面不开孔时仅从冠边缘排出)。该过程与Wadhwani等[37]使用一次性塑料杯对黏接剂流动过程进行模拟的结果十分相似。推测面开孔在此发挥了3种作用:①排气孔;②减压孔;③黏接剂排出通道。三者共同作用实现了良好的冠内部黏接剂充盈及较少的颈部黏接剂溢出量。

由于计算机模拟的局限,本实验无法模拟口腔环境中穿龈轮廓对牙冠就位过程的阻力。另外,本实验采用二维CFD模拟,可能不如三维模拟直观。除此之外,黏接剂的流变学性质、修复体尺寸等都会影响黏接剂的流动过程。本研究组将会继续对这些因素展开研究。

4 结论