挤压松质骨后植入种植体的生物力学研究

左艳萍, 汪永跃, 王 荣, 刘 宁, 傅云婷, 周 颖

(1.西安医学院 口腔医学院, 陕西 西安, 710021; 2.四川大学华西口腔医院 种植科, 四川 成都, 610041;3.河北工业大学 省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室, 天津, 300401;4.广东省深圳市龙岗区耳鼻咽喉医院 口腔科, 广东 深圳, 518172;5.四川省成飞医院 口腔科, 四川 成都, 610091)

种植窝的骨结构是种植义齿成功的关键因素，临床种植手术前医生需对患者种植位点的骨质、骨量进行评估。骨挤压技术是指在种植备洞过程中，使用由细到粗的骨挤压器对种植窝骨壁进行逐级挤压，利用松质骨的弹性增加种植窝直径和骨质密度，最终使种植体顺利植入的方法。临床实践[1-2]结果已证实，骨挤压技术可有效提高种植体初期稳定性。临床种植体骨挤压技术主要包括敲击挤压法和螺旋挤压法，本研究通过动物实验和有限元研究分析了敲击挤压法和螺旋挤压法植入种植体的生物力学性能，现报告如下。

1 材料与方法

1.1 实验材料和设备

螺纹锥状钛合金种植体(直径4.2 mm, 长度8.0 mm), 自行设计的敲击挤压器、螺旋挤压器及扳手(不锈钢合金)，万能材料试验机, ANSYS建模软件等。

1.2 动物实验方法

1.2.1 种植体植入: 选择普通成年杂种犬12只，体质量7～12 kg, 适应性饲养1周后进行实验。在犬双侧股骨髁部位各预备1个种植体窝，随机分别纳入敲击挤压组和螺旋挤压组，常规备洞后，用自行设计的2种骨挤压器分别对2个种植窝进行逐级挤压，挤压程度为1.2 mm, 最后分别植入1枚螺纹状钛合金种植体(直径4.2 mm, 长度8.0 mm)。

1.2.2 种植体推出实验: 术后1、2、4、12周各处死实验犬3只。取出种植体所在骨段，以生理盐水冲洗，浸泡于固定液中。应用Trophy数码高频牙片机对样本进行摄片。去除种植体下方骨质，暴露种植体底端，将含种植体的骨块固定于万能材料试验机上进行种植体推出实验，以2 mm/min的加载速度将种植体推出，推出方向与种植体长轴方向一致，记录种植体开始松动时的最大力值，计算剪切强度。

1.3 有限元建模方法

1.3.1 种植体、挤压器、骨块设计: 种植体的设计参照临床常见种植体系统，包括基台及上部结构即牙冠部分。种植体为根形螺纹种植体，尺寸为直径4.0 mm(颈部)、3.3 mm(尖端)，长度10.0 mm, 螺纹间距0.5 mm, 螺纹深度0.5 mm; 骨块宽14.0 mm, 深20.0 mm。根据不同挤压方式，分别设计敲击挤压器及螺旋挤压器的工作端。

1.3.2 基本模型生成: 根据上述尺寸，应用ANSYS建模软件绘制出螺纹型种植体，颌骨局部骨块三维立体几何模型，在骨块中分别绘制出与2种挤压器形态匹配的种植窝，设置材料力学参数(表1)。模型中的种植体、骨组织都假设为连续、均质和各项同性的线弹性材料。界面处2种材料在外力作用下可以发生相对运动，界面可传递压力，不能传递拉应力，摩擦系数0.3, 局部骨块侧向及底面给予固定约束。

表1 材料力学参数表

1.3.3 敲击挤压有限元模型的建立: 对种植窝骨壁的挤压使得种植窝骨壁刚度增加，因此设计种植体周骨质的弹性模量呈梯度变化。松质骨周边的弹性模量以每层5 MPa的梯度增加，共设置5层，其中松质骨的弹性模量为1 370 MPa, 弹性模量随着挤压程度的增高而增大，因此与种植体接触处的松质骨弹性模量为1 395 MPa。网格单元采用PLANE183, 种植体附近进行了网格加密。为避免种植体形态差异的影响，在种植窝壁施加与种植体螺纹螺距、螺纹深度相似的位移约束，即分别施加0.5 mm的位移约束。

1.3.4 螺旋挤压有限元模型的建立: 模拟螺旋挤压的特点，可直接将模型中种植体周骨质建立成螺纹状。同样设计种植体周骨质的弹性模量呈梯度变化，模型弹性模量的处理方式与前述植入方式相同，网格单元采用PLANE183。

1.3.5 应力加载及有限元计算分析: 对2种挤压植入方式的种植体上部结构(牙冠部分)施加水平方向侧向力200 N(图1), 并用ANSYS软件进行有限元计算分析。

A: 敲击挤压; B: 螺旋挤压。

2 结 果

2.1 种植体推出实验

X线影像结果显示，种植体与松质骨接触情况良好，无炎症性阴影区(图2), 2组松质骨影像无显著差异。种植体推出实验结果显示，螺旋挤压组术后1、2周时的剪切强度高于敲击挤压组，差异有统计学意义(P<0.05); 术后4、12周时，螺旋挤压组的剪切强度均高于敲击挤压组，但差异无统计学意义(P>0.05)。见表2。

表2 不同挤压方式植入种植体的剪切强度比较 MPa

A: 术后1周; B: 术后2周; C: 术后4周; D: 术后12周。

2.2 有限元分析

总位移云图中，种植义齿中不同颜色代表不同位移量，右侧颜色指示条表示从深蓝色到红色位移量逐渐增大，可以看出在侧向力的作用下，敲击挤压和螺旋挤压植入的种植体的最大位移均在种植体颈部及根尖部，见图3。选取牙冠左上角相同位置的节点进行比较，发现在相同侧向力的作用下，敲击挤压植入种植体的位移量小于螺旋挤压植入种植体，位移结果见表3。

A: 敲击挤压; B: 螺旋挤压。

表3 不同挤压方法相同节点处的位移结果比较

3 讨 论

SUMMERS R B[3]于1994年率先提出骨挤压技术，即在种植手术备洞过程中，当种植区牙槽骨密度较低时(尤其是骨质疏松患者)，为避免常规钻骨造成的骨量损失，使用不同规格的骨挤压器对种植窝进行逐级挤压，通过挤压作用力和松质骨的弹性扩大种植窝，同时增加种植窝周骨质密度，使种植体顺利植入。另外，骨挤压备洞技术可产生很多细小的骨碎片，其被压进骨小梁之间的空隙，也相当于一种自体骨移植，减少了备洞过程中的骨量丧失。大量研究[1-2, 4-5]证实该技术能够提高种植窝的骨组织密度，改善种植体的初期稳定性，提高种植体骨结合率，为种植义齿提前负重甚至即刻负重创造了有利条件。

骨挤压技术常被应用于骨挤压、上颌窦底提升、牙槽骨增宽等临床手术中，目的是为了改善种植床的骨质、骨量，提升种植体稳定性，目前在口腔临床种植手术中已得到全面应用。螺旋式和敲击式骨挤压器都能在一定程度上达到骨挤压的效果，其中敲击挤压方式多用于上颌窦提升并实现松质骨挤压的患者，螺旋挤压方式多用于常规种植挤压植入手术患者。多项基础及临床研究[6-9]均证实了挤压技术提高种植体初期稳定性的作用，本研究在此基础上对2种挤压方式进行比较，通过建立动物模型及有限元模型，探究2种挤压方式对抗垂直和水平方向应力之间的差异。以往关于口腔生物力学的有限元研究[10-11]常采用磨片、切片、三维测量、CT扫描等方式建立三维有限元模型。本研究的主要目的是比较2种不同挤压方式的生物力学差异，加之考虑到种植体及周围骨质在结构上的对称性特点，因此利用ANSYS软件绘制平面式二维图形，建立二维的有限元模型，将复杂问题简单化。种植义齿在口腔行使功能的实际情况中，应力方向是复杂多样化的，二维有限元模型的结果还需要三维有限元模型进一步验证，希望本实验能够为后续临床及基础相关研究提供思路。

由于下颌骨骨质致密弹性小，骨挤压技术用于下颌骨种植体手术时需要特别谨慎。另外，在上颌骨使用骨挤压技术时也要注意控制挤压力的力度，避免挤压力过大超过松质骨生理限度而引起松质骨骨小梁的微小骨折。因此，在种植骨挤压备洞过程中，医师丰富的临床经验以及良好的手感是非常重要的。在敲击挤压过程中，骨锤敲击挤压器的力度应均匀，避免因力量过大产生过大压力和过多热量而造成骨小梁的断裂或骨质的吸收，同时由于个体差异的存在，初期稳定性与种植窝松质骨的挤压程度并不一定呈正相关。BEER A等[12]发现，由于基础骨密度的个体差异，种植体初期稳定性与挤压程度并不呈正相关，且与患者自身骨质的矿化程度有一定相关性。此外，临床还要注意减小骨挤压后种植窝与种植体的直径差，从而减少术后骨吸收的发生，促进种植体骨结合[13]。

下颌行使功能过程中的运动方向和形式是复杂多样的，咀嚼运动也是各方向上的复杂的综合运动，在此过程中牙齿受到的应力在位置、大小和方向上是动态多变的。目前临床缺少公认的动态载荷相关数学模型和参数，静态载荷是有限元分析的常用方法，即在研究模型的某一部位加载应力，其位置、大小、方向不随时间变化而变化。不管是种植义齿还是天然牙，其承受垂直向咬合力的能力是最强的，而承受侧向力的能力是最弱的。本研究通过建立有限元静态模型比较了2种不同挤压方式植入的种植体承受水平向外力后的生物力学特征，为了避免不同牙位牙体形态(包括轴面弧度、牙尖高度、牙尖斜度等)对应力分布的影响，建模时将牙体形态简化，并统一选择受力的位置为轴面，同时参考正常人群实际咀嚼力(10～23 kg), 选择200 N作为应力加载量，以期为下一步更加真实地模拟口腔功能运动的动态有限元分析提供一定参考依据。

综上所述，螺旋挤压在对抗垂直力方面优于敲击挤压，敲击挤压在对抗侧向力方面优于螺旋挤压。由于实验研究与临床实际工作存在不可避免的差异，临床工作中应根据患者实际骨质情况设计挤压方式、挤压程度等，并通过合理使用挤压工具以及标准娴熟的操作手法来实现骨挤压技术在提高种植体初期稳定性方面的作用。