不同嵌体材料修复右下颌第二前磨牙非龋性颈部缺损的生物力学性能比较

郭冬梅，谢莉莉，全 涛

（海南省人民医院，海口 510102）

0 引言

下颌第二前磨牙有着较为复杂且特殊的解剖结构，所承担的咬合力较大，易出现严重磨损、缺损、碎裂等，感染等病变的发生率较高[1-3]。其中，非龋性颈部缺损（non-carious cervical lesions，NCCLs）是指因磨损、腐蚀等造成的釉牙骨质界处牙体硬组织丧失，在下颌第二前磨牙有较高的发病率[4-5]。目前，临床对于下颌第二前磨牙NCCLs 通常采用嵌体修复治疗法，但口腔科用于NCCLs 修复的嵌体材料较多，如铸瓷、复合树脂、玻璃离子等，不同材料各有优缺点，哪种材料的生物力学性能最佳，目前临床尚无统一定论[6]。因此，本研究通过建立右下颌第二前磨牙NCCLs 三维有限元模型，比较不同嵌体材料修复NCCLs 的生物力学性能，以期能为下颌第二前磨牙的有效修复提供新的思路。

1 材料与方法

1.1 样本来源

选取2021年4 月在医院口腔科因治疗需要拔除的牙合关系正常、磨损少、无龋坏裂纹的右下颌第二前磨牙，牙齿大小符合国人牙齿标准范围。样本牙去除表面软组织、牙石等，将牙根包埋于硅橡胶印模材料，使牙长轴与硅橡胶板垂直，确保底部平整。

1.2 仪器与软件

仪器：锥形束CT（cone beam CT，CBCT）口腔扫描仪（德国，QUART DVT_AP 型）。软件：Mimics 三维重建软件（比利时）、Geomagic Studio 2020 逆向处理软件（美国）、ANSYS Workbench 2020 R2 有限元分析软件（美国）、Unigraphics NX 三维重建软件（美国）等。

1.3 离体牙扫描及三维建模

应用CBCT 口腔扫描仪平行于样本牙长轴对牙齿进行断层扫描。设置扫描参数：电压为120 kV，分辨力为0.125 立体像素，扫描时间为26 s。应用Mimics 19.0 三维重建软件读取CBCT 扫描数据，生成实验所需三维数据，并导出为STL 格式文件。将STL 格式文件导入Geomagic Studio 2020 逆向处理软件，进行图像预处理后建立右下颌第二前磨牙三维模型，以IGES 格式保存。再以Unigraphics NX 三维重建软件处理模型，由牙颈部切出楔状洞型，设置窝洞高、深、宽分别为5.0、1.0、2.5 mm，缺损底部平缓，洞缘角为120°的钝角，获得的NCCLs 模型如图1 所示。

图1 右下颌第二前磨牙NCCLS 模型

1.4 不同嵌体材料及建模

将三维实体模型导入有限元分析软件，自动划分网格后生成10 节点的等参四面体单元，共生成单元格数362337 个，节点数505855 个。从釉牙骨质界以下均匀地沿牙根轮廓线外展2 mm，开始建立牙周膜与牙槽骨的三维实体模型。黏结剂厚50 μm，选择4 种嵌体修复材料，分别为复合树脂（生产企业：美国3M 公司，商品名：FiltekTMZ350 纳米复合树脂）、玻璃离子（生产企业：日本富士公司，商品名：GC FujiⅡLC 树脂改性光固化玻璃）、铸瓷（生产企业：瑞士义获嘉·伟瓦登特公司，商品名：义获嘉IPS-E.Max铸瓷）和优韧瓷（生产企业：美国3M 公司，商品名：LavaTMUltimate 优韧瓷）。

1.5 模型材料力学参数值

假设模型各部件均为均质、连续、各向同性线性的弹性材料。各材料力学参数值见表1。

表1 材料力学参数值[7-8]

1.6 载荷加载

1.6.1 静态载荷

（1）垂直加载：将力加载于样本牙颊尖顶处，与牙体长轴面平行。（2）侧向加载：包括由舌侧斜向于颊侧以及由颊侧斜向于舌侧，与牙体长轴呈45°。2种加载方式如图2 所示，加载力均为100 N。模型约束：固定牙齿于牙槽骨内，对牙根进行X、Y、Z 3 个方向的移动约束，以保证离体牙模型受力时各界面不会移位。

图2 三维模型加载力方向（单位：mm）

1.6.2 动态载荷

通过动态载荷加载模拟口腔咀嚼状态下的应力情况，参照相关文献[9]，设定0.88 s 为1 个动态载荷周期，并将这一周期分为5 个咀嚼阶段：0～0.13 s 为第1 阶段，加载力为0 N；0.14～0.15 s 为第2 阶段，垂直加载200 N；0.16～0.25 s 为第3 阶段，颊向舌侧斜向45°加载200 N；0.26～0.30 s 为第4 阶段，舌向颊侧斜向45°加载200 N；0.31～0.88 s 为第5 阶段，加载力为0 N。同时，动态加载时温度设置为37 ℃，以达到模拟仿真的效果；取1 个动态载荷周期的平均值，作为不同嵌体材料动态加载的观察指标。

2 结果

2.1 修复后嵌体静态加载最大应力峰值

NCCLs 模型的应力集中在缺损的尖端；4 种嵌体材料修复后，缺损内部无明显应力集中，而缺损尖端应力值降低，不同嵌体材料的应力分布趋势基本相同。不同方向加载的最大应力峰值比较可见，4种嵌体材料均是舌向颊侧斜向45°加载时的应力峰值最高；不同嵌体材料的最大应力峰值比较可见，铸瓷材料垂直加载、舌向颊侧斜向45°加载与颊向舌侧斜向45°加载的应力峰值均为最高。各嵌体材料应力峰值由小到大排列依次为：优韧瓷＜复合树脂＜玻璃离子＜铸瓷，见表2。

表2 修复后嵌体静态加载最大应力峰值 单位：MPa

2.2 动态加载模拟口腔咀嚼时牙本质应力峰值

通过对动态加载分析可见，铸瓷的Von Mises 应力峰值与主应力峰值最大，其次为玻璃离子、复合树脂，应力峰值最小的为优韧瓷，详见表3。

表3 动态加载模拟口腔咀嚼时牙本质应力峰值 单位：MPa

2.3 嵌体与牙体交界处应力分布

选择NCCLs 洞型应力集中区域内的4 个节点（嵌体材料与牙体组织交界处的左、右两端，以及缺损底端、缺损顶端）进行不同嵌体材料的Von Mises应力值测量。结果发现，不论是垂直加载（如图3 所示），还是舌向颊侧斜向45°加载、颊向舌侧斜向45°加载，均显示嵌体与牙体各交界点的应力值降低，其中铸瓷顶端与底端的应力值较大，左、右两端的应力值较小，而复合树脂、玻璃离子、优韧瓷顶端与底端应力值较小，左、右两端应力值较大。各嵌体材料检测点应力值由小至大排列依次为：优韧瓷＜复合树脂＜玻璃离子＜铸瓷。

图3 垂直加载下嵌体与牙体交界处的应力分布

2.4 嵌体材料修复NCCLs 前后各模型颊尖位移值

在垂直与侧向加载方式下，相较于修复前的缺损模型，不同嵌体材料修复后的各模型颊尖位移值均有减小，减小幅度最大的均为颊向舌侧斜向45°加载。在同一加载条件下，各嵌体材料修复后的颊尖位移值均相同，见表4，如图4 所示。

图4 嵌体材料修复NCCLs 前后各模型颊尖位移值

表4 嵌体材料修复NCCLs 前后各模型颊尖位移值 单位：mm

3 讨论

NCCLs 作为牙科常见的牙体硬组织非龋性疾病，好发于下颌第二前磨牙，目前主要采用嵌体材料修复治疗。嵌体修复具有操作简单、对龈沟液污染少、修复黏结度强等优点[10-11]。同时，在NCCLs 治疗中，还需充分考虑到嵌体材料修复的稳固性、美观性等特点。为进一步探索不同嵌体修复材料的力学性能，本研究建立了下颌第二前磨牙的三维模型。基于该牙所承担的重要咀嚼作用，研究模拟了人体进食咀嚼时上下颌咬合所接触到的范围，选择下颌第二前磨牙颊尖斜面进行NCCLs 设计。楔形缺损在临床较为常见，其形态圆缓，窝洞底部已制备成较平整的肾形或半圆形，避免嵌体尖端导致牙颈部应力的过于集中，修复后对牙合力的矫正预后效果更佳。同时选择复合树脂、玻璃离子、铸瓷与优韧瓷4 种嵌体材料用于NCCLs 修复模型中，以找出最佳的嵌体修复材料。

FiltekTMZ350 纳米复合树脂是一种高分子充填材料，聚合收缩能力小，对牙体组织的牵拉力小，可获得较好的修复形态及邻接关系；GC Fuji ⅡLC 树脂改性光固化玻璃在传统玻璃离子基础上加入了树脂成分，更具耐磨性；义获嘉IPS-E.Max 铸瓷的强度高，生物相容性好，美学效果佳；LavaTMUltimate优韧瓷作为首款纳米复合陶瓷，嵌体外观自然，韧性更佳。本研究三维有限元分析可见，4 种嵌体材料在修复下颌第二前磨牙NCCLs 后表现出相似的应力分布趋势，缺损内部无明显的应力集中，缺损尖端的应力值也显著减小，这提示嵌体修复对分散NCCLs 应力、降低几何形变具有重要意义，与相关报道相符[12]。

使用不同嵌体材料修复后，各加载条件下均显示铸瓷与牙体交界处各检测点的应力值最大，且顶端与底端应力值大于左、右两端，其他各嵌体材料均为顶端与底端应力值较小，左、右两端应力值较大，且优韧瓷各检测点的应力值最小。同时，研究还采用动态加载模拟口腔咀嚼运动，这能更加真实、客观地评价下颌第二前磨牙的嵌体的修复效果，计算结果也显示铸瓷的Von Mises 应力峰值与主应力峰值最大，玻璃离子次之。铸瓷与玻璃离子的弹性模量相比复合树脂和优韧瓷更高，提示高弹性模量的嵌体材料所承受的应力可能也会增高。而复合树脂与优韧瓷在相同加载条件下的应力值较低，其弹性模量也更低，提示低弹性模量的嵌体材料更有利于将所承载的应力均匀地传递至牙体组织，从而减少折裂等问题[13-14]。因此临床在嵌体材料的选择中，应将弹性模量数据作为参考指标之一。

NCCLs 修复后，嵌体材料与牙体交界处组织的应力越低，表示牙齿修复效果越好。本研究比较不同嵌体材料与牙体交界处应力分布情况后发现优韧瓷的应力最小，提示优韧瓷可能更适宜用于下颌第二前磨牙的NCCLs 修复。而嵌体与牙体间密合度高，能减少修复材料移位脱落的可能性。本研究结果显示，在同一加载条件下，各嵌体材料修复的颊尖位移值均相同，提示不同的嵌体材料均可与牙体获得较好的密合度，对位移、脱落无影响。但需注意的是，人的口腔环境十分复杂，本研究也仅是简单的三维模型分析，在实际的缺损修复中，口腔环境中的细胞、唾液、缺损洞型等问题均可能影响嵌体修复的效果及美观性[11]。因此，后期还应开展大样本、多中心的临床体内实验研究，以进一步明确不同嵌体材料的应用价值。

综上，采用不同嵌体材料修复右下颌第二前磨牙楔形NCCLs 所表现出的应力分布及应力峰值近似，均可取得较为理想的修复效果。但从应力分布、韧性等方面综合考虑，以LavaTMUltimate 优韧瓷作为嵌体材料修复NCCLs 可能会获得更好的效果。