前沿拓展：下頜種植牙角度要求多少
摘要
通過運用三維有限元方法建立I一Ⅳ類骨質中種植體不同角度傾斜種植模型24個，垂直集中加載300N。分析研究顯示，在同一骨質中，隨著種植體傾斜角度的增加，密質骨和松質骨中的大應力及應變量均逐漸增大；而相同角度的種植體于不同質量的頜骨中時，大應力發(fā)展趨勢為：密質骨：Ⅳ類骨質>Ⅲ類骨質>II類骨質>I類骨質；松質骨：Ⅲ類骨質>IV類骨質>II類骨質。
關鍵詞傾斜種植；不同質量頜骨；應力分析；三維有限元
后牙區(qū)由于受到解剖條件的限制，常出現(xiàn)骨高度不足，通常需要在常規(guī)種植的基礎上輔以植骨術。然而，植骨術存在術后反應大、費用高、調節(jié)周期長等缺點。目前，有學者提出“傾斜種植”的概念，即種植體植入方向與原牙體長軸成角度，以避開關鍵的解剖結構(如上頜竇、下頜神經管等)，在不附加手術的前提下獲得足夠骨量_lJ。傾斜種植多用于無牙頜、后牙連續(xù)缺失以及前牙這些對咬合力要求較小的區(qū)域J。但對應用于后牙單個牙缺失這樣對咬合力要求較高的區(qū)域存在爭議。頜骨質量有區(qū)別，并且它對種植體的穩(wěn)定性意義重大。對于傾斜種植可否適用于所有頜骨骨質的后牙區(qū)以及大適用角度，目前尚無研究論證。該研究擬對不同質量頜骨中的傾斜種植體周圍骨質的應力狀態(tài)進行三維有限元分析(three—dimensional finite element method，3DFEM)，以期對單個后牙缺失傾斜種植的I臨床應用提供理論依據。
1 材料與方法
1．1 材料
計算機的CPU：AMD雙核；內存：4G；硬盤：320G。有限元軟件：ANSYS12．0大型三維有限元分析軟件。
1．2 模型建立
1．2．1 種植體模型 的建立
根據ITI的基本數(shù)據建立圓柱形種植體的三維有限元模型?直徑為4.1mm,高10mm,螺距1.25mm,齒高0.5mm?上部角度基臺:簡化為下底直徑4.1mm?上底直徑3.5mm?高5mm的圓臺?由于IT1種植系統(tǒng)中大角度基臺的角度為20?,為避免受到限制,該實驗將角度基臺的角度增大至25?,即種植體長軸與角度基臺長軸分別呈0°?5°,10°?15°?20°?25°,形成6種種植體模型?該實驗設置種植體的材料為鈦,彈性模量為1.1*6MPa,泊松比為0.35?
1．2．2 牙冠模型的建立
簡化為8mm；l：8mm8mm的瓷性正方體。由于本實驗主要觀察種植體周圍骨質的應力應變情況，與上部結構無關，故對上部角度基臺及牙冠進行簡化。該實驗設置瓷的彈性模量為710MPa，泊松比為0．19。
1．2．3 骨塊模型的建立
頜骨骨塊的尺寸為：近遠中向16mm，頰舌向8mm，高15mm，骨塊簡化為內含松質骨，外包密質骨，松質骨的近遠中向未被密質骨包繞的長方體。根據Wakimoto et all采用的骨質分類方法，即I級：頜骨幾乎完全由均質的密質骨構成；11級：厚層的密質骨包繞骨小梁密集排列的松質骨；Ⅲ級：薄層的密質骨包繞骨小梁密集排列的松質骨；1V級：薄層的密質骨包繞骨小梁疏松排列的松質骨；構建四種骨質模型，即I類骨：全由密質骨構成；Ⅱ類骨：密質骨厚3mm；m類骨：密質骨厚1mm；1V類骨：密質骨厚1mm，松質骨的彈性模量降低。該實驗設置密質骨的彈性模量為13700MPa，I～Ⅲ類松質骨的彈性模量為1370MPa，Ⅳ類松質骨的彈性模量為690MPa，泊松比均為0．3【6-8】。
1．2 ．4 模型的裝配與單位劃分
將種植體、骨塊、牙冠進行一一裝配。種植體完全位于骨塊中，上部基臺的長軸與骨塊長軸平行，即形成種植體傾斜種植的模型。共形成24個模型。本實驗采用自動劃分單元的形式對建立的24個模型進行單元劃分，單元數(shù)為70593—73210個，節(jié)點數(shù)為97435—99853個，見圖1.
1.3實驗條件假設與約束
假設模型中所有材料均為均質、線彈性、各向同性。假設種植體與周圍骨組織為骨結合。骨塊的近遠中、底面全部約束，模型在加載后不發(fā)生位移，但約束區(qū)以內的骨組織受力后可發(fā)生位移。
1.4加載方式
由于正常情況下，人咀嚼食物時所用的力約3~30kg，即約30~300N，故加載方式為垂直集中加載300N。
1.5計算分析
應力和應變是三維有限元分析力學常用的直觀的變量。本實驗使用ANSYS12.0大型有限元分析軟件對各個模型進行計算，分析在載荷條件下，密質骨和松質骨的大等應力及大應變量，以確定傾斜種植在不同質量頜骨中能否應用，以及可應用的大角度。
2結果
2.1密質骨的大應力、大應變及其分布情況
在同一骨質中，隨著種植體傾斜角度的增加，密質骨中的大應力及應變量逐漸增大；而相同角度的種植體位于不同質量的頜骨中時，I類骨質的應力小，其余依次增大。見圖2。
當種植體垂直植入頜骨中時，其密質骨的大應力分布于種植體頸部。而傾斜種植時，密質骨的大應力分布于反傾斜向的種植體頸部。四類骨質模型中密質骨的應力分布規(guī)律基本相同。見圖3。
2.2松質骨的大應力、大應變及其分布情況
在同一骨質中，隨著種植體傾斜角度的增大，松質骨的大應力及應變呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，其應力小于密質骨中的應力。而當種植體傾斜角度相同時，松質骨應力的變化趨勢為：Ⅲ類骨質>Ⅳ類骨質>Ⅱ類骨質。但隨著骨質密度的降低，松質骨的應變依次增大。見圖4。
在Ⅱ類骨質中，松質骨的大應力分布于種植體的底部（下方的螺紋處)，而在Ⅲ、V類骨質中種植體周圍松質骨應力分布較均勻，但在密質骨與松質骨交界處出現(xiàn)了應力較集中的區(qū)域。同一骨質不同角度的種植體松質骨應力分布情況基本相同。見圖5。
3討論
自1976年3DFEM被引入口腔種植學以來，3DFEM已成為口腔種植力學分析的重要手段并得到廣泛應用，對臨床具有重要指導意義。而本實驗中使用的ANSYS12.0軟件是當前使用廣泛、功能強大的有限元軟件。該實驗將頜骨簡化成規(guī)則形狀，而未使用CT掃描建立頜骨模型，其原因為：一方面由于個體的差異，使用CT掃描建立的頜骨模型并不具有共性；另一方面，李湘霞等研究表明，在有限元研究中將下頜骨形態(tài)簡化成規(guī)則形態(tài)是合理的。因此，本研究結果是真實可信的。
當種植體傾斜角度相同時，大應力的發(fā)展趨勢為：密質骨：Ⅳ類骨質>Ⅲ類骨質>Ⅱ類骨質>I類骨質；松質骨：Ⅲ類骨質>V類骨質>Ⅱ類骨質。這與Danza eta]的研究結果相類似。其中Ⅲ、Ⅳ類骨質較Ⅰ、Ⅱ類骨質增長幅度大。以種植體垂直植入為例，Ⅱ、Ⅲ、IⅣ類骨質中的密質骨大應力較I類骨質分別增長了136%、486%、865%。Ⅲ、Ⅳ類骨質中的松質骨大應力較Ⅱ類骨質分別增長了692%和637%。IV類骨質中的松質骨大應力略小于Ⅲ類，這可能是由于Ⅳ類骨質中的松質骨的彈性模量降低了一半。這提示在I、Ⅱ類骨質中進行傾斜種植在生物力學方面優(yōu)于Ⅲ、Ⅳ類骨質。因此當臨床上要為Ⅲ、IV類骨質患者進行傾斜種植時，應適當通過其他術式增加骨密度(如骨擠壓等)。
骨組織受力的作用而變形，當骨組織受力而增長至原有長度的101%，其變化為1%，單位為0.01strain(應變），或10000 ustrain(微應變）。當骨組織受力小于50ustrain時，骨組織處于廢用狀態(tài)。當外力作用在50~3000ustrain時，骨組織可自我調節(jié)避免骨吸收。當外力作用在3000ustrain以上時，骨組織的自我調節(jié)已無法抗衡吸收，因此，當外力作用小于50ustrain或大于3000ustrain時，骨組織發(fā)生骨吸收。
實驗中，I類骨質的6種傾斜種植模型的大應變?yōu)?200ustrain，低于3000ustrain，說明I類骨質可進行25。以下的傾斜種植。Ⅱ類骨質中25。傾斜種植的模型的大應變?yōu)?752ustrain，其余模型均低于3000ustrain，因此Ⅱ類骨質可進行20。以下的傾斜種植。Ⅲ、Ⅳ類骨質傾斜種植的模型中，除了Ⅲ類骨質0。種植模型的大應變?yōu)?769ustrain，其余均高于3000ustrain。這提示Ⅲ、Ⅳ類骨質不適用于傾斜種植，同時，當Ⅳ類骨質進行垂直種植時，也建議其首先增加骨密度。
由于本實驗模型中模擬的是100％骨結合，在臨床上難以達到，因此要探究傾斜種植是否能在臨床上推廣應用，仍需進行進一步的動物試驗和臨床試驗。
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