微型种植体单一载荷与复合载荷的生物力学效应及规律

摘要

目的:临床正畸治疗过程中，支抗的控制常常是影响治疗效果的关键因素，若支抗控制不好甚至可以导致治疗的失败。随着原有的支抗控制装置已不能满足临床需要，近年来微型种植体支抗技术逐渐应用于临床正畸治疗，并且由于其尺寸小、植入位置灵活、手术创伤小等原因受到广泛欢迎，极大地拓展了正畸治疗的范围。但微型种植体脱落情况时有发生，据报道成功率89％，影响了支抗种植体在临床更为广泛的开展。
　　影响种植体稳定性的因素包括生物学稳定性和生物力学稳定性。材料学的发展极大地提高了种植体的生物学稳定性，因此种植体的生物力学稳定性逐渐受到重视。学者们对修复种植体的力学影响做了大量研究，但微型种植体明显不同于修复种植体，种植体植入位置及对其载荷的方式都有很大的差别。一些学者对微型种植体植入角度及载荷方向做了研究，发现二者均明显影响了种植体-骨界面的应力分布。但在临床实际操作中，对支抗种植体的载荷方式更加复杂多变，可能为单一载荷，也可能为复合载荷，并且会根据不同的正畸治疗目的而改变载荷方向。目前，有关不同载荷方式对种植体-骨界面应力分布的作用效果和规律尚不明确，未见有文献报道。
　　三维有限元法是分析口腔种植体生物力学的重要方法和手段，已广泛应用于口腔领域。此方法通过建立精确的牙颌系统模型，可真实的模拟不同载荷下种植体及其周围组织的位移及应力的变化，由于受其他因素影响较小，是目前研究微种植体比较可靠的一种方法。
　　本实验通过三维有限元分析法，建立了两种角度植入微种植体的骨块模型，模拟临床不同植入角度时对种植体施加单一或复合载荷，并观察不同载荷方式下种植体周围组织的应力分布和位移变化，探讨种植体不同植入角度、不同载荷方式种植体-骨界面应力分布的规律，为临床应用提供理论依据，以期提高微种植体的稳定性。
　　方法:
　　1实验设备
　　计算机:笔记本工作站，Dell precision(Intel(R) Core(TM) i7-4800MQCPU@2.70GHz:32G内存，win7，64位操作系统）
　　软件包:Mimics，Catia V5，Hyperworks12.0，Abaqus6.13，excel，截图工具
　　2微种植体—颌骨模型
　　2.1建立模型
　　临床为了使作为支抗的微种植体可以植入颌骨的任意部位，其直径和长度的范围是受到限制的。本文模拟了一个直径为1.6mm的微种植体，螺纹高度0.3mm、螺纹间距0.5mm、螺纹顶角60°，材料为纯钛。而种植体长度一般由植入部位的解剖形态决定，本文建立的骨块模型为长20mm、宽20mm.、高10mm（表面为皮质骨，内部为松质骨，其中皮质骨厚度1mm，其余为松质骨）的立方体，以使其有足够的宽度来评估微种植体周围的应力分布。因此设定微种植体骨内长度为8mm。
　　2.2装配微型种植体-下颌骨实体模型
　　以骨块模型表面几何中心为种植体植入点，设定通过植入点平行于一侧骨边缘为X轴，平行于另一侧为Y轴，垂直于骨表面为Z轴。种植体植入方向分别为:垂直植入和将种植体向Y轴正向倾斜45度角植入。
　　2.3载荷力大小、方式及方向
　　微种植体可承受的正畸力值通常不超过3N。根据力学规律计算，设定Load-C加载力值为2×√2N，其余均为2N。载荷方式为单一载荷或双载荷同时进行。所有加载方向平行于X-Y平面。载荷点位于种植体的颈部。
　　2.4实验分组
　　设定与X轴正向方向一致时加载方向为0°。实验分组如下:第一组:微种植体垂直于x-y平面植入
　　LoadⅠ-A施加与x轴正向成0°的正畸力2N
　　LoadⅠ-AB同时施加与x轴正向成0°和180°两个方向的正畸力各2N
　　LoadⅠ-C施加与x轴正向成90°的正畸力2×√2N
　　LoadⅠ-DE同时施加与x轴正向成45°和135°两个方向的正畸力各2N
　　LoadⅠ-FG同时施加与x轴正向成25°和155°两个方向的正畸力各2N第二组:微种植体与y轴正向成45°植入
　　LoadⅡ-A施加与x轴正向成0°的正畸力2N
　　LoadⅡ-AB同时施加与x轴正向成0°和180°两个方向的正畸力各2N
　　LoadⅡ-C1施加与x轴正向成90°并与y轴正向成0°的正畸力2N
　　LoadⅡ-C2施加与x轴正向成90°并与y轴正向成0°的正畸力2×√2N
　　LoadⅡ-D施加与x轴正向成45°的正畸力2N
　　LoadⅡ-DE同时施加与x轴正向成45°和135°两个方向的正畸力各2N
　　LoadⅡ-F施加与x轴正向成25°的正畸力2N
　　LoadⅡ-FG同时施加与x轴正向成25°和155°两个方向的正畸力各2N
　　LoadⅡ-H施加与种植体长轴方向成0°的正畸力2N
　　3材料
　　3.1实体建模
　　利用电子计算机技术，建立颌骨和种植体的三维模型，形成垂直装配和倾斜45度装配。假设模型中的各种材料和组织为连续、均质、各向同性的线弹性材料，材料变形为弹性小变形。
　　3.2网格划分
　　利用电子计算机技术，导入三维模型到有限元建模软件Hyperwork12.0的Hypermesh模块中，完成整个模型网格划分。
　　3.3部件连接
　　将有限元网格模型导入到Abaqus6.13中，根据提供的不同部件的材料属性，建立并赋予各部件材料属性。设定种植体—骨界面间摩擦系数为0.3。
　　4计算
　　利用Hyperworks13.0的Hyperview模块查看计算结果，采集各组Von-Mises应力值、压应力值、拉应力值及位移值，并分析其应力分布和应变规律。
　　结果:
　　1建立了微种植体垂直和倾斜45度植入的颌骨模型，其生物相似性好，满足力学运算要求。
　　2在微种植体以垂直和倾斜植入的两组模型中，不同加力方式下的应力和位移峰值主要集中在有力值加载部位的骨边缘处。这说明应力和位移的峰值主要集中在皮质骨。由皮质骨过渡到松质骨，应力和位移的数值呈现递减趋势。
　　3当微种植体垂直植入时，Von-Mises应力峰值由8.72到0.7186MPa，位移峰值由5.525到0.2016μm。其中相交成90°的复合载荷组LoadⅠ-DE，应力峰值及位移峰值最大;其次为单一载荷组LoadⅠ-A即传统加力方式，然后是相交成130°的复合载荷组LoadⅠ-FG，峰值最小的是方向相反的复合载荷组LoadⅠ-AB。值得注意的是，加载方向为90°，加载力值为2×√2N的载荷组LoadⅠ-C与相交成90°的复合载荷组LoadⅠ-DE应力峰值与位移峰值相差不多。
　　4倾斜植入时，Von-Mises应力峰值由7.293到0.2612MPa，位移峰值由5.237到0.1597μm。最大值依然出现在LoadⅡ-DE组，最小值也同样为LoadⅡ-AB组。单一载荷时施加相同正畸力(2N)的LoadⅡ-A、LoadⅡ-F、LoadⅡ-D、LoadⅡ-C1、LoadⅡ-H在应力和位移峰值上呈现出递减的趋势;施加2×√2N的LoadⅡ-C2与施加2N的LoadⅡ-A应力和位移峰值相差不多。
　　5各载荷方式下，倾斜植入组应力峰值均小于垂直植入组;而Load-FG组倾斜植入时的位移峰值与垂直植入时差别不大。
　　结论:
　　1种植体垂直植入及倾斜植入，同时加载两个方向相反、大小相等的垂直于种植体长轴的力时，骨界面应力分布最均匀，也最有利于种植体的稳定。
　　2种植体垂直植入，复合载荷时的合力基本符合平行四边形法则，复合载荷交角越小合力越大，骨界面应力峰值越大，载荷方向越接近于相反，骨界面受力越小。
　　3种植体倾斜植入，所有单一载荷及复合载荷的骨界面应力分布均优于种植体垂直植入;复合载荷时的合力不符合平行四边形法则;载荷力矩随着载荷方向的不同发生改变，载荷力矩越小，种植体-骨界面所受应力越小，具有重要的临床指导意义。

目录

声明

摘要

英文缩写

前言

材料与方法

结果

附图

附表

讨论

结论

参考文献

综述 微种植体稳定性的研究方法

致谢

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