种植体植入倾斜度和长度对种植体骨界面应力的影响

摘要

目的：用Pro/Engineer.wildfire4.0、MSC.Patran2010软件建立磨牙区骨松质、骨皮质和种植体的三维有限元模型。采用三维有限元方法分析长度为6mm、8mm、10mm种植体分别倾斜0°、15°、22.5°、30°植入磨牙区时，垂直载荷下种植体周围骨组织Von Mises等效应力分布和应力集中区的变化，探讨种植体植入角度和长度对周围骨组织应力分布的影响，为临床种植义齿修复提供一定的力学理论依据。
　　方法：1.用Pro/E4.0软件分别建立骨皮质、骨松质和直径为4.5mm、长度分别为6mm、8mm、10mm圆柱形螺纹种植体及基台高度为4.5mm的实体模型。利用装配功能分别把长度为6mm、8mm、10mm的种植体以0°(垂直向)和以垂直向为基准向近中倾斜15°、22.5°、30°组装到包含骨松质和骨皮质的颌骨骨块上，基台分别以相对应的角度组装到种植体上以矫正种植体的植入角度。组装后共12组实体模型，12个工况，分别以sat.格式保存。2.把sat.文件导入MSC.Patran2010中以10节点四面体形式划分网格，改变系统默认参数并局部细化，以iges.格式保存。3.把iges.文件导入MSC.Marc.Mentat.2010R3 opengl中设定种植体、骨松质和骨皮质的材料参数以及相邻界面的接触关系和摩擦系数；于颌骨骨块8个边角进行固定约束，模拟下颌骨的约束条件；在种植体基台的中心采用200N垂直向加载力。比较分析长度为6mm、8mm、10mm种植体分别倾斜0°、15°、22.5°、30°植入磨牙区时，种植体周围骨组织VonMises等效应力分布和应力集中区的变化，并绘制图表、折线图。
　　结果：1.建立了具有生物力学特性的颌骨骨块和种植体三维有限元模型。2.长度为6mm、8mm、10mm的种植体0°植入时，垂直载荷下种植体周围骨组织的应力集中区均在种植体颈部骨皮质内并呈环状分布，种植体末端的骨松质处应力次之，骨松质其余部分的应力较小，分布比较均匀。随着长度的增加，种植体周围骨组织应力逐渐减小。长度为6mm、8mm、10mm的种植体周围骨组织的最大Von Mises等效应力分别是25.7055MPa、22.9786MPa、16.3473MPa。长度为8mm、10mm的种植体与6mm的种植体相比，种植体周围骨组织最大Von Mises等效应力分别降低了10.61％、36.41％。3.长度为6mm、8mm、10mm种植体倾斜植入时，垂直载荷下种植体周围骨组织的应力集中区均在种植体颈部的骨皮质内并且种植体近中面应力分布较远中面、颊侧和舌侧更集中。随着种植体植入角度的增加，种植体周围骨组织应力增加。长度为6mm的种植体，向近中倾斜15°、22.5°、30°植入比0°植入时种植体周围骨组织的最大Von Mises等效应力分别增加了。27.95％、94.65％、174.51％；长度为8mm的种植体，向近中倾斜15°、22.5°、30°植入比0°植入时种植体周围骨组织的最大Von Mises等效应力增加了5.56％、75.38％、184.41％；长度为10mm的种植体，向近中倾斜15°、22.5°、30°植入比0°植入时种植体周围骨组织的最大Von Mises等效应力增加了13.36％、57.11％、246.02％。种植体倾斜15°植入时，长度为8mm、10mm的种植体与6mm的种植体相比较，周围骨组织的最大Von Mises等效应力
　　分别减小了26.26％、43.66％；种植体倾斜22.5°植入时，长度为8mm、10mm的种植体与6mm的种植体相比较，周围骨组织的最大Von Mises等效应力分别减小了19.46％、48.67％；种植体倾斜30°植入时，长度为8mm、10mm的种植体与6mm的种植体相比较，周围骨组织的最大Von Mises应力分别减小了7.38％、19.84％。长度为6mm种植体0°植入，8mm种植体倾斜15°植入和10mm种植体倾斜22.5°植入时，种植体周围骨组织最大Von Mises等效应力分别25.7055MPa、24.2536MPa、25.6831MPa。
　　结论：1.利用Pro/Engineer.wildfire4.0、MSC.Patran2010和MSC.Marc.Mentat.2010R3openg1软件可以有效建立精度较高和灵活性较强的种植体和周围骨组织的三维有限元模型2.种植体的长度影响种植体周围骨组织应力分布。种植体0°植入时，随着长度的增加，种植体周围骨组织的最大Von Mises应力逐渐减小，应力分布趋于均匀。3.当植入相同长度种植体时，随着种植体倾斜角度的增加种植体周围骨组织最大值增大。4.当种植体以相同角度倾斜植入时，随着种植体长度的增加种植体周围骨组织最大值减小。5.骨高度相同的情况下种植体倾斜植入可以选择较0°植入更长的种植体，但种植体0°植入比倾斜植入相应有效长度的种植体更有利于种植体周围骨组织的应力分布。