不同载荷方式及生理性咬合对近根微种植体稳定性影响的三维有限元分析

摘要

目的:支抗是影响正畸治疗效果的关键因素，种植体可以提供稳定、有效的支抗，尤其微种植体具有更多的优点，近年来受到正畸医师和患者的青睐而被广泛应用。微种植体的临床应用极大地扩展了正畸治疗的范围，例如压低伸长的磨牙、最大程度地回收前牙、近中移动磨牙等，使一些过去需要手术的病例得到满意的治疗效果。
　　微种植体尺寸小，使用方便，但同时也带来稳定性不足的缺点。据报道临床使用成功率高于80％，其中失败病例以下颌后牙区多发。微种植体多植入于牙槽骨两牙根之间，因为空间有限，植入过程中微种植体接触牙根的几率为27.1％，侵入牙根时失败率高达79.2％。研究表明微型种植体接触牙根明显影响种植体的稳定性，而Kim等认为单纯的接近牙根不一定导致微种植体松动脱落。造成接近牙根种植体松动的真正原因尚不明确。微型种植体脱落多发生在植入后1-2个月内，此时有些种植体尚未加载载荷，因此我们猜想近根种植体的脱落除了因为种植体载荷外，牙齿的生理性载荷也影响了种植体的稳定性。
　　微种植体的载荷方式受正畸治疗目的的影响，可能单一载荷，也可能复合载荷，且载荷方向多变。对于接近牙根的微种植体，临床上不同的载荷方式对其稳定性有何影响，未见研究报道。本实验应用有限元分析方法，模拟微种植体接近牙根时，生理性咬合力以及不同的载荷方式对微种植体稳定性的影响，探讨近根微种植体高失败率的原因，为微种植体的临床应用提供理论依据。
　　方法:
　　1.实验设备
　　计算机:Dell precision
　　软件:Mimics, Catia V5，Hyperworks12.0，Abaqus6.13
　　2.微种植体-颌骨的三维有限元模型的建立
　　2.1.下颌骨模型及下颌牙齿、牙周膜的模型的建立
　　选择一个健康志愿者进行颌骨螺旋CT扫描。以DICOM格式存储CT图像。将图像转入到Mimics软件中，分割建立三维模型并平滑化处理，并生成STL文件导入到Catia V5中进行点云逆向模型处理。
　　2.2.微种植体三维有限元模型的建立
　　微种植体的几何形态参照临床常用尺寸:骨内段长度8mm、直径1.6mm、螺纹高度0.3mm、刃状螺纹顶角60°、螺距0.6mm。
　　2.3.微种植体与颌骨模型的装配
　　2.3.1.植入位置与角度:在建立的颌骨模型上，第一磨牙的近中、距离牙槽嵴顶5mm处，以与颌骨平面成45°植入微种植体。
　　2.3.2.根据微种植体接近牙根的距离，建立四个有限元模型
　　Model1:种植体接触牙根表面
　　Model2:种植体部分螺纹进入牙周膜，但未触及牙根表面
　　Model3:种植体接触牙周膜表面，但未进入牙周膜
　　Model4:种植体远离牙根，到牙周膜表面的最近距离为1mm
　　3.材料
　　3.1.定义材料属性
　　假定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.实体建模
　　利用Catia V5的三维建模功能，完成微种植体与颌骨装配模型并保存。
　　3.3.网格划分
　　将三维模型导入到Hyperworks12.0的Hypermesh模块中，建立各个子模型有限元网格模型。微种植体接近牙根部分细化网格。
　　3.4.部件连接
　　将有限元网格模型导入到Abaqus6.13中，建立并赋予各部件材料属性，建立相应的接触面，对内外颌骨接触面做绑定连接，微种植体与颌骨接触面定义为摩擦接触，摩擦系数0.3，允许相对滑动。
　　4.边界条件及载荷方式
　　4.1.边界条件外颌骨下侧底端全自由度约束
　　4.2.分组情况
　　LoadⅠ仅牙齿加载平行于牙长轴并向下的300N的力
　　LoadⅡ微种植体分别单独加载7种不同的载荷方式
　　LoadⅡ-A:平行于X-Y平面，并与X轴成15°的斜向上的200g力
　　LoadⅡ-B:平行于X-Y平面，并与X轴成160°斜向上的200g力
　　LoadⅡ-C:平行于X-Y平面，并与X轴成90°向上的200g力
　　LoadⅡ-AB、LoadⅡ-AC、LoadⅡ-BC、LoadⅡ-ABC为A、B、C载荷的联合应用。
　　LoadⅢ微种植体与牙齿同时加载
　　牙齿载荷的同时给予种植体A、B、C、AB、AC、BC、ABC载荷，表示为LoadⅢ-A、LoadⅢ-B、LoadⅢ-C、LoadⅢ-AB、 LoadⅢ-AC、LoadⅢ-BC、LoadⅢ-ABC。
　　5.提交计算和数据采集
　　利用Hyperworks12.0的Hyperview模块查看计算结果，采集各工况下的应力值和位移值，并截取应力云图、位移云图备用，分析不同工况下的应力分布及应变规律。
　　结果:
　　1.成功建立了微种植体接近牙根不同距离的有限元模型
　　2.牙齿单独加载下微种植体-骨界面的应力及位移分布
　　2.1.微种植体-骨界面的von Mises应力主要分布于皮质骨内以及微种植体接近牙根的附近区域。
　　2.2.微种植体-骨界面最大应力位于皮质骨内，然后迅速减小，但在微种植体接触牙根以及进入牙周膜时，微种植体骨界面的应力出现了第二个应力小高峰。
　　2.3.随着微种植体接近牙根，微种植体-骨界面应力及位移峰值逐渐增高，并且在松质骨内接近牙根的附近区域，应力也随着接近牙根而逐渐增高。
　　2.4.微种植体-骨界面的位移沿着微种植体长轴方向逐渐减小，当微种植体接触牙根时，体部和尾部的位移明显升高。微种植体接触牙根时，骨界面的位移峰值最高，而远离牙周膜1mm时，位移峰值最低。
　　3.微种植体单独加载下，微种植体-骨界面的应力及位移分布
　　3.1.Von-Mises应力及位移主要集中在皮质骨内，并且迅速衰减，到松质骨内应力及位移很小。
　　3.2.在相同的载荷方式下，四个模型中微种植体-骨界面von Mises应力及位移峰值相差不多。
　　3.3.同一模型中，在LoadⅡ-AC下，微种植体-骨界面von Mises应力及位移峰值最高，在Model1，3，4中，LoadⅡ-AB下的应力及位移峰值最低，在Model2中，LoadⅡ-C的应力峰值最低。
　　4.微种植体与牙齿同时加载
　　4.1.微种植体-骨界面的应力主要分布于皮质骨内以及微种植体接近牙根的附近区域。
　　4.2.微种植体-骨界面的最大应力位于皮质骨内，然后逐渐减小，在松质骨内变的很小;但在Model1和Model2中，微种植体接近牙根的附近区域后有所升高，出现了第二个应力小高峰。
　　4.3.微种植体与牙齿同时加载对微种植体-骨界面的应力值有叠加效应。
　　4.4.同一载荷方式下，Model1-3中，微种植体-骨界面的应力及位移峰值均较高但区别不大，而Model4中的应力峰值与其他模型相比，明显减低。但是LoadⅢ-AC时，Model4中的应力并没有明显减低。
　　4.5.在Model1-3中，不同载荷方式下骨界面的应力及位移峰值区别较小，其中LoadⅢ-A应力最小，LoadⅢ-A应力峰值小于LoadⅢ-B，LoadⅢ-AC应力峰值小于LoadⅢ-BC，但在Model4中，LoadⅢ-AC的应力峰值明显高于其他载荷。
　　4.6.微种植体-骨界面的位移沿着微种植体长轴方向逐渐减小，在松质骨内，微种植体接触牙根时的位移明显较其他模型要高。
　　结论:
　　1.生理性咬合力明显造成接近牙根的种植体-骨界面应力集中，不利于种植体的稳定性。单纯种植体正畸载荷对接近牙根的微种植体稳定性影响不大。
　　2.微种植体距离牙根越近，微种植体-骨界面应力峰值越大。
　　3.生理性咬合力和种植体载荷在种植体-骨界面可以产生应力的叠加效应。
　　4.不同的载荷方式对微种植体的应力分布有一定的影响。

目录

声明

摘要

前言

材料与方法

1 实验设备

2 微种植体-颌骨的三维有限元模型的建立

3 材料

4 边界条件及载荷方式

5 提交计算和数据采集

结果

1 成功建立了微种植体接近牙根不同距离的微种植体-颌骨模型，几何相似性和生物力学相似性好，满足力学运算的要求

2 牙齿单独加载下微种植体-骨界面的应力及位移分布

3 微种植体单独加载下，微种植体-骨界面的应力及位移分布

4 微种植体与牙齿同时加载

附图

附表

讨论

1 微种植体-颌骨三维有限元模型的建立

2 生理性咬合力对接近牙根的微种植体稳定性的影响

3 微种植体单独加载时，对接近牙根的微种植体稳定性的影响

4 接近牙根不同距离对微种植体稳定性的影响

5 不同载荷方式对接近牙根的微种植体稳定性的影响

6 实验的不足之处

结论

参考文献

综述 不同载荷条件对微种植体稳定性影响的研究进展

致谢

个人简历