微小种植体正畸支抗生物力学的三维有限元分析

!收稿日期" !""#$"%$%"! !修回日期" !""#$"&$"& !基金项目" 辽宁省自然科学基金"!""’!"(&# !作者简介" 张扬"%)#*$$%女%学士%副教授 !通讯作者" 张扬%+,-&"!’$!!*)%’%*% ./01 "!’$!!*)!&’#% 2$3/4-1 56/789/78:3;<9/6==>:=3>:7 : !""# 年版权归’上海口腔医学(编辑部所有 )文章编号*!""#$%&’()&""#*"?$"!*%$"? 微小种植体正畸支抗生物力学的三维有限元分析 张扬%张丹%冯翠娟 +中国医科大学附属口腔医院 正畸科%辽宁 沈阳 %%"""!$ !摘要" 目的&建立微小种植体正畸支抗的三维有限元模型%分析以不同倾斜角度植入微小种植体时%种植体+骨界 面的生物力学变化%为微小种植体正畸支抗系统的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 和临床应用提供理论依据, 方法&利用 @ABCB &>% 大型通用 有限元分析软件%建立倾斜角度分别为 ?",-’",-#",-&",-(",-*",-)",的 ( 个微小支抗种植体模型, 分析在 !""- 水 平力作用下%种植体+骨界面应力及位移的分布情况, 结果&随种植体倾斜角度的增大%种植体颈部的 D=7$E4F,F 应 力值峰值分别为 %>"()!-%>"%"’-">**’*-">*%*%-">(#*?-">&??) 及 ">#&"*EG/, 位移峰值分别为 #>##%?-’>))""- ?>(’%)-?>%!&’-!>#*(’-%>?&!’ 及 ">*"!(!3,结论& 微小种植体可在任何倾斜角度上承载 !""8 的水平向正畸力,增加 种植体的倾斜角度%可以提高其承载水平向正畸力的能力%提示临床应选择垂直于颊侧牙槽骨的方向植入微小支抗 种植体, !关键词" 微小种植体!有限元法!应力分析!生物力学 !中图分类号" H(*!>%!% H(*?># !文献标识码" @ ! "#$%&’()*&+,)-+./ 0)+)"% %/%*%+" .+./1,), 0-$ "2% 3)-*%42.+)4./ 42.$.4"%$),")4, -5 -$"2-6-+")4 .+42-$.7% *)! 4$-’)*8/.+" IJ@AK$C/78%IJ@AK$L/7%.2AK M;4$N;/7> !"#$%&’(#)’ *+ ,&’-*.*)’/012 30-**4 *+ 3’*(%’*4*562 7-/)% 8#./0%4 9)/:#&1/’6; 3-#)6%)5 <<===>? @/%*)/)5 A&*:/)0#? 7-/)%B 9:3,"$.4"; <=> BACDEF@G @ABCBV @7/-9F4F B9FO,3WS474O, ,-,3,7O /7/-9F4F F=SOX/Q, X/F ;F,R O= T,QS=Q3 O6, S4$ 74O, ,-,3,7O 3=R,-478 =S O6, 34:Q=$43T-/7O X4O6 ( R4SS,Q,7O O4-O,R /78-,FU 47:-;R478 ?",U ’",U #",U &",U (",U *", /7R )",> @ F43;-/O,R =QO6=R=7O4: S=Q:, UX64:6 X/F !"" 8Q/3F UX/F -=/R,R 3,F4=R4FO/--9 O= O6, 3/O6,3/O4:/- 3=R,-F>+6, FOQ,FF /7R R4FT-/:,3,7O R4FOQ4P;O4=7 =7 O6, 43T-/7O$P=7, 47O,QS/:, X,Q, /7/-95,R> HA@IJC@K @F O6, O4O-,R /78-, 47:Q,/F,R U O6, D=7$E4F,F FOQ,FF /O O6, :,QY40 =S O6, 43T-/7OF X,Q, %>"()!U %>"%"’U ">**’*U ">*%*%U ">(#*?U ">&??) /7R ">#&"*EG/ % X64-, O6, R4FT-/:,3,7O X,Q, #>##%?U ’>))""U ?>(’%)U ?>%!&’U !>#*(’U %>?&!’ /7R ">*"!(!3, LEMLNI@OEMK +6, 34$ :Q=$43T-/7O :/7 P, F/S,-9 -=/R,R X4O6 !"" 8Q/3F =S 3,F4=R4FO/- =QO6=R=7O4: S=Q:, >+6, 47:Q,/F, =S O6, O4O-,R /78-, :/7 ,SS4$ :/:4=;F-9 ,76/7:, O6, /P4-4O9U43T-4:/O478 O6/O O6, 43T-/7O :/7 P,/Q / 3,F4=R4FO/- =QO6=R=7O4: S=Q:,UY,QO4:/- /78-, F6=;-R P, :6=F,7 X6,7 O6, 34:Q=$43T-/7O 4F ,3P,RR,R> B;TT=QO,R P9 A/O;Q/- B:4,7:, .=;7R/O4=7 =S Z4/=7478 GQ=Y47:, V!""’!"(&W> PQ&1 R-$(,S E4:Q=$43T-/7O[ .474O, ,-,3,7O /7/-9F4F!BOQ,FF /7/-9F4F!\4=3,:6/74:F @2T+72T) " #$%&’$%()*+,U)-V.W/0XYZ!XYW12$$30 4 4 ,2[\1]^8&$)-()_T/,^_-*^_+ !!!!!!微小种植体支抗是新型有效的支抗方法% 生物 力学分析是其研究中的重要方面, 本研究利用三维 有限元分析方法% 对微小种植体正畸支抗系统的植 入角度-种植体+骨界面的受力特点等进行分析% 以 期为其临床应用提供理论依据, # 材料与方法 #$# 微小种植体的设计 设定种植体为刃状螺纹圆柱形纯钛螺钉% 外径 !33%内径 %>&33%长度 )33%螺纹深度 ">!33%螺纹 顶角 &",%螺距 ">?33, 设定种植体植入牙槽骨后% 上海口腔医学 !""# 年 $ 月 第 !% 卷 第 & 期 "#$%&#’( ’()*%$+ )* ",(-$,(+(&. /(+01% 2(0& +,-.3456# !*%. . 图 !" 倾斜角度为 #$!时种植体!骨界面的应力分布 %&’()* !+ ,-* ./)*.. 0&./)&1(/&23 23 /-* &45673/8123* &3/*)97:* ;-*3 /-* /&/6*0 73’6* ;7. #$" 图 <+ 倾斜角度为 #$"时种植体!骨界面的位移分布 %&’()* <+ ,-* 0&.567:*4*3/ 0&./)&1(/&23 23 /-* &45673/8 123* &3/*)97:* ;-*3 /-* /&/6*0 73’6* ;7. #$" 骨外余留 !""!无螺纹"# 将种植体周围骨皮质设定 为厚度为 #""的连续$均质$各向同性的线弹性体$#%% 下方为连续骨松质# !"# 种植体"骨三维实体模型的建立 根据已设定的微小种植体的几何形态及尺寸% 使用商品化大型通用有限元分析软件 &’()( *+,#% 对其进行自底向上的建模# !"$ 材料的力学参数 本研究所涉及的材料均假设为连续$均质$各向 同性的线弹性体% 材料的弹性模量及泊松比均依据 有关文献$-%!%# !"% 网格划分 用 &’()( 自适应网格划分功能对模型进行智 能尺寸网格划分% 精度取默认值 *# 为增强其精确 性%在单元的处理上%选用了三锥体十节点的建模方 式%生成三维有限元模型# 模型节点总数为 .!/0%单 元总数为 1,!/# !"& 实验条件假设 !#"假设模型中各材料和组织均为连续均质各 向同性的线弹性材料# !-"材料受力变形为小变形# !!"种植体植入方向的确定&以种植体与颊侧牙槽骨 板间所成的锐角为变量% 分为 !,!$2,!$1,!$*,!$ 0,!$/,!$.,! 0组# !"’ 正畸力的加载 在距种植体顶端 ,+1"" 处%对种植体施加 -,,3 的水平作用力# !"( 数据采集及处理 沿种植体长轴%通过种植体中心纵剖有限元模 型# 在压力侧骨界面上%顺种植体长轴方向%从种植 体颈部开始%每间隔 ,+!"" 采集 456789:;: 值及位 移值# 然后% 根据所采集的数据做成植入深度与 456789:;:及位移关系的折线图# # 结果 微小支抗种植体在 -,,3 水平载荷下的应力及 位移分布情况见图 #$-# 种植体 456789:;: 应力主要集中在种植体"骨 界面的颈部% 并在皮质层内迅速衰减% 松质骨内的 456789:;:应力很小# 随着倾斜角度的增大%种植体 的 456789:;: 峰值分别为 #+,0.-$#+,#,2$,+//2/$ ,+/#/#$,+01/!$,+*!!. 及 ,+1*,/8<=%呈明显的递减 趋势# 在 -,,3水平力的作用下%无论种植体的植入角 度如何 % 种植体的位移均较小 % 最大位移仅为 *+1-1!!"# 同时%种植体的位移分布也呈明显的规 律%种植体主要在颈部及根尖区有较大的位移%其中 颈部位移较根尖区位移大且两者方向相反# 随着倾 斜角度的增大% 种植体的位移峰值分别为 1+11#!$ 2+..,,$!+02#.$!+#-*2$-+1/02$#+!*-2 及 ,+/,-0!"% 呈明显的递减趋势# 将不同倾斜角度下% 植入深度与 456789:;: 应 力值之间的关系制成折线图!图 !"# 将不同倾斜角 度下% 种植体植入深度与位移分布之间的关系制成 折线图!图 2"# $ 讨论 $"! 种植体的选择 种植体在正畸力作用下能否保持稳定% 是正畸 治疗的关键% 也是衡量种植体作为正畸支抗的可行 性的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 #目前微小种植体已成功应用于临床$2%1%%但 张扬%等+ 微小种植体正畸支抗生物力学的三维有限元分析 >?&’@7)=63% ;A =B+ & ACD;;7E9";6:956=B F969A; ;B;";6A =6=BG:9: F5D AC; H95";IC=69I=B IC=D=IA;D9:A9I: 5F 5DAC5E56A9I =6IC5D=3; "9ID579"JB=6A-/-’ ’ 图 !" 植入深度!#$%&’()*)应力折线图 +(,-.* !" /(%* ,.012 3*45**% *63*77*7 7**1%*)) 0%7 #$% & ’()*) )4.*)) 图 8" 植入深度!位移折线图 +(,-.* 8" /(%* ,.012 3*45**% *63*77*7 7**1%*)) 0%7 7()190:*6*%4 其稳定性仍是制约其发展的重要因素! 影响支抗种 植体稳定性的可能因素有很多"其中种植体的外形# 植入角度# 正畸力的加载以及种植体周围硬组织的 性状等是其主要的影响因素! !"# 倾斜角度的选择 实验引入了 !"!"#"!等 $ 个角度" 未就 %"!及 &"!这 &个角度进行研究!这是由于种植体的植入角 度受到许多因素的影响"如临床操作时的可行性#种 植体的长度#患者的舒适度#颌骨条件等! 当种植体 植入角度小于 !"!时" 种植体的长度需增加 % 倍左 右才能植入骨皮质中" 这不符合微小种植体对长度 的基本要求! 此外"随着倾斜角度的减小"植入手术 的难度也相应增大" 临床上很难达到小于 !"!的植 入角度! !"! 倾斜角度对微小种植体正畸支抗的生物力学 影响 根据生物力学的应力遮挡原理"在种植体#骨皮 质#骨松质组成的系统中"当应力由种植体传导至骨 界面时"由于骨皮质弹性模量明显高于骨松质"故骨 皮质承受较大的应力!因此"随着种植体植入角度的 减小"势必引起种植体与骨皮质接触面积的增大"因 而增强了种植体的稳定性"这与刘鑫等’()和马俊青等’$) 的观点一致! 但是"随着种植体倾斜角度的减小"种 植体上的水平力矩相应增大"故种植体#骨界面所受 应力相应增大!这 &种作用方式综合作用的结果"即 是影响种植体稳定性的关键! 本研究显示"虽然在不同倾斜角度下"种植体# 骨界面的应力分布规律基本一致" 但仍存在一定的 差异! 在种植体颈部"应力明显集中"并在皮质骨及 其邻近的松质骨区域出现明显的下降! 这符合上述 应力遮挡原理! 但随着倾斜角度的增大" 种植体的 *+,-./010 峰值呈明显的递减趋势" 说明种植体倾 斜角度改变引起的正畸力力矩改变"对种植体#骨界 面的应力分布起着主要的作用" 提示临床上应将种 植体垂直颊侧骨皮质植入牙槽骨中! 种植体的位移量远远小于天然牙" 种植体的位 移超过一定的生理限度"就可能使骨小梁微骨折"并 进一步导致界面骨组织的吸收与坏死" 最终造成种 植体松动失败! 本研究显示"在 &""2 水平力的作用下"无论种 植体的植入角度如何"种植体在种植体#骨界面中的 位移均较小"最大仅为 (34&4!!5!提示在 &""2水平 力的作用下"种植体在骨内几乎不移动"能够保持其 稳定性! 同时"种植体的位移分布也呈明显的规律" 种植体主要在颈部及根尖区有较大的位移" 颈部位 移较根尖区位移大且两者方向相反! 随着倾斜角度 的增大" 种植体的位移峰值和根尖区的位移均呈递 减趋势"且旋转中心逐渐向颈部移动"与种植体$骨 界面应力应变的增大一致! $参考文献% ’%) 兰泽栋"林珠"龙红月"等6 皮质骨厚度对支抗种植体#骨界面应 力分布的影响’7)6中国口腔种植学杂志"&""8"#%&&’4894$6 ’&) 兰泽栋"林珠"龙红月"等6 支抗种植体#骨界面三维有限元模型 的建立’7)6中国口腔种植学杂志"&""!":%&&’4$-("6 ’!) 卢新华6 三维有限元分析在正畸学研究中的应用’7)6 口腔正畸 学" &""!"%"%8&’%#%-%#&6 ’8) ./;<=<>/ ?@ A+;<5< B@ B,+C1 .@ 1D U?"V11 ?A"A=+, OW6 XH+CM I/0D