冲击载荷下骨外段种植基桩不同高度对下颌覆盖总义齿应力分布的影响
冲击载荷下骨外段种植基桩不同高度对下颌覆盖总义齿应力分布的影响
【摘要】 目的 分析骨外段种植基桩高度不同对下 颌种植覆盖总义齿应力分布的影响。方法 应用CT扫描法建立下颌种 植覆盖总义齿三维有限元模型，分析冲击载荷下骨外段种植基桩高度不同对下颌种植覆盖总 义齿应力分布的影响。结果 随种植基桩高度的降低，种植体内部及种植体软硬组织界面应力分布更为均匀。结论 在保证义齿固位稳定 的前提下，在一定范围内降低种植体骨外段基桩高度有利于保护种植体及其周围软硬组织健 康。
【关键词】 三维有限元 应力分析 种植覆盖义齿 冲 击载荷 种植覆盖义齿因其独特的连接与支持方式，要求骨外段种植基桩有 一定高度以维持固位和稳定，而过高又会影响基托厚度和排牙，故本实验只取基桩高度在小 范围内变化(2mm范围)时，讨论其对支持组织应力分布的影响。
材料和方法
1.三维有限元模型的建立：选一牙槽骨中度吸收的成人无牙下颌骨标本，作为 构建有限元模型的解剖学基础。在双侧颏孔间区制备4个圆柱形Branemark种植体受植骨床( 深13mm，直径3.75mm)使远中种植体末端距颏孔6mm，种植体彼此平行、间距相等。在下 颌骨上粘上不同厚度橡皮膏模拟粘骨膜厚度［1］。选用Bayer塑料牙常规完成上部义 齿制作。将此实体模型在岛津5000TCT机上，使CT机平行于义齿咬合面自下颌骨下缘至髁状 突以2mm层厚连续扫描，共扫描30层。在透明坐标纸上描记各CT片义齿及下颌骨各部分结构 轮廓，在SGI计算机工作站上应用FEMB软件生成相应坐标网格，参照坐标图像及坐标原点， 逐点描记输入下颌骨及义齿各部分的边界信息经边界平滑处理及坐标转换完成图像数字化， Branemark种植体的植入在计算机上完成，获等大下颌种植覆盖总义齿实体模型。为简便运 算，将种植体与骨外段基桩视为上下一体、粗细一致的圆柱体，根据种植体骨外段基桩长度 不同，下颌种植覆盖总义齿模型可分为：模型1，种植体全长20mm，骨内段长13mm；模型2， 种植体全长19mm，骨内段长13mm；模型3，种植体全长18mm，骨内段长13mm。应用FEMB软件 ，在计算机上自动划分有限元单元和结点，共有4252个结点，3684个单元，其中四面体单元 448个，五面体单元990个，六面体单元2246个。
2.材料的力学参数：弹性模量和泊松比见表1。
表1 材料的弹性模量和泊松比
材料名称弹性模量(Mpa)泊松比引自文献皮质骨
13700
0.30［2］松质骨13700.30［2］粘骨膜30.45［3］钛种植体1034000.35［2］塑料牙29400.30［4］基托23520.30［5］3.实验条件假设及边界条件：将模型中各种材料和组织考虑为连续、均质 、各向同性的线弹性材料，材料变形为小变形；种植体与骨界面为100%骨性结合，加载不发 生相对滑动；边界条件：在下颌骨双侧髁状突喙突及下颌角嚼肌附丽区给予刚性约束，阻止 下颌骨的刚体移动。
4.加载条件：加载量200N，方向与牙咬合面垂直，采用等效结点载荷，双后牙游离端加载， 加载部位为双后牙功能接触面，各牙受力为：各18.78N；，各21.875N；，各31.25N；，各28.125。加载方 式为冲击载荷，参考资料取后牙一个咀嚼周期为0.875秒，正中牙合接触时间(冲击载荷时间)0.2秒。
5.设备：SGI计算机工作站(美国SGI公司)；NASTRAN有限元分析软件；FEMB、XL前处理、后 理处软件。 结果冲击载荷下骨外段种植基桩高度不同对支持组织应力分布的影响结果见表2。
表2 冲击载荷下种植基桩高度不同对支持组织应力分布的影响(Mpa)
种植体全长20mm种植体全长19mm种植体全长18mm最大值部位最大值部位最大值部位中央种植体拉应力
0.98
颊侧骨外段
1.19颊侧骨外段
1.23颊侧骨外段压应力-0.54舌侧骨外段-0.74舌侧骨外段-0.75舌侧骨外段侧方种植体拉应力0.36颊侧骨外段0.47颊侧骨外段0.48颊侧骨外段压应力-2.87舌侧骨外段-2.66舌侧骨外段-2.65舌侧骨外段中央种植体骨界面拉应力0.37颊颈部皮质骨0.37颊颈部皮质骨0.37颊颈部皮质骨压应力-0.38舌颈部皮质骨-0.33舌颈部皮质骨-0.32舌颈部皮质骨侧方种植
体骨界面拉应力0.20颊颈部皮质骨0.20颊颈部皮质骨0.20颊颈部皮质骨压应力-1.22舌颈部远中皮质骨-1.09舌颈部远中皮质骨-1.05舌颈部远中皮质骨粘骨膜拉应力0.79磨牙后垫颊侧0.79磨牙后垫颊侧0.79磨牙后垫颊侧压应力-1.54侧方种植体
远中舌侧-1.48侧方种植体
远中舌侧-1.44侧方种植
体远中舌侧
讨论
1.对种植体内部应力分布的影响：随着骨外段种植基桩高度的降低，种植体内部 拉应力峰值有所增加；对侧方种植体损害较大的压应力峰值减小，同时中央种植体内部压应 力增加，说明基桩高度降低，使中央种植体帮助承担了更多应力，应力在中央与侧方种植体 内的分布更为均匀合理，减小了压应力在侧方种植体内的集中，有助于防止侧方种植体机械 并发症的发生。
2.对种植体骨界面应力分布的影响：随种植基桩高度的降低，中央、侧方种植体骨界面压应 力峰值均下降，两处压应力峰值之差也减小，说明压应力在中央与侧方种植体骨界面的分布 更为均匀，尤其以侧方种植体骨界面处压应力峰值下降明显，当种植基桩高度下降2mm时， 该处压应力峰值约下降14%，种植体骨界面压应力峰值随种植基桩高度而降低，从力学角度 可作如下说明：种植覆盖义齿属于复杂的静不定结构，在本实验条件下种植体受力属压缩与 弯曲的组合(压弯联合)，此时种植体骨界面所受的压应力可用下面公式表示：
压应力最大值a=P/F+Mmax/W
P：垂直外力；F：种植体横截面积；W：抗弯载面系数，W=πd3/32，当种植体直径d一定 时，W为常数；Mmax：咀嚼过程中侧向力作用于种植体产生的最大弯距。本实验条件下，P、 F、W是不变的，而弯矩M与受力物体(即种植基桩)高度成正比，高度增加，弯矩增大，骨界 面压应力值增加，反之骨界面压应力值则减小。人们已证明临床上侧方种植体周围骨组织易 发生吸收而致种植失败，是与该处压应力高度集中有关，本研究认为在保证义齿固位稳定前 提下，适当降低骨外段种植基桩高度可使压应力在中央、侧方种植体骨
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