口腔有限元法在种植修复中应用进展

提要：

有限元法是一种重要的力学研究工具，与实验应力分析相比，具有许多优点，因此广泛应用在 口腔生物力学研 究 中。本文对有 限元 法在种植修复中应用的现状及进展做一综述。

关键词 ：有限元法 ；种植体 ；应力

有限元法 (finiteelement，method ，FEM )是力学研究中的重要手段，其原理是将连续的弹性体分割成有限个力学单元，以结合体来代替原弹性体，并逐个研究多个单元的性质，从而获得整个弹性体的性质。因其可以对结构、形状、载荷和材料力学性能等极其复杂的构建进行应力分析，并借助计算机快速而准确地求解，所以近年来被广泛应用于口腔生物力学的研究中。

 目前普遍认为，由生物力学相容性问题而引起的种植体一骨结合失败是种植失败的主要原因。三维有限元法因其诸多优势正被越来越多的学者应用到口腔种植生物力学的研究当中,现就其当前应用进展做一概述 。

1 仿生种植牙的研究

种植体与牙周骨质为刚性结合，无法解决应力的缓冲问题，且过大或过小的应力均可引起牙周骨质的吸收或萎缩，从而导致人工种植牙的失败。因此，有学者引入了仿生牙周膜概念，并成功建立了仿生种植牙的三维有限元模型。通过建立仿生种植牙、天然牙和骨性结合种植体3种模型，比较3种模型骨界面上的应力分布，得出仿生牙周膜和天然牙周膜内外表面应力的变化趋势相同；骨性结合种植体模型骨界面上在颈 部出现应力集中；仿生种植牙和天然牙2 种模型骨界 面上最大VonMises应力从颈部到根端的变化比较 均匀，没有m现颈部应力集中现象。从生物力学相容性上说明了仿生种植牙模型的可行性，并得出当仿生牙周膜弹性模量为689 MPa 、膜厚0.25mm左右时，骨界面上的应力最小且分布均匀。

2 种植体 外部形 态与颌骨质量

2．1 种植体的长度与直径

 对于种植体长度和直径与种植体周围骨界面应力反应的关系，目前研究报告的观点尚不一致，其问题主要集中在种植体长度方面。

一部分学者认为种植体的长度对其应力有一定影响，如Himmlov丘等认为，种植体长度增加、直径增大均能够降低种植体颈周VonMises应力的最大值，但由长度所造成的影响不如直径明显。张少锋等也认为，在种植全口义齿修复时，种植体周围骨界面应力的大小与种植体的长度密切相关，呈负相关关 系 。

另一部分学者则认为种植体的长度对应力影响不大，如 Sertguz等认为，随着长度 的增加，应力降低不明显，说明种植体长短对骨界面最大应力值影响不大。董福生等 分析了3种不同长度的种植体在受到垂直力和侧向力时骨 界面上的应力分布，结果 显示垂直加载时，随着种植体长度的增加 ，种植体骨界面的应力值改变不明显；水平加载时，随着种植体长度的增加，种植体骨界面的应力值 下降。结论得出种植体长度的增加，对种植体承受轴向力的影响不大，但能有效地增强种植体承受侧向力 的能力 。Petrie等 研究发现 ，增加种植体长度超出了可获得的松质骨高度的60％时，便不能再大幅度降低牙槽骨的应力。对于种植体的直径 ，则普遍认为随着种植体直径的增加，种植体骨界面的应力值和应力集中下降，应力趋向均布 ；增加种植体的直径 可以提高种植牙的轴向和侧向的承受力 。

2．2 螺纹形态 

螺纹主要用来增加种植体初始接触面 、提高种植 体初始稳定性 、增大种植体表面积 、以及改善骨界面的应力分布 。因此 ，有必要进行种植体螺纹形态的评估，以提高种植修复的远期成功率。孔亮等建立了4 类12 种不同螺纹形态种植体的颌骨骨块三维有限元模型 ，并对所有模 型进行应力分 布和 VonMises应力峰值的比较 。

结果提示，2 mm 矩形螺纹设计 、30°V 形螺纹设计 、15°支撑 形螺纹设计 、30°和 15°反支撑形螺纹设 计均适用于圆柱形种植体 ，反支撑螺纹为圆柱形种植体的最佳选择。这与Geng等。进行的有限元分析结果相似。杨德圣等通过建立有限元模 型分别将三角形和锯齿 形螺纹种植体 植于4 种骨类 型的下颌骨中 ，分析得出锯齿形螺纹种植体 的稳定性好于三角形螺纹种植体。黄辉等 用三维有限元法研究得出，螺纹顶角角度的改变，可以导致种植体在支持组织内应力分布水平的变化。螺纹顶角为60°时，种植体应力分布较合理。

2．3 颌骨质量 

Meyer等经三维有限元法分析后认为 ，骨的质量及数量对种植体周应力分布有重要 影响 ，且松质骨较多的颌骨具有更均匀的应力分布 。Nagasao等的研究结果也同意上述观点 。李湘霞等采用三维有限元法 ，模拟单个种植体及双种植体 修复单个下颌第一磨牙缺失的情况 ，在保证其它因素不变的条件下 ，分析颌骨骨质对骨内应力分布的影响。结论得出：不论单种植体修复或是双种植体修复，随着骨皮质厚度变薄，骨松质弹性模量降低 ，骨内应力值均大幅度增加 。

3 上部结构修复

种植体植入并形成良好的骨结合后 ，能否取得预期的修复效果是患者及种植医生共同关注的问题。而具有良好骨结合的种植体是取得预期修复效果的基础，合理的修复设计又是种植体维持长期骨结合的必要条件。因此，许多学者利用三维有限元法分 析不同修复设计方案中种植体的应力分布情况 ，以期找到最为合理的设计 。

3．1 牙尖斜度 

不合理的颌面设计会导致种植体周同的应力分布不均，从而影响种植体修复的成功率。朱保民等 利用三维有限元法对单颗种植体支持单冠在不同牙尖斜度 (25°、35°和 45°)及不 同载 荷 条 件 下 (150 N 和300N )的应力进行分析，结果发现牙尖斜度为25°时VonMises 应力最小且不会引起骨整合界面的破坏 。

周晖等通过对种植修复义齿 9 种不同牙尖 斜度设计的三维有限元分析得出，25°以上牙尖斜度的设计造成种植体颈部折断的危险性显著增加，临床设计应将牙尖斜度控制在25°以内。

3．2 角度基台

 角度基台的应用常见于大多数上前牙缺失及个别后牙缺失 的种植修复 。丁熙等 研究认为 ，随着基 台倾斜角度 的增加 ，钛基 台和种植体周 围骨组织 内最大应力值均相应增加 ，而且其速度比较稳定 。Saab 等 分析了上颌前牙修复中角度基台的应用对种植体周骨应变的影响 ，发现应用角度基台时，骨内应力最大值比应用直基台增 加 了 15％，且应力最大值集中于松质骨处 。陈轶君 通过实验得出，在前牙使用氧化锆全瓷角度基台对种植体周围骨组织的不利影响要小于钛基台，但需要注意全瓷基台内部存在的较大应力 ，而且基台角度应控制在15°以内。

3．3 单个牙缺失修复 

目前问题主要集 中在单个后牙缺失的种植修复 ，该区的解剖结构及功能特点使其修复成功率往往低于其它区域。当前的研究趋向于通过增加种植体直径及种植体数 目来增加支持力以提高成功率。Gera—m y 等。分别设计了由单个标准直径种植体(3.75mm )、单个宽颈种植体(5mm )以及2 个标准种植体支持的单个下颌第一磨牙修复，应力加载后发现 ，单个宽颈种植体及双种植体均优于单个标准直径种植体修复。都吉秀等则测算出双根等长种植体聚合度为 10°时，种植体周围组织应力分布情况最佳。

3．4 种植体一天然牙联合固定修复 

种植体一天然牙的联合固定修复是存在争议的。巢永烈等设计以下颌第二磨牙种植牙和天然第二双尖牙作为基牙固定修复下颌第一磨牙 ，结果发现，因天然双尖牙的最大位移值较大，以及固定桥 的支架作用 ，在垂直分散载荷下天然基牙和种植基牙的位移均值之间的差异无统计学意义，故认为种植体一天然牙固定桥是符合生物力学要求的。Dalkiz等设计了当下颌4567缺失时，在7 处植人种植体，分别与3 、23、123进行联合修复的三维有限元模型。加载应力后发现在这3种设计中，与3个天然 牙联合进行的修复在骨内产生的应力值最低。沈文静等 研究得出，当天然牙受垂直集中载荷时，种植体未过载，种植体最好与稳定的天然牙联合修复 ；但侧向力对种植体影响较大 ，在修复设计上应采取相应减小侧向力的措施。陈洪京等也认为，种植体与天然牙联冠修复是可行的，且有使颌力分散，保护种植体的功能。但应选择健康天然牙 ，以利于分散颌力及减小不利的侧向力，且上部结构对种植体与天然牙联冠修复的应力分布也有着重要的影响，不仅需消除咬合高点 ，还应减小颊舌向力。

3．5 种植全口义齿 

包括全口固定义齿与全口覆盖义齿，目前的研究主要集中在 ：固定义齿的上部结构设计 、加载方式 、覆盖义齿 的上部结构设计 以及 固定 义齿与覆盖义齿两者间的 比较等 。

3．5．1 固定义齿 

毛祥彦等通过一组三维有限元分析的实验 ，证实了全下颌种植固定义齿种植体一支架的设计具有力学可能性，且刚性较好的支架能有效地分散载荷 ；但支持骨的应力集中随支架段数的增多、种植体支持数目的减少而明显增加 。张少锋等比较埋置与不埋置金属支架时种植全口义齿的应力状况发现，不使用金属支架较使用金属 支架 ，在种植全 口固定义齿 中，骨界面应力增加27％，基托应力增加 37％，种植体应 力增 加 21％；在种植全口覆盖义齿中，骨界面应力减少16％，而黏膜应力增加9％，基托应力增加 10％，种植体应力增加 19％。

在悬臂梁(eantilever)式的全颌固定种植义齿中，悬臂梁的存在及其长度 的差异也会对种植体 一骨界面 的应力分布产生影响。有国外学者利用三维有限元法分析了不同悬 臂粱长度及种植体长度对种植体骨界面应力分布的影响，结果得出随着悬 臂梁长度 的增 加，种植体骨界面应力显著增加，而种植体长度的变化则对应力分布无明显影响 。Yokoyama 等认为 ，在带有悬臂的固定义齿中 ，远中种植体的位置是影响骨应力改变的一个因素，而远中种植 体 的位 置也就决定了悬臂的存在以及长短 。

沈庆平等 则研究了 Branem ark 种植体在金属桥架全口固定义齿修复中游离臂长度 对应力传导 的影响 ，结论得出 ，远中游离臂过 长不利于种植体及其骨界面的应力 均匀分布 ，游离臂长度不应超过 10 mm。

3．5．2 覆盖义齿 

覆盖义齿不同上部结构设计的应力分析是目前研究的热点，其常用的附着体有球帽、套筒冠 、杆卡附着体 、磁附着体等，许多学者对不同设计覆盖义 齿 的应力分布进行了比较 。何 佳凝等 比较 了套筒冠 、杆卡式附着体 、改 良杆 卡式附着体对全下颌种植覆盖义齿及其支持组织 在正中情况下应力分布的影响，结果发现杆卡式附着体可 降低种植体及剩余牙槽嵴表面的应 力，但 使界面应力增加 ，改 良杆卡式附着体不利于种植体及骨 界面的应力分布 。Prakash 等分析了不同设计形式 的杆卡式覆 盖义齿的应力分布情况 ，发现4 颗种植体两两分别连接的杆卡支持式的应力分布情况优 于 2 颗或 4 颗种植体直接 连接 的设计 。Zitzmann 等 的研 究结论认为 ，由于套筒冠式 附着体具有良好的水平稳定性和明显的夹板作用，能将载荷合理地分配给每个种植体 ，不会造成单个种植体及周围骨组织负荷过重 。刘政等 则比较 了球形 、杆式 附着体对 全下颌种植覆盖义齿应力分布的影响，结果得到杆式附着体的固位 、稳定均优于球形附着体。但也有国外学者认为，种植体以杆相连后 容易造成界面的应力集中。

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