三維有限元動態(tài)分析不同螺距的兩種螺紋種植體的應(yīng)力分布

1、    三維有限元動態(tài)分析不同螺距的兩種螺紋種植體的應(yīng)力分布        摘要目的：研究有無防沉裝置的兩種 種植體不同螺距 的應(yīng)力分布及力學(xué)相容性。 方法：采用三維有限元 動態(tài)分析法，以Supper SAP93程序在周期為0.8 s的正弦 半波力作用下對兩種種植體進(jìn)行應(yīng)力分析，A組無防沉裝置，B組有防沉裝置。 結(jié)果： 無防 沉裝置者應(yīng)力分布較均勻，有防沉裝置者骨平面處應(yīng)力相對集中，適當(dāng)增大螺距可分散該處 的應(yīng)力。結(jié)論： 無防沉裝置的設(shè)計(jì)較有防沉裝置者應(yīng)力分布更均勻。關(guān)鍵詞三

2、維；有限元法；動態(tài)法；防沉裝置；螺距；應(yīng)力分析中分類號：318.08文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1001-3733(2000)03-0214-03The dynamic 3-D FEM on two kinds of threaded implants with different pitchesWang Ge, Cheng Xiangrong. （Stomatological College, Hubei Medical University, W uhan 430070）Abstract Objective: To study the stress distribution and the m

3、ech anic in the implants with or without countersink with different thread pitch by dynamic 3-D FEM. Meth od: The impl ants were studied by supper SAP93 program under the force of 0.8 s period b y the way of half sine wane.In group A the implants were without countersink, wh ile in group B those wer

4、e with countersink. Result:In group A the stress values of the implants with the pitch (mm) of 0.6,0.8 or 1 .0 were 56.12±21.43,61.50±20.40 and 60.38±20.59,the (%) values were 38.18,3 3.98 and 34.10,re spectively;while in group B the stress values were 56.64±24.65,55.44±24.2

5、7 and 54.44±23.06,the CV(%) values were 43.53,43.78 and 42.36 ,respectively. Conclusion:The stress in the implants without countersink may distribut more evenly than that in those with countersink.Key wordsThree-dimension;Finite element methods Dynamic method ;Countersink; Pitch; Stress analysi

6、s純鈦種植體的骨內(nèi)固位樁普遍以螺紋狀設(shè)計(jì)為其結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，有無防沉裝置（countersin k） 為各種種植體的設(shè)計(jì)分歧所在1。三維有限元分析法（3D-FEM）是一種較先進(jìn)、 準(zhǔn)確的力學(xué)分析方法。而動態(tài)分析則是其中更先進(jìn)、更接近人類咀嚼生理的一種研究方式 2。因此，本研究采用動態(tài)分析技術(shù)對這兩種不同種植體設(shè)計(jì)，在周期性變化的外 力作用下不同螺距對應(yīng)力分布的影響進(jìn)行了專門研究，旨在了解螺距對不同設(shè)計(jì)種植體應(yīng)力 分布的影響。1材料和方法1.1模型的建立在計(jì)算機(jī)中建立6個(gè)螺紋種植體模型，分為兩組，每組各3個(gè)。A組無防沉裝置，B組有防沉 裝置，防沉裝置的斜臺高度為0.5 mm，斜角為45°。種

7、植體直徑3. 5 mm、長13 mm、螺距 分別為 0.6、0.8、1.0 mm，其骨上部分均為直徑5 mm的球形附著體。應(yīng)用Supper SAP93有 限元分析程序自動對其劃分節(jié)點(diǎn)和單元，數(shù)據(jù)見表1。表1模型的劃分參數(shù)螺距（mm）A組B組0.60.81.00.60.81.0節(jié)點(diǎn)數(shù)352028362104354828642332單元數(shù)3799307023043831310225351.2試驗(yàn)條件假設(shè)和加載本研究假設(shè)了一個(gè)完全理想化的局部模型4,5，即種植體各部件之間為完全精 確適合，不 考慮各部件之間的吻合差異；種植體與周圍頜骨之間為100骨結(jié)合；種植體及周圍頜 骨 均為完全連續(xù)的各向同性的均

8、質(zhì)材料；建立一個(gè)長方形的標(biāo)準(zhǔn)頜骨，種植體位 于其中，周圍是23 mm的松質(zhì)骨，左右上下的外表面為皮質(zhì)骨，模型底部完全固定；加載方式以周 期為0.8 s的正弦半波方式加載于球形附著體上，施力方向均穿過球心，垂直方向的最大力 為453 N，側(cè)向力最大值是20 N（左右方向）。 1無防沉裝置的種植體分析模型網(wǎng)格2有防沉裝置的種植體分析模型網(wǎng)格劃分后的網(wǎng)格見1、2。各部分材料的力學(xué)參數(shù)見表23：表2材料的力學(xué)參數(shù)材 料彈性模量（MPa）泊松比松 質(zhì) 骨1 3700.30皮 質(zhì) 骨13 7000.30純 鈦103 4000.352結(jié)果 2.1應(yīng)力分析結(jié)果見表3。表3不同螺距的螺紋種植體應(yīng)力分布的動態(tài)分析

9、結(jié)果（單位：MPa ）分組螺距（mm）AB0.60.8 1.00.60.81.0種植體上端（球底）66.369.269.146.746.847.0骨平面以上1.0 mm處54.962.862.842.243.544.5骨平面處68.073.572.188.385.582.3骨平面以下1.0 mm處71.976.773.676.475.173.1種植體底部19.525.324.329.626.325.356.1261.5060.3856.6455.4 454.44s21.4320.9020.5924.6524.2723.06CV（）38.1833.9834.1043.5343.7842.36以上

10、資料的統(tǒng)計(jì)分析表明： B組設(shè)計(jì)的應(yīng)力值均數(shù)小于A組，其變異系數(shù)較大，即B組設(shè) 計(jì) 的應(yīng)力值變異度大，其離散度也大，增加螺距可適當(dāng)分散應(yīng)力，A組設(shè)計(jì)應(yīng)力分布較均勻。 2.2A組、B組（螺距0.8 mm）骨平面以下0.5 mm處的剖面應(yīng)力等線見3、4。結(jié)果發(fā) 現(xiàn)，兩組設(shè)計(jì)在螺紋底部和骨組織內(nèi)均出現(xiàn)了應(yīng)力集中區(qū)，且分布一致，但B組應(yīng)力較大。 3討論3.1有限元法（FEM）是把整個(gè)結(jié)果看作由有限個(gè)單元相互連接而成的幾何實(shí)體，每個(gè)小單 元力學(xué)特征的總裝效果反映出結(jié)構(gòu)的整體力學(xué)特性。靜載荷是指載荷從零逐漸緩慢地增加到 最終值然后保持不變或變化很小的載荷。不具備靜載荷條件的載荷稱為動載荷。動載荷作用 下，構(gòu)

11、件產(chǎn)生不可忽略的加速度，作用于牙齒的牙合力即屬 動載荷。動載荷可分為慣性力和 沖擊載荷，后者與口腔生物力學(xué)相似6。應(yīng)該說，動載荷是有限元分析法的一大 飛躍，其結(jié)果反映了模型的客觀應(yīng)力分布，較靜載荷優(yōu)越。3.2在交變應(yīng)力作用下，構(gòu)件產(chǎn)生肉眼可見的裂紋或完全斷裂。這種現(xiàn)象稱為疲勞失效或 疲 勞破壞。牙合力即為一種交變應(yīng)力，具有周期性變化規(guī)律 2。骨組織作為一種粘彈性材料 ，受到一定次數(shù)循環(huán)載荷的作用,即會出現(xiàn)疲勞現(xiàn)象。本研究根據(jù)人類的咀嚼周期為0.875 s ,從咬接觸到咀嚼相歷時(shí)0.556 s的特點(diǎn)7，確定了牙合力的加載周期為0.8 s，以半正 弦方式間斷循環(huán)加力，模擬口腔咀嚼周期的特點(diǎn)，力求更

12、真實(shí)地反映實(shí)際應(yīng)力分布的特點(diǎn)。 3.3本研究在建立模型時(shí)，考慮到球形附著體在臨床上應(yīng)用廣泛，且可簡化應(yīng)力分析 的 干擾因素和減少計(jì)算量，提高分析精度，因此用它作為模型的骨上部分。因?yàn)閷τ谇蛐胃街?體而言，來自各個(gè)方向的外力都將通過附著體的球心傳遞到種植體上，這樣，對于種植體而 言就只存在一點(diǎn)加載負(fù)荷，且任何方向的加載力均可分解成垂直力和水平力兩種8 。另外，不考慮作用力對種植體產(chǎn)生的位移，固定模型下端也可使力的分析簡化。3.4從數(shù)據(jù)變化特點(diǎn)及剖面應(yīng)力分布看，雖然兩種設(shè)計(jì)所承受的最大應(yīng)力不會使種植 體斷裂。但是，材料的疲勞破壞是存在的，而且，一般應(yīng)力集中區(qū)產(chǎn)生疲勞破壞的可能性較 大。有研究表明，

13、國產(chǎn)種植體的失敗率高達(dá)13.6%，其中由于基樁折斷或松動造成的失敗占8 0%9。本研究發(fā)現(xiàn)，A組設(shè)計(jì)的應(yīng)力分布相對較均勻，B組設(shè)計(jì)雖應(yīng)力均值較小， 但變異系 數(shù)較大，即說明，B組設(shè)計(jì)存在應(yīng)力集中區(qū)。增加螺距可適當(dāng)分散該處應(yīng)力。該區(qū)位于防沉 裝置處及其附近的骨組織內(nèi)，這與臨床上常見的杯狀吸收區(qū)相吻合，因此，可以認(rèn)為防沉裝 置對應(yīng)力的分布是有影響。4結(jié)論本研究應(yīng)用較先進(jìn)的動態(tài)三維有限元分析方法，對有無防沉裝置的兩種種植體的各 種不同螺 距狀態(tài)下的應(yīng)力分布狀況進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，無防沉裝置較有防沉裝置者應(yīng)力分布均勻 ，即該種設(shè)計(jì)似乎更趨合理。有防沉裝置的者，在防沉裝置處及其附近骨組織中存在應(yīng)力集

14、中區(qū)，適當(dāng)增大螺距可分散應(yīng)力集中處的受力。作者單位：王革（湖北醫(yī)科大學(xué)口腔醫(yī)院修復(fù)科430070）程祥榮（湖北醫(yī)科大學(xué)口腔醫(yī)院修復(fù)科430070）參考文獻(xiàn)1Montague A, Merritt K, Brown S,et al.Effects of Ca and H2O2 added to RPM I on the fretting corrosion of Ti6Al4V. J Biomed Mater Res,1996, 32(4): 5192Hanck JE, Sakaguchi RL, Sun T,et al. Elongation and preload stress in d e

15、ntal implant abutment screws. Int J Oral Maxillofac Implants,1995,10:5293Paul P，Grundling Nl，Joose Ch. Three-dimensional finite element model of a human mandible incorporating six osseointegrated implants for stress analysis of mandibular cantilever prosthese. Int J Oral Maxillofac Implants, 1995,10:514Uysal H, Iplikcioglu H, Ava M,et al. An experimental analysis of the stresses on the implant in an implant-tooth-supported prosthesis: A techn ical note. Int J Oral Maxillofac Implants, 1997,12: 1185夏榮綜述，趙云鳳審校.全頜種植義齒的生物力學(xué)研究.中國口腔種植學(xué)雜志，1996，1 (1): 576夏榮綜述, 趙云鳳審校. 有限元法及其進(jìn)展(一).中國口腔種植學(xué)