口腔種植牙生物力學進展

1、口腔種植牙生物力學進展【摘要】 口腔種植學產(chǎn)生于口腔修復學、口腔外科學、牙周病學、口腔組織病理學、口腔材料學、口腔放射學、口腔預防保健學、生物力學、機械工學等學科的專業(yè)知識，在它們的交界邊緣處形成。人工種植牙生物力學是種植牙成功不可忽視的一個重要方面，過大或過小的應力均可引起牙周骨組織的吸收或萎縮，從而導致人工種植牙的失敗。筆者通過種植體材料，種植體的形態(tài)結構，種植體長度及直徑，種植體與上部結構的連接方式等因素對應力分布的影響，把近年來人工種植牙生物力學研究進行綜述。希望本文能對廣大口腔醫(yī)務工作者了解這門學科及從事種植義齒活動治療工作時，發(fā)揮一些有益的參考作用。 【關鍵詞】 人工種植體生物力學

2、研究進展；種植材料；種植體形態(tài)結構；植體上連接裝置種植體長度和直徑；種對應力分布的影響 種植義齒是口腔科領域中發(fā)展最快，最令人興奮的一個分支，已成為與高速渦輪牙機、全景X線機、高分子粘固材料并列的20世紀牙科發(fā)展的四項重大突破之一。一個成功的人工種植體應該和骨組織直接結合，形成良好的生物力學相容性，將咀嚼壓力均勻分布到周圍骨組織，應力過大或過小，都無益于種植牙周骨組織的重建，都將導致種植牙的失敗。 1 應力分布研究方法的發(fā)展 在20世紀70年代以前，生物力學研究和應力分布的檢測多采用電測法和光彈法，電測法是實驗應力分析方法中最基本的方法之一，它的靈敏度與精確度較高，可用于現(xiàn)場測定，用于各種復雜

3、環(huán)境下測量多種力學參數(shù)，但電測法只能逐點測量物件表面的應變，且僅能獲得應變片所在位置的應變平均值，不能直觀得出構件應力分布的全貌，在環(huán)境條件惡劣時誤差較大。光彈應力分析法具有直觀性和全場性的優(yōu)點，可用以分析各種形狀的復雜構件和表面應力，也是口腔生物力學常采用的研究方法，但光彈法不能把材料力學和彈性理論聯(lián)系起來，如不能計算出模型內(nèi)任意處的應力值和位移植。自從1973年Theresher和Farah幾乎同時將有限元法（finite element method,FEM)應用于口腔醫(yī)學領域，F(xiàn)EM已成為一種有效的數(shù)學工具，在口腔生物力學研究中得到廣泛應用。FEM具有以下優(yōu)點：可以準確地表達復雜的幾何

4、形狀；可以在同一模型上對不同性質(zhì)的材料進行力學分析；可以進行復雜載荷條件下的應力分析；模型的轉(zhuǎn)換較為簡便；對應力的內(nèi)部狀態(tài)及其它力學性能定量測定的代表性好，同時FEM在應用中自身也不斷得到完善，其中從二維到三維是FEM發(fā)展的一個飛躍。1976年Weinstein等應用二維FEM分析了多孔圓柱種植體界面的應力分布，將FEM引入了口腔種植領域，從此，有關種植義齒生物力學的研究進入了一個新的階段。 2 種植體材料對應力分布的影響 人工牙種植體的研究和應用已有30多年的歷史，但迄今為止，只有少數(shù)幾種材料的種植體為人們所接受，其中應用歷史最長、也最廣泛的是鈦質(zhì)種植體，金屬鈦具有良好的生物相容性，與骨組織

5、形成緊密、牢固的結合，而且其彈性模量與骨很接近，與骨結合所形成的界面是動態(tài)的，在適當負荷的刺激下，種植體與骨的接觸程度在一年后會從53%增加到74%，所以說鈦是一種理想的種植材料。用三維有限元法研究了Screw-vent骨內(nèi)種植體及支持組織應力分布情況，這種商業(yè)純鈦種植體最大應力區(qū)是在種植體的頸部，這些應力比商業(yè)純鈦的疲勞極限（259，90MPa）低18倍，骨內(nèi)最大壓力值（19.57MPa)是在頸部的舌側(cè)區(qū)，而且Screw-vent種植體近遠中應力（最大為0.38MPa）比種植體頰、舌側(cè)低得多。這一點和以前放射照片研究的骨吸收發(fā)生在種植體的近遠中不同。為了更快的形成骨整合，人們還從種植體的表面

6、涂層入手。尤其是羥基磷灰石噴涂（hydroxyapatite,HA)研究最多，但還是有很大爭議，生物活性材料的涂層，可以改善與骨的結合方式，從生化角度上看，對種植牙長期成功是有益的，但從生物力學角度是否有明顯的改善并不清楚。最近Meijer(1997)等，使用柔韌高分子生物材料（polyactiv,PL)即聚丁烯對二苯酸鹽（酯）聚合物polyethylene-oxide polybutylene-terephthalate(PEO:PBT)copolymer和硬性HA穿齦種植體進行動物（狗）實驗研究，從組織學上和臨床方面作一比較，PL設有三種（一種密集型，兩種多孔型）6個月加載，PL和HA種植

7、體周圍骨組織在第6周有骨吸收（高度失去1mm)，第12周可見重建，18周后恢復到原來的水平，結果PL比HA引起密度上較少的降低。這個結果顯示：柔韌種植材料更有利于應力向周圍骨組織傳導。臨床方面PEO：PBT和陶瓷、生物玻璃、鈦、和其他材料相比較，結果：PEO：PBT是一種柔韌材料，能降低穿齦種植體頸部應力峰值，致密型PL功能合適，運動性能與天然牙相近似，表現(xiàn)出最好的臨床功能，也能減少種植體周圍應力峰值。從組織學觀察得出結論：柔韌的骨結合，種植體更能較好地把應力傳導到周圍骨組織，因此它可能是硬性種植體有前途的替代物。 3 種植體形態(tài)結構對應力分布的影響 成功的種植體不僅取決于種植體材料的生物學性

8、質(zhì)及手術技術，種植體的表面形態(tài)也十分重要。近年來，國外學者圍繞著種植體以什么樣的形態(tài)結構才具有最佳的生物力學相容性，作了大量的研究。關于口腔種植體宏觀形態(tài)基本上認為以單個旋轉(zhuǎn)對稱為最佳，所以新近出現(xiàn)的或改良的種植體系列極少看到過去傳統(tǒng)的錨狀或翼狀形態(tài)。即粗糙的種植體表面更利于新骨生長，形成更廣泛骨-種植體結合區(qū)，Mailath(1989)使用有限元法研究了骨內(nèi)種植體形狀與應力分布的關系得出結論，圓柱形種植體比圓錐形種植體更可取，因為它降低了應力在骨皮質(zhì)上的峰值。Arpinar(1996)等，用有限元法對兩種硬性種植體設計進行研究，結果為：中空螺旋種植體（ITI1）在頂點區(qū)域產(chǎn)生高和應力集中，而

9、實心螺旋種植體（ITI2）應力的分散轉(zhuǎn)移要比中空好得多。1996年黃輝等，對螺紋頂角角度對柱狀螺旋根管內(nèi)種植體應力分布進行了研究，結果表明：螺紋頂角角度的改變，可以導致種植體在支持組織的應力分布水平的變化，螺紋頂角為60度的種植體應力分布較合理，為種植體設計、應用提供理論依據(jù)。 4 種植體的長度和直徑對應力分布的影響 對于種植體長度和直徑與種植體周圍骨面應力反應的關系，目前國外研究報告的觀點不一致。Mailath(1989)等，用有限元法對不同直徑的種植體進行生物力學研究，結果發(fā)現(xiàn)大直徑種植體產(chǎn)生有利的應力分布效果。Block(1990)通過動物試驗證明，種植體從骨中拉出力與其長度關系極大，而

10、與其直徑關系不大。Lum(1991）發(fā)現(xiàn)骨界面應力主要集中于種植體頸部的牙槽嵴頂而非整個種植體周圍，并據(jù)此推論使用短種植體可能對骨界面應力集中值影響不大。Lum（1992）用工程統(tǒng)計學方法，分析了軸向力和水平力作用下種植體力的傳導，結果發(fā)現(xiàn)，在軸向力作用下，僅僅長度為10mm，直徑為4mm的種植體，能傳導平均最大咬合力，支持骨受到張力在正常生理限度內(nèi)。在水平力作用下長度大于12mm時，再增加長度對力的傳導無顯著差異。Meijer(1992)等，使用短種植體以其周圍的應力無太大影響。鄒敬才（1996）等，應用二維有限方法，對3mm，4mm，5mm三種不同直徑的螺旋形種植體進行對比分析，結果表明：

11、螺旋形種植體直徑增加，對骨界面的總體應力分布規(guī)律影響不大，但隨著直徑的增加，對骨界面應力降低，種植體與骨界面的相對位移運動也相應減小，有利于骨界面的應力分布。提示臨床盡可能選擇直徑稍粗的一些種植體。Tuncelli(1997)，等應用有限元法，比較了ITI中空圓柱兩段式種植體不同直徑（3.5mm，4.5mm,6mm）應力分布。結果發(fā)現(xiàn)：相對較大的直徑種植體更有利于下頜后部區(qū)域（應力分布好）。張少鋒（1997）等，用有限元法研究了種植體長度和直徑對種植全口義齒應力的影響，得出結論：種植體周圍骨界面應力的大小與種植體長度密切相關，呈負相關關系。種植體直徑在臨床常用范圍內(nèi)變化時，僅引起自身應力及種植

12、的改變，而對種植全口義齒的其他結構和組織應力狀況影響不大。 5 種植體上部結構的連接裝置對應力分布的影響 人們?yōu)榱巳ツ７绿烊谎姥乐苣さ木彌_作用，一些學者用一些具有粘彈性的材料如聚甲醛制成內(nèi)動部件，連接種植體和附著體。McClumphy(1989)在種植牙上用聚甲醛材料設計了一個具有彈性的內(nèi)連接體，并用鈦制作一相同的內(nèi)連接體作對照，用光彈應力分析法對兩者進行了應力分布的對比研究，結果：在骨界面上應力分布兩者差異沒有顯著性。Vanrossen(1990)等，通過二維有限元法，對不同彈性連接體彈性模量和不同外形的內(nèi)連接體在單個種植體上進行分析，結果：內(nèi)彈性連接體彈性模量的改變對周圍骨應力分布沒有影響。Chapman(1990)等，設計一種內(nèi)部減震器（shockabsor-ber)，把種植體與義齒相連接，用鈦制作對比，結果：兩者差異有顯著性，可減少咬合力。elChkawi hG(1990 )在種植體上部結構下面使用一層彈性材料，種植體不動，而上部結構可動，結果發(fā)現(xiàn)這種改進使應力和位移分布和天然牙相類似。Kraut(1993)等，設計了一種彈性內(nèi)動連接系統(tǒng)，結果表明這套系統(tǒng)能吸收應力，減少達到種植體和周圍骨的應力值。 牙種植的迅速發(fā)展，它無論從功能上還是從美學及心理方面，都給人們帶來了希望和振奮。牙種植學，是一門年輕的科學，但仍