仿生種植牙模型的三維有限元研究

1、仿生蒔植牙模子的三維有限元研究王宗篪，莊國銘，謝培慶，賴森財【關(guān)鍵詞】牙蒔植；牙周膜；牙模子；有限元闡發(fā)；牙應(yīng)力摘要:目的研究仿生蒔植牙、自然牙和骨性結(jié)合蒔植體3種模子骨界面上的應(yīng)力漫衍，從理論上探究蒔植體的新模子。要領(lǐng)應(yīng)用螺旋T對上頜中切牙標本舉行掃描，別離創(chuàng)立仿生蒔植牙、自然牙和骨性結(jié)合蒔植體模子，對3個模子施加同樣的載荷，應(yīng)用SuperSAP93軟件，盤算出自然牙周膜和仿生牙周膜以及3種模子骨界面上的應(yīng)力漫衍。結(jié)果仿生牙周膜和自然牙周膜表里外貌應(yīng)力的變革趨勢雷同；骨性結(jié)合蒔植體模子骨界面上在頸部出現(xiàn)應(yīng)力會合；仿生蒔植牙和自然牙2個模子骨界面上最大Vnises應(yīng)力從頸部到根端的變革比力勻稱

2、，沒有出現(xiàn)頸部應(yīng)力會合征象。結(jié)論引入仿生牙周膜能起到自然牙周膜的生物力學成效，它能實現(xiàn)牙協(xié)力的疏散和減緩作用，使仿生蒔植牙骨界面上的應(yīng)力漫衍比力勻稱，從生物力學相容性上說明白仿生蒔植牙模子的可行性。關(guān)鍵詞:牙蒔植；牙周膜；牙模子；有限元闡發(fā)；牙應(yīng)力KEYRDS:dentaliplantatin;peridntallignent;dentaldels;finiteeleentanalysis;dentalstressanalysisbinidentaliplant;peridntalebrane;finiteeleentdel;threediensinalfiniteeleentanalysis

3、;stressdistributin基于Braneark提出的“骨性結(jié)合蒔植牙理論的人工蒔植牙技能1，現(xiàn)已在口腔修復(fù)科研與臨床中得到普及應(yīng)用。接納三維有限元闡發(fā)技能對蒔植體四周骨構(gòu)造的應(yīng)力漫衍舉行闡發(fā)與盤算機模擬是牙蒔植體研究開拓和臨床應(yīng)用的緊張內(nèi)容2，許多學者開展了蒔植體的質(zhì)料、多少尺寸及外形對骨界面應(yīng)力漫衍的影響的研究，鞭策了人工蒔植牙技能的生長36。由于鈦及其合金具有優(yōu)秀的生物和物理性能，把它作為蒔植體質(zhì)料已較好地辦理了蒔植體與牙周骨結(jié)合的生物相容性題目。但是，生物力學相容性題目還未在理論上和臨床理論上得到徹底辦理。蒔植牙與牙周骨剛性結(jié)合，無法辦理牙協(xié)力的減緩與疏散題目，過大或過小的應(yīng)力

4、均可引起周骨質(zhì)的汲取或萎縮，從而導致人工蒔植牙的失敗7。為了研究蒔植牙的生物力學相容性題目，筆者從仿生學原理動身，引入仿生牙周膜觀點。仿生牙周膜是模擬自然牙周膜的生物力學成效，盼望它能起到對牙協(xié)力的傳導和緩沖作用，使牙槽骨界面上的應(yīng)力漫衍比力勻稱，力圖辦理蒔植牙生物力學相容性題目。本領(lǐng)情把上頜中切牙制成標本，對標本舉行螺旋T橫斷層掃描，使用盤算機圖像處置懲罰技能和三維有限元軟件SuperSAP93，別離對自然牙、仿生蒔植牙和骨性結(jié)合蒔植牙創(chuàng)立起三維有限元模子8。對3個模子施加同樣的載荷，應(yīng)用三維有限元軟件SuperSAP93，盤算出自然牙周膜和仿生牙周膜以及三種模子骨界面上應(yīng)力漫衍，從理論上探

5、究蒔植牙的新模子。1質(zhì)料和要領(lǐng)1.1建模選擇一顆近期撥除較為典范的成人上頜中切牙，尺度參照文獻9。所選的牙體完備無缺損，全長23，冠長11，冠寬8，冠厚7，頸寬7，頸厚6，根長12。確定此中央點，接納復(fù)合樹脂包埋形成252525的包埋塊標本，且牙長軸與包埋塊底面垂直。接納螺旋T機SATSensatin4，德國Seiens公司對標本舉行斷層掃描，斷面與牙長軸垂直。掃描的層間距為0.5，層厚0.5層間喪失小，可忽略不計，得到46幅二維掃描斷層圖像，再按文獻8創(chuàng)立起六面體為單位的自然牙、仿生蒔植體和骨性結(jié)合蒔植體三維有限元模子，3個模子別離有24656個節(jié)點、21390個單位。1.2質(zhì)料參數(shù)與實行條

6、件質(zhì)料參數(shù)見表1。將3個有限元模子中種種質(zhì)料和構(gòu)造假設(shè)為一連、均質(zhì)、線性、各向同性的線彈性質(zhì)料。質(zhì)料受力為小變形。模子的界限條件簡化為牙槽骨外四周結(jié)實束縛。對3個有限元模子施加同樣載荷，加載荷的部位為舌側(cè)切1/3與中1/3接壤處，加載標的目的與牙長軸呈30夾角，載荷為100N。取Vnises應(yīng)力作為權(quán)衡應(yīng)力程度的重要指標，對自然牙周膜和仿生牙周膜上的應(yīng)力漫衍以及3種模子骨界面上應(yīng)力漫衍舉行比力闡發(fā)。表1模子中各構(gòu)成部門的質(zhì)料特性略2結(jié)果垂直牙長軸標的目的從頸部到根端部均分7個截面，截面1為頸部，截面4為牙根正中部，截面7為牙根端部。在加載荷作用下，通過SuperSAP93有限元闡發(fā)軟件的盤算，

7、自然牙和仿生蒔植牙牙周膜表里外貌上最大Vnises應(yīng)力漫衍、3種模子骨界面上最大Vnises應(yīng)力漫衍以及仿生膜取差異彈性模量下仿生蒔植牙模子骨界面上最大Vnises應(yīng)力漫衍見圖14。2.1自然牙周膜應(yīng)力漫衍自然牙周膜內(nèi)外貌上最大Vnises應(yīng)力沿牙長軸標的目的是遞減變革的，高應(yīng)力區(qū)出如今牙頸部地區(qū)，到達17.68Pa，牙根中部和牙根端部地區(qū)應(yīng)力都比力小了，牙根端部的應(yīng)力約莫是頸部的1/5，只有3.66Pa，應(yīng)力變革幅度到達v=14Pa，說明牙周膜內(nèi)外貌應(yīng)力沿牙長軸標的目的漫衍很不勻稱圖1。自然牙周膜外外貌上的最大Vnises應(yīng)力沿牙長軸標的目的變革與內(nèi)外貌的環(huán)境有很大差異。沿牙長軸標的目的，從

8、頸部到牙根中部的應(yīng)力是遲鈍減小的，到牙根正中部到達最小值后，應(yīng)力隨之往根端又遲鈍增大。牙頸部應(yīng)力為6.82Pa，牙根正中部為2.9Pa，牙根端部為3.2Pa，應(yīng)力變革幅度僅到達v=3.92Pa，這說明白牙周膜外外貌應(yīng)力沿牙長軸標的目的漫衍比力勻稱。別的還可看出，沿牙長軸標的目的，牙周膜外外貌比內(nèi)外貌的應(yīng)力要減校頸部減小幅度最大，達61.43%。說明牙周膜對牙協(xié)力具有顯著的疏散和緩沖作用。2.2仿生牙周膜應(yīng)力漫衍當仿生膜彈性模量取自然牙周膜彈性模量的10倍值時，通過三維有限元法盤算出仿生膜表里外貌最大Vnises應(yīng)力沿牙長軸標的目的的漫衍圖2。仿生膜內(nèi)外貌上高應(yīng)力區(qū)也出如今牙頸部，牙根中部到牙根

9、端部的應(yīng)力也比力小，內(nèi)外貌上應(yīng)力變革幅度到達v=13.38Pa。仿生膜外外貌上應(yīng)力漫衍比力勻稱，頸部最大Vnises應(yīng)力值為6.63Pa，牙根中部應(yīng)力最小為3.99Pa，應(yīng)力變革幅度僅為v=2.64Pa。與自然牙周膜應(yīng)力比力，這種彈性模量的仿生膜同樣能起到應(yīng)力疏散和緩沖作用。2.33種模子骨界面應(yīng)力漫衍仿生蒔植牙和自然牙兩種模子骨界面上最大Vnises應(yīng)力沿牙長軸標的目的的變革都比力勻稱，自然牙在骨界面上應(yīng)力變革幅度為v=3.92Pa，而仿生蒔植牙骨界面上的應(yīng)力變革幅度僅為v=1.65Pa。骨性結(jié)合蒔植牙模子骨界面上最大Vnises應(yīng)力沿牙長軸標的目的變革是遞減的。從牙根中部到牙根端部的應(yīng)力低

10、落比力平緩，低落幅度只有10%擺布，表白牙根中部到牙根端部的應(yīng)力漸漸落至比力低的程度。從頸部至牙根中部的應(yīng)力低落幅度比力大，到達63%，頸部四周地區(qū)出現(xiàn)應(yīng)力會合征象，頸部處應(yīng)力最大，到達23.11Pa，它與自然牙比擬該處應(yīng)力增長幅度為238.86%圖3。2.4仿生膜取差異彈性模量的仿生蒔植牙模子骨界面應(yīng)力漫衍仿生蒔植牙模子中仿生牙周膜取差異彈性模量其骨界面上最大Vnises應(yīng)力沿牙長軸標的目的的變革也差異。在頸部和根端部最大Vnises應(yīng)力隨仿生膜彈性模量的增大而減小，當仿生膜彈性模量為689Pa時，應(yīng)力到達最小值，隨后應(yīng)力又隨仿生膜彈性模量的增大而增大圖4?？梢钥闯?，仿生膜彈性模量在6006

11、89Pa，仿生蒔植牙骨界面上的應(yīng)力漫衍最勻稱。3討論自然牙模子與仿生蒔植牙模子骨界面上應(yīng)力漫衍比力勻稱，無應(yīng)力會合征象。這是由于牙周膜或仿生膜對牙協(xié)力的疏散與緩沖作用所致。骨性結(jié)合蒔植體頸部出現(xiàn)應(yīng)力會合征象的結(jié)果，是由于骨性結(jié)合蒔植體無牙周膜對牙協(xié)力的疏散與減緩作用，這大概引起骨性結(jié)合蒔植體牙槽骨粉碎的緊張緣故原由之一，這一研究結(jié)果與其他學者的研究結(jié)果同等，也與臨床所見的蒔植修復(fù)中骨汲取常由蒔植體頸部四周開始的征象符合10，1113。為了制止骨性結(jié)合蒔植體應(yīng)力會合征象，一些蒔植體系中接納了“應(yīng)力汲取裝置(stressabsrbingeleent,SAE)，盼望能辦理牙協(xié)力的減緩與疏散題目，比方

12、IZ體系，在蒔植體與上部布局之間設(shè)置一層彈性模量與自然牙周韌帶相似的塑料。但是，Rssen等學者研究結(jié)果表白，如許的“應(yīng)力汲取裝置蒔植體系有應(yīng)力減緩作用而無應(yīng)力疏散作用14。David等學者對接納彈性螺栓及鈦螺栓的蒔植體舉行了比力研究，結(jié)果表白彈性螺栓均未起到減緩牙協(xié)力向骨構(gòu)造傳導的作用15。對付仿生蒔植牙，由于仿生膜對牙協(xié)力的疏散與減緩作用，使骨界面上的應(yīng)力大大低落且漫衍比力勻稱，從而可以制止應(yīng)力會合征象。取仿生牙周膜差異的彈性模量，仿生膜表里外貌和骨界面上的應(yīng)力漫衍都市產(chǎn)生改變。也就是說，應(yīng)力漫衍與仿生膜的彈性模量取值有關(guān)。當仿生膜彈性模量在600689Pa，仿生蒔植牙骨界面上的應(yīng)力漫衍最

13、勻稱。這結(jié)果可從自然牙模子與仿生蒔植牙模子的力學布局比力中得到說明。自然牙模子中的牙體彈性模量為18600Pa、牙周膜彈性模量為68.9Pa、牙槽骨骨皮質(zhì)的彈性模量為13700Pa，牙體和牙槽骨骨皮質(zhì)的彈性模量在104Pa數(shù)目級，牙周膜彈性模量在0.7102Pa數(shù)目級，因此，牙體與牙槽骨骨皮質(zhì)之間有一層彈性模量小2個數(shù)目級的牙周膜能起到牙協(xié)力的疏散和減緩作用。在仿生蒔植牙模子中，蒔植體和根套都由鈦質(zhì)料構(gòu)成，彈性模量為105數(shù)目級，與自然牙模子的力學布局原理類比，保持蒔植體與鈦根套之間的仿生牙周膜彈性模量應(yīng)小2個數(shù)目級，那么應(yīng)在0.7103Pa的范疇，即仿生牙周膜的彈性模量約莫是自然牙周膜彈性模

14、量的10倍擺布才氣對牙協(xié)力起到最正確的疏散與減緩的結(jié)果。這也說明白彈性模量在600Pa與689Pa的仿生膜在骨界面上應(yīng)力比力小且漫衍最勻稱。在仿生蒔植牙模子中，仿生牙周膜起到了自然牙周膜的生物力學成效，實現(xiàn)了牙協(xié)力的疏散和減緩作用，使仿生蒔植牙骨界面上的應(yīng)力漫衍比力勻稱，從生物力學相容性上說明白仿生蒔植牙模子的可行性。參考文獻：1BranearkPI,ZarbGA,AlbrektssnT.TissuEintegratedprstheses:sseintegratininlinialdentistry.hiag:QuintessenePublishingIn,1985.2GengJP,KesnB

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