4种表面形态种植体对支持组织应力分布的影响

观察4 种常见不同形态种植体所支持的下颌覆盖义齿，在力作用下其支持组织——牙槽骨及种植体周围的应力分布状况，从生物力学角度为种植体形态设计提供参考。方法：用三维光弹应力冻结切片法，对光滑圆柱形、光滑圆锥形、螺纹圆柱形、螺纹圆锥形4 种不同形态种植体所支持覆盖义齿，在力作用下的应力状况进行应力冻结，并在相应部位进行切片观察，以了解不同情况下其支持组织的应力分布状况。结果：种植体不同的表面形态对支持组织应力分布有较大影响，圆柱形种植体比圆锥形种植体，带螺纹种植体比光滑种植体其牙槽骨及骨界面应力值小。结论：不同表面形态的种植体对种植体骨界面及牙槽骨的应力会产生不同的影响。
关键词　牙植入体；形态、应力分析；三维；光弹性试验

将种植体植入颌骨内以支持义齿，目前临床应用日趋广泛。长期应用中分化出形态各异的多种类型种植体。据文献报道，用相同材料制作的不同形态的种植体，其种植效应存在很大的差别，良好的种植体形态设计，能明显提高种植的成功率；并且在功能状态下，能合理传导和分散力，较好地发挥其生理功能［1］。但目前关于哪种形态种植体的设计最为合理的问题尚无统一定论，有必要从生物力学角度对该问题进行研究。本研究应用三维光弹应力冻结切片法，分析了4 种不同形态种植体对牙槽骨及种植体骨界面应力分布的影响，为种植体的形态设计提供了参考。

1　材料和方法

1.1　实验分组
据文献［2,3］报道，圆柱形种植体机械加工方便，植入工具及术式也易规范化，在临床广泛应用；而带螺纹的种植体由于植入时对骨组织创伤小，初期稳定性好而倍受欢迎。本研究实验设计采用4 种钛种植体，即直径3.75 mm，长度13 mm 的光滑圆柱形(A)，光滑圆锥形(B)、螺纹圆柱形(C)、螺纹圆锥形(D)种植体，相同4 颗为一组，模型和义齿复制、制作方法及种植体种植方法参见参考文献［4］，制作出A、B、C、D 4 组模型。
1.2　加载及应力冻结　参见参考文献［4］。
1.3　冻结模型切片的制取与测试　参见参考文献［4］。

2　结　果

2.1　在垂直载荷下，牙槽骨应力值测量结果见图1。

图1　4 种形态种植体各切片点应力值变化曲线应力水平100%=0.7471条纹级数/mm

2.2　在垂直载荷下，种植体周围骨界面(根尖部和颈部)应力值测量结果见图2。

图2　4 种形态种植体骨界面应力值测量结果

3　讨　论

3.1　不同形态种植体对牙槽骨应力的影响
实验结果来看，种植体形态对牙槽骨有较大的影响；总体来说，圆柱形种植体与锥形种植体相比，其牙槽骨的应力较小；而带螺纹种植体又比不带螺纹种植体其牙槽骨应力小。
根据几何学原理我们知道，相同长度、相同直径的圆柱体和锥形体，其表面积是前者大于后者。较大的种植体表面积就会形成较大的骨结合面积，也就降低了骨界面的平均应力，相对而言也就增大了种植体承受载荷的能力，而该能力越大其牙槽骨受力也就相对减小。同理带螺纹种植体比不带螺纹者其牙槽骨应力值较小。
但相同长度、相同直径的光滑圆柱形种植体与带螺纹圆锥形种植体相比，由于种植体表面的众多螺纹有效地增大了种植体表面积，根据计算已超过了光滑圆柱形种植体的表面积，所以出现了光滑圆柱形种植体牙槽骨应力大于螺纹圆锥形种植体的情况。
而牙槽骨应力值在3、7 切片点最大的原因,是因为该切片点位于远中种植体周围。根据实验结果及以上分析，我们可以从影响牙槽骨应力值的角度，优化设计出最佳形态的种植体，即螺纹圆柱状钛种植体。
3.2　不同形态种植体周围骨界面的应力分析
实验结果示，不同形态的远中种植体，其周围骨界面应力大于近中种植体，根尖部应力大于颈部应力。与前面实验结论一致，原因相同［4］。
而在本组实验中出现了圆锥形种植体根尖部应力大于圆柱形种植体。这主要是由于圆锥形种植体根尖部面积较小，尖端不圆纯，留有锐角，故容易在根尖部形成应力集中区，造成了圆锥形种植体根尖部应力大于圆柱形。这与文献报道及有限元法研究的结论一致［1,2,3］。

在本组实验结果中我们发现，几种形态的种植体中，其颈部骨界面应力相差较小，其原因可能是因为几种形态种植体颈部直径相同，所以该区域应力值相近。
根据本实验结果及以上分析，我们从种植体骨界面应力分析的角度可以得出结论，在4 种不同形态种植体中，以螺纹圆柱形钛种植体力学性能最佳，有利于降低骨界面的应力。
3.3　关于种植体形态设计的生物力学问题
良好的种植体形态设计，不仅可促进骨融合的速度，提高骨融合的质量，而且可以使种植体在行使功能时，较好地传递和分散力，维护种植体长期稳定。
从本实验结果，我们可以就种植体形态设计的生物力学问题得到一些启示。首先，在可能的情况下，尽量增大与骨的结合面积，降低界面的平均应力；其次，在种植体的形态设计上尽量避免界面出现应力集中；再则，应保证在主要受力方向受载荷时，界面有足够的压力支持面积；然后，应注意种植体的形态设计，有利于传递和分散力；最后，因为种植体不良的形态设计不仅会导致界面的应力过大，而且会影响种植体自身强度，故应在形态设计时注意其自身强度。

4　结　论
4.1　种植体不同的表面形态对支持组织应力分布有较大影响， 圆柱形种植体比圆锥形种植体、带螺纹种植体比不带螺纹种植体其牙槽骨及骨界面应力小；螺纹圆柱形钛种植体设计较为合理。
4.2　在种植体形态设计时，应遵循一定的生物力学原则， 才能使种植体的设计合理、实用。

本课题为国家自然科学基金资助项目，编号 39600165
作者单位：西安第四军医大学口腔医学院 710032

参考文献

1 陈治清主编. 最新口腔材料学. 成都:四川科技出版社，1989.121
2 陈安玉主编. 口腔种植学. 成都:四川科技出版社，1991.234
3 Tsutsumi S. Biomechanical designing of implants. J Dent Res(special issue), 1989,68:766
4 张铁, 马轩祥, 张少锋,等. 不同连接设计种植全口义齿的三维光弹应力分析, 实用口腔医学杂志 1999,15(3):225