不同螺纹深度微小种植体的生物力学三维有限元研究

　　作者：林东，林珊，陈江，郭金泉 作者单位：福建省卫生教育联合攻关计划项目(WKJ20082064) 1.福建边防总队医院 口腔科，福州 350003 2.福建医科大学 附属第一医院口腔科，福州 350005 3.福建医科大学 附属口腔医院，福州 350002 4.福州大学 机械工程及自动化学院，福州 350108

　　【摘要】 目的 分析不同螺纹深度微小种植体骨界面的生物力学变化，为微小种植体的设计和临床应用提供科学的理论依据。 方法 采用ANSYSWorkbench有限元软件，建立不同螺距深度的六个三维有限元模型，分别在模型上计算出不同螺纹深度的微小种植体骨界面的VonMises应力及位移分布状况。 结果 不同螺纹深度的微小种植体VonMises应力及位移的分布均集中于种植体颈部骨皮质区，种植体的VonMises应力值及位移值均较小。螺纹深度的不同对微小种植体骨界面VonMises应力值、位移值有影响，螺纹深度为0.2 mm的微小种植体VonMises应力峰值、位移峰值最小。 结论 本实验建立的微小种植体骨组织三维有限元模型具有良好的几何相似性，可对微小种植体及其支持骨组织进行精确的生物力学分析，螺纹深度为0.2 mm的微小种植体具有较好生物力学特性。

　　【关键词】 模型,解剖学; 牙应力分析; 生物力学; 牙种植; 牙种植体; 有限元分析

　　A ThreeDimensional Finite Element Analysis on the Influence of Different Depth of Thread on Biomechanical Properties of MicroImplantBone Interface

　　LIN Dong， LIN Shan， CHEN Jiang,GUO Jinquan

　　1. Department of Stomatology, Fujian Provincial Frontier Defense Corps Hospital, Fuzhou 350003, China;

　　2. Department of Stomatology，The First Affiliated Hospital，Fujian Medical University, Fuzhou 350005, China;

　　3. Department of Stomatology，The Affiliated Stomatological Hospital, Fujian Medical University, Fuzhou 350002, China;

　　4. College of Mechanical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350108, China

　　ABSTRACT: Objective To establish threedimensional finite element models for microimplantbone and to analyze the influence of different depth of thread on the biomechanical characteristics of microimplantbone interface, with the purpose of providing scientific theoretical basis for the design and clinical application of microimplants. Methods By using the commercial code of ANSYSWorkbench software, threedimensional finite element models of microimplantbone complex were built up to analyze the influence of thread of different depth on the biomechanical properties of microimplantbone interface. Results In all the cases, both the VonMises and displacement focused on the cortical area of cervix of the microimplants. The values of VonMises stress and displacement were very small. Different depth of thread influenced the values of VonMises stress and displacement. The depth of the threaded implant of 0.2 mm resulted in the minimum stress and displacement values. Conclusion The threedimensional finite element models for microimplantbone established in the study show favourable geometrical similarity, which can help to make a detailed biomechanical analysis of microimplants and their supporting bone tissue. The microimplant with thread of the depth of 0.2 mm would have better biomechanical properties.

　　KEY WORDS: models, anatomic; dental stress analysis; biomechanics; dental implantation; dental implants; finite element analysis

　　目前临床上使用的微小种植体多为螺纹型种植体，对于微小种植体螺纹形态的研究较少。本文运用三维有限元法探讨不同螺纹深度微小种植体骨界面的VonMises应力和位移分布的特点，以期寻找出微小种植体适宜的螺纹深度，为种植体的设计和临床应用做参考。

　　1 材料和方法

　　1.1 微小种植体

　　骨组织三维有限元模型建立

　　1.1.1 微小种植体三维实体模型建立

　　参照文献[1] 设定微小种植体外形：微小种植体为外径1.5 mm，长度11 mm，螺纹顶角60°，螺距1.0 mm的刃状螺纹圆柱形螺钉，设定种植体植入骨组织长度为8 mm。按照上述尺寸，以螺纹深度为变量，利用SOLIDWORKS画图软件绘出螺纹深度为0.1 mm、0.15 mm、0.20 mm、0.25 mm、0.3 mm、0.35 mm6个微小种植体三维实体模型。

　　1.1.2 骨组织三维实体模型建立

　　骨组织外形的设定将其简化为长方体骨块尺寸：长度10 mm，宽度10 mm，高度15 mm。长方体骨块上部设置为皮质骨层,下部设置为松质骨层，皮质骨层厚度为1.6 mm、松质骨层厚度为13.4 mm。按照上述尺寸，利用SOLIDWORKS画图软件绘出骨块三维立体几何模型。并在骨块中以六个微小种植体实体模型的螺纹形态分别绘制出包含不同螺纹形态的种植窝的6个骨组织三维实体模型。

　　1.1.3 微小种植体

　　骨组织三维实体模型的建立 微小种植体的实体模型与骨实体模型在SOLIDWORKS软件内装配形成微小种植体骨组织的三维实体模型，利用ANSYS软件的CAD数据接口，将SOLIDWORKS软件生成的实体模型文件直接导入ANSYSWorkbench有限元软件进行有限元分析。

　　1.2 实验设计

　　微小种植体及骨皮质材料均设置为线性、弹性、各向同性的均质连续材料,材料受力变形为小变形,种植体和骨组织之间为100%的骨结合。

　　1.3 材料力学参数

　　微小种植体材料设为钛，其弹性模量为103 400 MPa，泊松比为0.34，骨皮质弹性量为13 700 MPa，泊松比为0.33，骨松质弹性模量为1 500 MPa，泊松比为0.30。

　　1.4 边界条件

　　在简化的模型上设定边界条件，由于微小种植体周围硬组织设定为连续体，所以在约束中，除了微小种植体植入的1个面以外，骨模型长方体的其余5个面节点全部约束。

　　1.5 定义单元属性及网格划分

　　种植体及骨的单元类型均设置为solid187。用ANSYS自适应网格划分功能对模型进行智能尺寸网格划分，结合手动调节单元大小数值，使种植体、骨块几何尺寸不受单元划分的影响，生成微小种植体骨组织三维有限元模型。

　　1.6 载荷条件

　　在距微小种植体头部1.25 mm处加载载荷为150 g，与微小种植体长轴夹角为60°的斜向下的力。

　　2 结 果

　　2.1 微小种植体应力值

　　微小种植体的VonMises应力主要集中在种植体骨界面的颈部1.6 mm骨皮质处，VonMises应力值较大，应力衰减明显，在松质骨区内应力值很小，应力衰减缓慢，螺纹深度为0.2 mm的微小种植体VonMises应力峰值最小(表1)。表1 不同螺纹深度微小种植体骨界面VonMises应力值(略)

　　2.2 微小种植体位移值

　　微小种植体颈部骨皮质区有较大的位移值，位移值衰减明显，在松质骨区位移值较小，位移值衰减缓慢, 螺纹深度为0.2 mm的微小种植体位移峰值最小(表2)。'表2 不同螺纹深度微小种植体—骨界面位移值(略)

　　3 讨 论

　　国内外学者围绕着何种形态结构的种植体才具有最佳的生物力学效应做了较多研究，大部分学者倾向于选择螺纹型种植体[13]。与传统的柱状种植体相比，螺纹型种植体具有机械锁结固位作用、表面积大的特点，有利于骨愈合。对已发生骨结合的种植体，螺纹设计能将轴向的拉或压应力载荷，通过螺纹斜面以压应力方式传递到周围骨质，有利于骨结合界面的长期维持稳定[4]。Hurson等对螺纹种植体进行了工程力学分析，系统阐述了螺纹设计原则、材料强度、力学疲劳分析并提出了螺纹的设计标准[5]。兰则栋等认为刃状螺纹种植体的骨界面应力最小，刃状螺纹型种植体比较适合做口腔支抗种植体[6]。研究表明，种植体的螺纹形态对种植体骨界面应力分布有较大的影响。以往的研究多以牙种植体作为研究对象，牙种植体的直径3～5 mm、长度7～18 mm，微小种植体临床应用直径一般在1.2～2.3 mm、长度5～14 mm，两者在直径上存在巨大差异，在载荷方面牙种植体承载的是咀嚼力，力值较大，而微小种植体多为持续水平向力和斜向力，力值较小。

　　本组结果提示，随着微小种植体螺纹深度的增大，种植体的VonMises应力峰值未呈明显的线性递增趋势。但最大应力峰值与最小应力峰值相差1.296倍，说明不同的螺纹深度对微小种植体骨界面VonMises应力有影响。以螺纹深度0.2 mm种植体的VonMises应力峰值为最低。随着微小种植体螺纹深度的增大，种植体的位移峰值未呈明显的线性递增趋势，但最大位移峰值与最小位移峰值相差1.17倍，说明螺纹深度的不同对微小种植体骨界面位移值有影响。以螺纹深度0.2 mm的位移峰值为最低点。临床上种植体松动、脱落是种植失败的常见结果。微小种植体与牙种植体相比种植失败最大的不同是折断，这是由于微小种植体体积小，应力集中所造成的。从机械力学的角度来看，微小种植体在直径不变的情况下，随着种植体螺纹深度的增大，种植体的内径将减少，其抗折性就减小。从实验结果上看，微小种植体螺纹深度的改变对微小种植体骨界面VonMises应力值和位移值有影响。由此可见无论从生物力学还是从机械力学的角度上看，临床上不宜选用螺纹深度过大的微小种植体。但螺纹深度过小种植体应力和位移也会增加，而且也减少了螺纹种植体与骨组织的机械固位作用。本实验表明，不同螺纹深度微小种植体在150 g正畸力作用下，微小种植体VonMises应力及位移的分布均集中于种植体颈部骨皮质区，种植体的VonMises应力值及位移值均较小，螺纹深度为0.2 mm的微小种植体的VonMises应力峰值和位移峰值最小，具有较好生物力学特性。

　　【参考文献】

　　[1] Rubo J H, Souza E A. Finite element analysis of stress in bone adjacent to dental implants[J]. J Oral Implantol, 2008,34(5):248255.

　　[2] Nagasao T,Miyamoto J,Jin H,et al. The dynamics in implantation for patients with clefts[J].Cleft Palate Craniofac J，2006,43(1):8491.

　　[3] Bevilacqua M,Tealdo T,Pera F,et al. Threedimensional finite element analysis of load transmission using different implant inclinations and cantilever lengths[J].Int J Prosthodont, 2008,21(6):539542.

　　[4] Gapshi R,Wang H L,Mascarenhas P,et al. Critical review of immediate implant loading[J]. Clin Oral Implants Res, 2003,14(5):515527.

　　[5] Hurson S. Thread implant design criteria[J]. Int J Dent Symp, 1994,2(1):38.

　　[6] 兰泽栋,林 珠,李 宁. 支抗种植体外形影响骨界面应力分布的研究[J]. 实用口腔医学杂志, 2001,17(3):246249.