B-2類骨質(zhì)下種植體宏觀結(jié)構(gòu)的生物力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)和分析.pdf

1、種植義齒因具有傳統(tǒng)活動(dòng)義齒、固定義齒無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，在近十幾年中得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，越來(lái)越受到患者的青睞。雖然種植修復(fù)具有高達(dá)90％以上的遠(yuǎn)期成功率，但臨床上仍不時(shí)有種植修復(fù)失敗的病例報(bào)道，包括種植體的折斷、松動(dòng)，甚至于最后的脫落等，而頜骨局部負(fù)荷過(guò)大引起的種植體周圍骨吸收是造成種植修復(fù)失敗的主要原因之一。這就要求種植體在設(shè)計(jì)和選擇上，除了具備良好的生物相容性外，還應(yīng)具備良好的生物力學(xué)傳遞特性，從而保障種植修復(fù)的遠(yuǎn)期成功率。大量的研究結(jié)果

2、表明，影響種植體生物力學(xué)傳遞的因素主要包括：種植體材料、種植體的宏觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、修復(fù)體設(shè)計(jì)、頜骨的解剖形態(tài)、頜骨的生物力學(xué)特性和咬合力的加載方式等。相對(duì)于其它因素而言，種植體的宏觀結(jié)構(gòu)對(duì)咬合力傳導(dǎo)的影響更為明顯，并且在臨床上更易選擇和控制。 目前，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上主流的種植系統(tǒng)仍以進(jìn)口產(chǎn)品為主，其價(jià)格高昂，在很大程度上限制了其應(yīng)用。這就迫切要求國(guó)內(nèi)研發(fā)單位開(kāi)發(fā)生產(chǎn)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高品質(zhì)、低價(jià)位的種植系統(tǒng)。目前，種植系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)研究

3、主要集中在種植體的材料、形狀、宏觀結(jié)構(gòu)、表面微觀結(jié)構(gòu)和種植體與上部結(jié)構(gòu)的連接等方面。國(guó)內(nèi)外的學(xué)者在這些領(lǐng)域里進(jìn)行了大量的研究，但關(guān)于種植體宏觀結(jié)構(gòu)生物力學(xué)傳遞特性的研究多為離散的或單因素的比較分析，這些研究結(jié)果對(duì)于開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)帶有詳盡參數(shù)的種植體產(chǎn)品而言，并不具有充分的指導(dǎo)意義。 本課題旨在借助Pro/E 和Ansys Workbench 的機(jī)械工程優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，從生物力學(xué)角度，模擬不同載荷條件下，對(duì)種植于B/2 類骨質(zhì)內(nèi)的種植體的

4、宏觀結(jié)構(gòu)（直徑、長(zhǎng)度、錐度、螺紋高度、螺紋寬度、螺紋螺距、頸部錐度、末端倒角、穿齦高度等）進(jìn)行系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)分析。以期進(jìn)一步認(rèn)識(shí)種植體宏觀結(jié)構(gòu)參數(shù)在其生物力學(xué)傳遞中的作用，了解種植體宏觀結(jié)構(gòu)各個(gè)參數(shù)對(duì)其生物力學(xué)傳遞影響大小的排序。同時(shí)提供種植體開(kāi)發(fā)生產(chǎn)所需的詳細(xì)宏觀結(jié)構(gòu)參數(shù)，為臨床優(yōu)化設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)和選擇種植體提供理論參考。 實(shí)驗(yàn)一：應(yīng)用Pro/E參數(shù)化建模軟件，繪制種植體、皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、冠修復(fù)體的三維實(shí)體模型，應(yīng)用Pro/E的自

5、適應(yīng)裝配功能，建立可隨種植體宏觀結(jié)構(gòu)參數(shù)自適應(yīng)改變的種植體骨塊三維實(shí)體模型。應(yīng)用Pro/E與AnsysWorkbench軟件的無(wú)縫雙向參數(shù)傳遞功能，將實(shí)體模型導(dǎo)入Ansys Workbench軟件中劃分單元，建立可隨種植體宏觀結(jié)構(gòu)參數(shù)自適應(yīng)改變的種植體骨塊三維有限元模型，力學(xué)加載后進(jìn)行模型準(zhǔn)確性的檢測(cè)。該模型的建立為后期真正意義上的種植體優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了技術(shù)平臺(tái)。 實(shí)驗(yàn)二：設(shè)定種植體直徑(D)和長(zhǎng)度(L)為設(shè)計(jì)變量（Design

6、 Variable，DV），D 變化范圍為3.0-5.0mm，L 變化范圍為6.0-16.0mm，設(shè)定頜骨平均主應(yīng)力（Equivalent 應(yīng)力，EQV 應(yīng)力）峰值和種植體-基臺(tái)復(fù)合體位移峰值為目標(biāo)函數(shù)（Objective Function，OBJ），觀察DV 變化對(duì)OBJ 的影響。同時(shí)進(jìn)行OBJ對(duì)DV 的敏感度分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著D 和L 的增加，垂直向（Axial，AX） 加載時(shí)，皮、松質(zhì)骨的EQV 應(yīng)力峰值分別降低77.

7、4％和68.4％；頰舌向（Buccolingual，BL）加載時(shí)，皮、松質(zhì)骨的EQV 應(yīng)力峰值分別降低了64.9％和82.8％；AX 和BL 加載時(shí)，種植體-基臺(tái)復(fù)合體位移峰值分別降低了56.9％和78.2％。在各種加載下，當(dāng)D 大于3.9mm 同時(shí)L 大于9.5mm 時(shí)，單DV的響應(yīng)曲線切斜率位于-1 和0 之間。通過(guò)OBJ 對(duì)DV 的敏感度分析發(fā)現(xiàn)， D比L 對(duì)OBJ 的影響更明顯。結(jié)果提示，種植體直徑比長(zhǎng)度更易影響頜骨的應(yīng)力大小和

8、種植體的穩(wěn)定性；在臨床上選擇種植體時(shí)，種植體直徑應(yīng)不小于3.9mm，種植體長(zhǎng)度應(yīng)不小于9.5mm。 實(shí)驗(yàn)三：設(shè)定種植體錐度（T）為DV，T 變化范圍為00-2.50，OBJ 設(shè)定同實(shí)驗(yàn)二，觀察DV 變化對(duì)OBJ 的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著T 的減小，AX 加載時(shí)，皮、松質(zhì)骨的EQV 應(yīng)力峰值分別降低11.1％和22.2％；BL 加載時(shí)，皮、松質(zhì)骨的EQV 應(yīng)力峰值分別降低了12.0％和16.6％；AX 和BL 加載時(shí)，種植體-基臺(tái)

9、復(fù)合體位移峰值分別降低了12.6％和12.4％。在各種加載下，當(dāng)T 小于1.20 時(shí)，DV 的響應(yīng)曲線切斜率位于-1 和0 之間。結(jié)果提示，種植體的錐度小于1.20 以內(nèi)為種植體的最優(yōu)設(shè)計(jì)。 實(shí)驗(yàn)四：設(shè)定種植體頸部錐度(T)和末端倒角(R)為DV，T 變化范圍為450-750， R 變化范圍為0.5-1.5mm，OBJ 設(shè)定同實(shí)驗(yàn)二，觀察指標(biāo)同實(shí)驗(yàn)二。 結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著T 和R 的變化，AX 加載時(shí)，皮、松質(zhì)骨的EQV

10、 應(yīng)力峰值分別降低71.6％和11.0％；BL 加載時(shí)，皮、松質(zhì)骨的EQV 應(yīng)力峰值分別降低了69.2％和14.8％；AX 和BL 加載時(shí)，種植體-基臺(tái)復(fù)合體位移峰值分別降低了9.1％和22.8％。在各種加載下，當(dāng)T 介于640 至730，同時(shí)R 大于0.8mm時(shí)，單DV 的響應(yīng)曲線切斜率位于-1 和1 之間。通過(guò)OBJ 對(duì)DV 的敏感度分析發(fā)現(xiàn)，T 比R 對(duì)OBJ 的影響更明顯。結(jié)果提示，種植體頸部錐度介于640至730 之間，同時(shí)末

11、端倒角大于0.8mm 時(shí)為圓柱狀種植體的最優(yōu)設(shè)計(jì)。 實(shí)驗(yàn)五：設(shè)定種植體螺紋高度(H)和螺紋寬度(W)為DV，H 變化范圍為0.2-0.6mm，W 變化范圍為0.1-0.4mm，OBJ 設(shè)定同實(shí)驗(yàn)二，觀察指標(biāo)同實(shí)驗(yàn)二。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著H 和W 的變化，AX 加載時(shí)，皮、松質(zhì)骨的EQV 應(yīng)力峰值分別降低4.1％和38.7％；BL 加載時(shí)，皮、松質(zhì)骨的EQV 應(yīng)力峰值分別降低了16.4％和54.1％；AX 和BL 加載時(shí)，種植體-基臺(tái)

12、復(fù)合體位移峰值分別降低了46.0％和35.2％。在各種加載下，當(dāng)H 介于0.33mm 至0.48mm 之間，同時(shí)W 介于0.18mm 至0.30mm 之間時(shí)，單DV 的響應(yīng)曲線切斜率位于-1 和1 之間。通過(guò)OBJ 對(duì)DV 的敏感度分析發(fā)現(xiàn)，H 比W 對(duì)OBJ 的影響更明顯。 結(jié)果提示，種植體螺紋高度比螺紋寬度更易影響頜骨的應(yīng)力大小和種植體的穩(wěn)定性；螺紋高度介于0.33mm 至0.48mm，同時(shí)螺紋寬度介于0.18mm 至0.

13、30mm 時(shí)為螺紋種植體的最優(yōu)選擇。 實(shí)驗(yàn)六：設(shè)定種植體螺紋螺距（P）為DV，P 變化范圍為0.5-1.6mm，OBJ 設(shè)定同實(shí)驗(yàn)三，觀察指標(biāo)同實(shí)驗(yàn)三。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著P 的變化，AX 加載時(shí)，皮、松質(zhì)骨的EQV 應(yīng)力峰值分別降低6.7％ 和55.2％；BL 加載時(shí)，皮、松質(zhì)骨的EQV 應(yīng)力峰值分別降低了2.7％和22.4％；AX 和BL 加載時(shí)，種植體-基臺(tái)復(fù)合體位移峰值分別降低了22.3％和13.0％。在各種加載下，當(dāng)P 大

14、于0.8mm 時(shí)，DV 的響應(yīng)曲線切斜率位于-1 和1 之間。結(jié)果提示，螺紋種植體螺距最優(yōu)設(shè)計(jì)應(yīng)不小于0.8mm。 實(shí)驗(yàn)七：建立了12 種包含不同螺紋形態(tài)種植體的頜骨骨塊三維有限元模型，三種矩形(S)、三種V 形(V)、三種支撐形(B)和三種反支撐形(R)螺紋形態(tài)。 對(duì)所有模型進(jìn)行頜骨應(yīng)力分布和種植體-基臺(tái)復(fù)合體位移峰值的比較。結(jié)果表明，AX 加載下S-2、V-3、B-3、R-1、R-2 和R-3 螺紋形態(tài)表現(xiàn)出較好

15、的應(yīng)力分布狀態(tài), BL 加載下S-1、S-2、V-3、B-3、R-2 和R-3 螺紋形態(tài)表現(xiàn)出較好的應(yīng)力分布狀態(tài)。結(jié)果提示S-2、V-3、B-3、R-2 和R-3 螺紋形態(tài)均適用于圓柱形種植體。 實(shí)驗(yàn)八：建立了包含單、雙、三螺紋種植體的頜骨骨塊三維有限元模型，觀察指標(biāo)同實(shí)驗(yàn)七。結(jié)果表明，AX加載下，雙螺紋皮、松質(zhì)骨的EQV應(yīng)力峰值比單螺紋分別增加了10.4％和9.2％；BL加載下，雙螺紋皮質(zhì)骨的EQV應(yīng)力峰值比單螺紋增加了9.

16、1％，三螺紋松質(zhì)骨的EQV應(yīng)力峰值比單螺紋減少了14.2％。結(jié)果提示，單螺紋為圓柱狀種植體的最優(yōu)螺紋設(shè)計(jì)。 實(shí)驗(yàn)九：設(shè)定種植體穿齦高度（H）為DV，H變化范圍為1.0-4.0mm，OBJ設(shè)定同實(shí)驗(yàn)三，觀察指標(biāo)同實(shí)驗(yàn)三。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著H的變化，AX加載時(shí)，皮質(zhì)骨的EQV應(yīng)力峰值降低了4.7％；BL加載時(shí)，皮、松質(zhì)骨的EQV應(yīng)力峰值分別降低了17.3％和18.5％；在AX和BL加載下，種植體-基臺(tái)復(fù)合體位移峰值分別降低了4.1％和4

17、8.9％。在各種加載下，當(dāng)H介于1.7mm和2.8mm之間時(shí)，DV的響應(yīng)曲線切斜率位于-1和1之間。結(jié)果提示，種植體穿齦高度最優(yōu)設(shè)計(jì)應(yīng)介于1.7mm和2.8mm之間。 綜上所述，依照宏觀結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)種植體生物力學(xué)傳遞影響的大小排序如下：種植體直徑、長(zhǎng)度、螺紋高度、頸部錐度、螺紋螺距、穿齦高度、錐度、螺紋寬度、末端倒角。從生物力學(xué)角度得出優(yōu)化的種植體宏觀結(jié)構(gòu)參數(shù)范圍如下：種植體直徑大于3.9mm，長(zhǎng)度大于9.5mm，螺紋高度介于0.