新型牽張種植體的初步實(shí)驗(yàn)研究與生物力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)分析.pdf

1、種植義齒修復(fù)因具有傳統(tǒng)修復(fù)無法比擬的良好功能和美學(xué)效果，以及較高的遠(yuǎn)期成功率，近年來逐漸得到越來越多的醫(yī)生和患者的雙重認(rèn)可。然而，各種原因?qū)е碌难啦坩杖睋p嚴(yán)重限制了種植牙的應(yīng)用。目前可用于種植術(shù)前牙槽嵴骨增量方法主要有骨移植、GBR、牽張成骨（DistractionOsteogenesis，DO）等。由于DO是激發(fā)機(jī)體自身的再生能力而自然成骨，所以不需植骨、沒有供骨區(qū)的二次創(chuàng)傷，而且具有骨吸收率低、獲得骨量大、軟組織可獲得同步延伸等優(yōu)點(diǎn)

2、。自1996年Block和Chin等分別報(bào)道了成功進(jìn)行牙槽嵴垂直DO的首次動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和臨床病例研究之后，近十年來，DO技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展并得到廣泛肯定，其中牽張裝置是研究的一個(gè)熱點(diǎn)。目前，普遍應(yīng)用的傳統(tǒng)牙槽嵴牽張成骨(AlveolarDistractionOsteogenesis，ADO)過程主要分為2-3個(gè)步驟：首先放置牽張器、完成牽張過程；其次，經(jīng)過8-16周的固定期后，去除牽張器、同期或后期植入種植體；再經(jīng)過4-6個(gè)月的種植體愈合

3、期，才能安裝上部結(jié)構(gòu)完成義齒修復(fù)，總療程最少需要6-10個(gè)月。為簡(jiǎn)化手術(shù)步驟，減少創(chuàng)傷，縮短整體治療時(shí)間，國(guó)內(nèi)外曾有少數(shù)學(xué)者嘗試應(yīng)用種植體直接牽張或者應(yīng)用牽張種植體（DistractionImplant,DI）進(jìn)行牽張，一些短期研究結(jié)果頗為鼓舞人心。但是，關(guān)于一步法進(jìn)行ADO的研究尚屬罕見，且缺乏基礎(chǔ)研究和長(zhǎng)期研究。兼具牽張器與種植體雙重功能的DI產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)尚屬空白，國(guó)外產(chǎn)品僅有DISSIS和3I等少數(shù)幾種，而其中又僅有Gaggl帶領(lǐng)的

4、一個(gè)研究小組對(duì)其研發(fā)的DISSIS進(jìn)行了動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和臨床應(yīng)用觀察雙方面的研究，其余均為短期臨床個(gè)案報(bào)道。因此，本課題第一部分嘗試研制一種新型的DI，通過動(dòng)物實(shí)驗(yàn)初步觀察DO區(qū)的新骨生成過程和種植體的骨愈合過程是否可以同期進(jìn)行，從生物學(xué)方面驗(yàn)證其是否兼具牽張器與種植體的雙重功能，以期為DI的臨床應(yīng)用提供理論依據(jù)。
　　第一部分新型DI的研制與初步動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究
　　實(shí)驗(yàn)一新型DI的設(shè)計(jì)與研制
　　目的：研制并加工一種兼具牙槽

5、嵴牽張器和修復(fù)性種植體雙重功能的新型DI。材料與方法：在詳細(xì)分析比較以往ADO牽張裝置的基礎(chǔ)之上，總結(jié)優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)研制出一種新型的DI系統(tǒng)，并應(yīng)用TA2純鈦金屬材料，通過機(jī)械加工制造成功。結(jié)果：新型的DI系統(tǒng)包括主體部件和配套工具兩大部分。DI主體部件分為本體和牽張螺絲、固定螺絲三大部分：本體包括上下兩段，分別稱為輸送螺圈和固位螺圈，均為中空且內(nèi)外表面均有螺紋，外徑4.0mm,內(nèi)孔徑2.0mm,全長(zhǎng)10.5mm。上段頂部為高1.0mm的

6、標(biāo)準(zhǔn)六角形，用于連接和固定基臺(tái)。在牽張前，DI總體成螺紋圓柱狀，類似普通種植體。牽張螺絲直徑2.0mm，螺距0.4mm，除下部位于固定螺圈內(nèi)的5.0mm為光滑表面外，其余部分均有螺紋，每順時(shí)針旋轉(zhuǎn)加力一圈可使輸送螺圈抬高0.4mm，牽張結(jié)束時(shí)其上緣止于上段下端2.0-3.0mm處。長(zhǎng)度設(shè)有12-22mm多種規(guī)格，牽張范圍5-15mm。固定螺絲與牽張螺絲等長(zhǎng)，但自上至下完全為螺紋，用于牽張完成一周后，替換牽張螺絲將上下兩段連為一體，完成牽

7、張器到種植體的轉(zhuǎn)變。此外，還有不同長(zhǎng)度的基臺(tái)可供選擇。結(jié)論：新型DI兼具牽張器與種植體的雙重功能,符合牽張裝置微型化、微創(chuàng)化的發(fā)展趨勢(shì)，但其具體性能還需下一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
　　實(shí)驗(yàn)二應(yīng)用DI牽張?jiān)龈哐啦坩談?dòng)物模型的建立
　　目的：初步驗(yàn)證DI的牽張性能，并探討手術(shù)方式和標(biāo)準(zhǔn)。材料與方法：應(yīng)用犬離體下頜骨，模擬應(yīng)用DI牽張?jiān)龈哐啦坩盏氖中g(shù)過程并加力測(cè)試牽張效果。結(jié)果：大體觀察和影像學(xué)檢測(cè)表明，新型DI能夠有效地增高牙槽嵴，性能

8、及穩(wěn)定性良好。結(jié)論：該模型簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，較真實(shí)地模擬了體內(nèi)手術(shù)過程。一方面表明犬的下頜骨解剖結(jié)構(gòu)可用于DI的牙槽嵴增高實(shí)驗(yàn)；另一方面初步驗(yàn)證了該DI的牽張性能；更重要的是，探討確定了手術(shù)方式與標(biāo)準(zhǔn)，為進(jìn)一步的體內(nèi)實(shí)驗(yàn)的順利實(shí)施奠定了基礎(chǔ)。
　　實(shí)驗(yàn)三應(yīng)用DI牽張?jiān)龈哐啦坩盏某醪絼?dòng)物實(shí)驗(yàn)研究
　　目的：通過動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證DI作為牽張器和種植體的雙重性能，以期為臨床應(yīng)用提供理論依據(jù)。材料與方法：6條犬拔牙后建立牙槽嵴萎縮模型，應(yīng)用

9、DI完成牙槽嵴增高，在固定期5、8、12周時(shí)取材，從影像學(xué)、組織學(xué)、掃描電鏡、骨密度測(cè)量以及計(jì)算機(jī)形態(tài)學(xué)測(cè)量等方面系統(tǒng)地觀察牽張區(qū)新骨生成的過程及其與DI的骨結(jié)合過程。結(jié)果：所有DI與周圍組織均愈合良好。應(yīng)用實(shí)體骨骼測(cè)量和影像學(xué)測(cè)量?jī)煞N方法測(cè)得牙槽嵴增高值分別為6.92±1.00mm和7.25±0.40mm,但二者無顯著性差異。影像學(xué)觀察5周后牽張間隙密度增高，但新舊骨界限尚可分辨，至8周時(shí)密度接近舊骨，與舊骨分界不清，12周時(shí)無明顯改

10、變。BMD測(cè)定8周時(shí)牽張側(cè)牽張間隙的骨密度顯著低于同側(cè)輸送骨段和基骨段以及對(duì)照側(cè)牽張間隙的骨密度（P＜0.05），至12周時(shí)，牽張側(cè)三個(gè)區(qū)域的骨密度間以及牽張側(cè)與對(duì)照側(cè)相應(yīng)區(qū)域間的骨密度均無顯著性差異。固定12周和8周相比，牽張側(cè)牽張間隙的骨密度明顯增高，存在顯著性差異（P＜0.05）。組織學(xué)和掃描電鏡檢測(cè)表明12周時(shí)DI在舊骨區(qū)和DO新骨區(qū)均形成骨結(jié)合，兩部位的BIC分別為60.48±6.12％和51.65±3.83％，二者無顯著性差

11、異。結(jié)論：牽張區(qū)新骨的生成可以和DI的骨結(jié)合同期進(jìn)行，ADO后的固定期和種植體植入后的骨結(jié)合期可以合二為一，總體療程將會(huì)縮短一半，而且整個(gè)手術(shù)過程也簡(jiǎn)化為一步，減少了手術(shù)創(chuàng)傷。結(jié)果提示該新型DI具有很好的應(yīng)用前景。
　　第二部分骨結(jié)合后DI牽張螺絲的生物力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析
　　良好的生物力學(xué)傳遞特性，是保障種植修復(fù)遠(yuǎn)期成功的重要因素。DI作為一種新產(chǎn)品，在臨床應(yīng)用前，應(yīng)進(jìn)行生物力學(xué)的優(yōu)化分析，以便早期發(fā)現(xiàn)其潛在問題，提高遠(yuǎn)期

12、成功率。有限元法（FiniteElementMethod，.FEM）是種植體生物力學(xué)領(lǐng)域中的一種有效研究手段。目前國(guó)內(nèi)外尚無關(guān)于DI生物力學(xué)分析方面的研究報(bào)道。本課題第二部分應(yīng)用Pro/E的自適應(yīng)裝配功能、Pro/E和AnsysWorkbench之間無縫接口和雙向參數(shù)傳遞功能，模擬在不同載荷下，對(duì)DI牽張螺絲的長(zhǎng)度和直徑進(jìn)行生物力學(xué)優(yōu)化分析，以期認(rèn)識(shí)DI這種特殊形態(tài)種植體的生物力學(xué)傳遞特點(diǎn)，并為臨床選擇應(yīng)用提供詳細(xì)參數(shù)和理論參考。

13、>　　實(shí)驗(yàn)一自適應(yīng)裝配包含螺紋DI的下頜骨骨塊三維有限元模型的建立
　　目的：建立自適應(yīng)改變的包含真實(shí)螺紋形態(tài)DI的下頜骨骨塊FEM模型。材料與方法：在計(jì)算機(jī)上，基于Pro/E的建模軟件和自適應(yīng)裝配功能,以及Pro/E與AnsysWorkbench有限元分析軟件的雙向無縫參數(shù)傳遞功能，進(jìn)行建模，并模擬力學(xué)加載進(jìn)行模型準(zhǔn)確性的檢測(cè)。結(jié)果：成功建立了可隨DI宏觀結(jié)構(gòu)參數(shù)自適應(yīng)改變的包含真實(shí)螺紋形態(tài)DI的下頜骨骨塊FEM模型。結(jié)論：該模

14、型為后期的DI生物力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)選擇提供了基本的模型支持。
　　實(shí)驗(yàn)二DI牽張螺絲長(zhǎng)度的生物力學(xué)優(yōu)化分析
　　目的：觀察DI牽張螺絲長(zhǎng)度（L）變化對(duì)目標(biāo)函數(shù)（ObjectiveFunction，OBJ）的影響。材料與方法：設(shè)定L為設(shè)計(jì)變量（DesignVariable，DV），L變化范圍為10.0-20.0mm。設(shè)定DI-基臺(tái)復(fù)合體和頜骨的平均主應(yīng)力峰值以及總體變形峰值為OBJ。結(jié)果：在AX和BL加載下，L對(duì)DI下段的應(yīng)力及變

15、形的影響最為明顯，各下降了50-60％左右。在AX加載下，L對(duì)除DI下段的其它部位的總體位移峰值影響相當(dāng)，均為5％左右。對(duì)響應(yīng)曲線的切斜率分析結(jié)果表明：在AX加載下，隨著L的增加，皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨和DI下段的EQV應(yīng)力峰值隨之下降，當(dāng)L≥11.8mm時(shí)，其值較小且變化幅度較小；在BL加載下，隨著L的增加，除DI上段無明顯變化外，其它部位的總體變形峰值隨之下降，當(dāng)L≥14mm，各值較小且變化幅度較小。結(jié)論：隨著L的增加，DI抗垂直和側(cè)向力的

16、能力均增強(qiáng)，當(dāng)達(dá)到14mm后再增加長(zhǎng)度對(duì)力的傳導(dǎo)影響不明顯。從生物力學(xué)角度考慮，臨床上選擇DI牽張螺絲的長(zhǎng)度L不應(yīng)小于14mm,即此種形態(tài)的DI更適合6-7mm以上的牽張，有廣泛的臨床適用性。
　　實(shí)驗(yàn)三DI牽張螺絲直徑的生物力學(xué)優(yōu)化分析
　　目的：觀察DI牽張螺絲直徑（D）變化對(duì)OBJ的影響。材料與方法：設(shè)定D為DV，D變化范圍為1.4-2.8mm，OBJ同實(shí)驗(yàn)二。結(jié)果：在AX和BL加載下，隨著D的增加，DI中段的應(yīng)力下降

17、影響最為明顯，達(dá)50-60％，皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨的應(yīng)力和變形也都明顯下降。值得注意的是：在AX和BL加載下，隨著D的增加，DI上段和下段的變形出現(xiàn)了相反的變化，而在BL加載下，DI上段和中段的應(yīng)力也出現(xiàn)了相反變化。提示D的變化對(duì)DI各段有不同甚至相反的影響，在選擇時(shí)應(yīng)該綜合考慮。切斜率分析表明：在兩種加載下，隨著D的增加，頜骨的應(yīng)力及變形都隨之下降，當(dāng)D≥2.1mm時(shí)，各值較小且變化幅度較小。在兩種加載下，DI中段的應(yīng)力峰值也隨D的增加而下

18、降，當(dāng)D≥2.02mm時(shí)，各值較小且變化幅度低平。在兩種加載下，DI上段和下段的變化相反且變化幅度也較大，當(dāng)D≤2.4mm時(shí)，上段的應(yīng)力較小且變化幅度較小。結(jié)論：D對(duì)DI中段的應(yīng)力影響最大,增大直徑能明顯減小中段松動(dòng)或折斷的可能性，當(dāng)D達(dá)到2.02mm時(shí)，再增加D對(duì)力的傳導(dǎo)影響不大；當(dāng)D控制在2.4mm以內(nèi)時(shí)，DI頸部與基臺(tái)連接處應(yīng)力較小，不易松動(dòng)或折斷；從生物力學(xué)角度考慮，選擇DI牽張螺絲的直徑D應(yīng)該在2.0-2.4mm之間。