B-2類骨質(zhì)下種植體宏觀結(jié)構(gòu)的生物力學優(yōu)化設計和分析.pdf

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

2、表明，影響種植體生物力學傳遞的因素主要包括：種植體材料、種植體的宏觀結(jié)構(gòu)設計、修復體設計、頜骨的解剖形態(tài)、頜骨的生物力學特性和咬合力的加載方式等。相對于其它因素而言，種植體的宏觀結(jié)構(gòu)對咬合力傳導的影響更為明顯，并且在臨床上更易選擇和控制。 目前，國內(nèi)市場上主流的種植系統(tǒng)仍以進口產(chǎn)品為主，其價格高昂，在很大程度上限制了其應用。這就迫切要求國內(nèi)研發(fā)單位開發(fā)生產(chǎn)出具有自主知識產(chǎn)權的高品質(zhì)、低價位的種植系統(tǒng)。目前，種植系統(tǒng)的開發(fā)設計研究

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。國內(nèi)外的學者在這些領域里進行了大量的研究，但關于種植體宏觀結(jié)構(gòu)生物力學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)果對于開發(fā)設計帶有詳盡參數(shù)的種植體產(chǎn)品而言，并不具有充分的指導意義。 本課題旨在借助Pro/E 和Ansys Workbench 的機械工程優(yōu)化設計方法，從生物力學角度，模擬不同載荷條件下，對種植于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）進行系統(tǒng)的優(yōu)化設計分析。以期進一步認識種植體宏觀結(jié)構(gòu)參數(shù)在其生物力學傳遞中的作用，了解種植體宏觀結(jié)構(gòu)各個參數(shù)對其生物力學傳遞影響大小的排序。同時提供種植體開發(fā)生產(chǎn)所需的詳細宏觀結(jié)構(gòu)參數(shù)，為臨床優(yōu)化設計開發(fā)和選擇種植體提供理論參考。 實驗一：應用Pro/E參數(shù)化建模軟件，繪制種植體、皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、冠修復體的三維實體模型，應用Pro/E的自

5、適應裝配功能，建立可隨種植體宏觀結(jié)構(gòu)參數(shù)自適應改變的種植體骨塊三維實體模型。應用Pro/E與AnsysWorkbench軟件的無縫雙向參數(shù)傳遞功能，將實體模型導入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)自適應改變的種植體骨塊三維有限元模型，力學加載后進行模型準確性的檢測。該模型的建立為后期真正意義上的種植體優(yōu)化設計提供了技術平臺。 實驗二：設定種植體直徑(D)和長度(L)為設計變量（Design

6、 Variable，DV），D 變化范圍為3.0-5.0mm，L 變化范圍為6.0-16.0mm，設定頜骨平均主應力（Equivalent 應力，EQV 應力）峰值和種植體-基臺復合體位移峰值為目標函數(shù)（Objective Function，OBJ），觀察DV 變化對OBJ 的影響。同時進行OBJ對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，皮、松質(zhì)骨的EQV 應力峰值分別降低77.

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

8、種植體的穩(wěn)定性；在臨床上選擇種植體時，種植體直徑應不小于3.9mm，種植體長度應不小于9.5mm。 實驗三：設定種植體錐度（T）為DV，T 變化范圍為00-2.50，OBJ 設定同實驗二，觀察DV 變化對OBJ 的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著T 的減小，AX 加載時，皮、松質(zhì)骨的EQV 應力峰值分別降低11.1％和22.2％；BL 加載時，皮、松質(zhì)骨的EQV 應力峰值分別降低了12.0％和16.6％；AX 和BL 加載時，種植體-基臺

9、復合體位移峰值分別降低了12.6％和12.4％。在各種加載下，當T 小于1.20 時，DV 的響應曲線切斜率位于-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)設計。 實驗四：設定種植體頸部錐度(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 設定同實驗二，觀察指標同實驗二。 結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著T 和R 的變化，AX 加載時，皮、松質(zhì)骨的EQV

10、 應力峰值分別降低71.6％和11.0％；BL 加載時，皮、松質(zhì)骨的EQV 應力峰值分別降低了69.2％和14.8％；AX 和BL 加載時，種植體-基臺復合體位移峰值分別降低了9.1％和22.8％。在各種加載下，當T 介于640 至730，同時R 大于0.8mm時，單DV 的響應曲線切斜率位于-1 和1 之間。通過OBJ 對DV 的敏感度分析發(fā)現(xiàn)，T 比R 對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，同時末

11、端倒角大于0.8mm 時為圓柱狀種植體的最優(yōu)設計。 實驗五：設定種植體螺紋高度(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 設定同實驗二，觀察指標同實驗二。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著H 和W 的變化，AX 加載時，皮、松質(zhì)骨的EQV 應力峰值分別降低4.1％和38.7％；BL 加載時，皮、松質(zhì)骨的EQV 應力峰值分別降低了16.4％和54.1％；AX 和BL 加載時，種植體-基臺

12、復合體位移峰值分別降低了46.0％和35.2％。在各種加載下，當H 介于0.33mm 至0.48mm 之間，同時W 介于0.18mm 至0.30mm 之間時，單DV 的響應曲線切斜率位于-1 和1 之間。通過OBJ 對DV 的敏感度分析發(fā)現(xiàn)，H 比W 對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，同時螺紋寬度介于0.18mm 至0.

13、30mm 時為螺紋種植體的最優(yōu)選擇。 實驗六：設定種植體螺紋螺距（P）為DV，P 變化范圍為0.5-1.6mm，OBJ 設定同實驗三，觀察指標同實驗三。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著P 的變化，AX 加載時，皮、松質(zhì)骨的EQV 應力峰值分別降低6.7％ 和55.2％；BL 加載時，皮、松質(zhì)骨的EQV 應力峰值分別降低了2.7％和22.4％；AX 和BL 加載時，種植體-基臺復合體位移峰值分別降低了22.3％和13.0％。在各種加載下，當P 大

14、于0.8mm 時，DV 的響應曲線切斜率位于-1 和1 之間。結(jié)果提示，螺紋種植體螺距最優(yōu)設計應不小于0.8mm。 實驗七：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)。 對所有模型進行頜骨應力分布和種植體-基臺復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。 實驗八：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，觀察指標同實驗七。結(jié)果表明，AX加載下，雙螺紋皮、松質(zhì)骨的EQV應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應力峰值比單螺紋增加了9.

16、1％，三螺紋松質(zhì)骨的EQV應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)螺紋設計。 實驗九：設定種植體穿齦高度（H）為DV，H變化范圍為1.0-4.0mm，OBJ設定同實驗三，觀察指標同實驗三。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著H的變化，AX加載時，皮質(zhì)骨的EQV應力峰值降低了4.7％；BL加載時，皮、松質(zhì)骨的EQV應力峰值分別降低了17.3％和18.5％；在AX和BL加載下，種植體-基臺復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H介于1.7mm和2.8mm之間時，DV的響應曲線切斜率位于-1和1之間。結(jié)果提示，種植體穿齦高度最優(yōu)設計應介于1.7mm和2.8mm之間。 綜上所述，依照宏觀結(jié)構(gòu)參數(shù)對種植體生物力學傳遞影響的大小排序如下：種植體直徑、長度、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，長度大于9.5mm，螺紋高度介于0.