不同螺紋深度微小種植體的生物力學(xué)三維有限元研究.doc

不同螺紋深度微小種植體的生物力學(xué)三維有限元研究作者：林東，林珊，陳江，郭金泉【摘要】目的分析不同螺紋深度微小種植體骨界面的生物力學(xué)變化，為微小種植體的設(shè)計(jì)和臨床應(yīng)用提供科學(xué)的理論依據(jù)。方法采用ANSYSWorkbench有限元軟件，建立不同螺距深度的六個(gè)三維有限元模型，分別在模型上計(jì)算出不同螺紋深度的微小種植體骨界面的VonMises應(yīng)力及位移分布狀況。結(jié)果不同螺紋深度的微小種植體VonMises應(yīng)力及位移的分布均集中于種植體頸部骨皮質(zhì)區(qū)，種植體的VonMises應(yīng)力值及位移值均較小。螺紋深度的不同對(duì)微小種植體骨界面VonMises應(yīng)力值、位移值有影響，螺紋深度為0.2mm的微小種植體VonMises應(yīng)力峰值、位移峰值最小。結(jié)論本實(shí)驗(yàn)建立的微小種植體骨組織三維有限元模型具有良好的幾何相似性，可對(duì)微小種植體及其支持骨組織進(jìn)行精確的生物力學(xué)分析，螺紋深度為0.2mm的微小種植體具有較好生物力學(xué)特性?！娟P(guān)鍵詞】模型,解剖學(xué)；牙應(yīng)力分析；生物力學(xué)；牙種植；牙種植體；有限元分析AThreeDimensionalFiniteElementAnalysisontheInfluenceofDifferentDepthofThreadonBiomechanicalPropertiesofMicroImplantBoneInterfaceLINDong，LINShan，CHENJiang,GUOJinquan1.DepartmentofStomatology,FujianProvincialFrontierDefenseCorpsHospital,Fuzhou350003,China；2.DepartmentofStomatology，TheFirstAffiliatedHospital，F(xiàn)ujianMedicalUniversity,Fuzhou350005,China；3.DepartmentofStomatology，TheAffiliatedStomatologicalHospital,FujianMedicalUniversity,Fuzhou350002,China；4.CollegeofMechanicalEngineeringandAutomation,FuzhouUniversity,Fuzhou350108,ChinaABSTRACT:ObjectiveToestablishthreedimensionalfiniteelementmodelsformicroimplantboneandtoanalyzetheinfluenceofdifferentdepthofthreadonthebiomechanicalcharacteristicsofmicroimplantboneinterface,withthepurposeofprovidingscientifictheoreticalbasisforthedesignandclinicalapplicationofmicroimplants.MethodsByusingthecommercialcodeofANSYSWorkbenchsoftware,threedimensionalfiniteelementmodelsofmicroimplantbonecomplexwerebuiltuptoanalyzetheinfluenceofthreadofdifferentdepthonthebiomechanicalpropertiesofmicroimplantboneinterface.ResultsInallthecases,boththeVonMisesanddisplacementfocusedonthecorticalareaofcervixofthemicroimplants.ThevaluesofVonMisesstressanddisplacementwereverysmall.DifferentdepthofthreadinfluencedthevaluesofVonMisesstressanddisplacement.Thedepthofthethreadedimplantof0.2mmresultedintheminimumstressanddisplacementvalues.ConclusionThethreedimensionalfiniteelementmodelsformicroimplantboneestablishedinthestudyshowfavourablegeometricalsimilarity,whichcanhelptomakeadetailedbiomechanicalanalysisofmicroimplantsandtheirsupportingbonetissue.Themicroimplantwiththreadofthedepthof0.2mmwouldhavebetterbiomechanicalproperties.KEYWORDS:models,anatomic；dentalstressanalysis；biomechanics；dentalimplantation；dentalimplants；finiteelementanalysis目前臨床上使用的微小種植體多為螺紋型種植體，對(duì)于微小種植體螺紋形態(tài)的研究較少。本文運(yùn)用三維有限元法探討不同螺紋深度微小種植體骨界面的VonMises應(yīng)力和位移分布的特點(diǎn)，以期尋找出微小種植體適宜的螺紋深度，為種植體的設(shè)計(jì)和臨床應(yīng)用做參考。1材料和方法1.1微小種植體骨組織三維有限元模型建立1.1.1微小種植體三維實(shí)體模型建立參照文獻(xiàn)1設(shè)定微小種植體外形：微小種植體為外徑1.5mm，長度11mm，螺紋頂角60，螺距1.0mm的刃狀螺紋圓柱形螺釘，設(shè)定種植體植入骨組織長度為8mm。按照上述尺寸，以螺紋深度為變量，利用SOLIDWORKS畫圖軟件繪出螺紋深度為0.1mm、0.15mm、0.20mm、0.25mm、0.3mm、0.35mm6個(gè)微小種植體三維實(shí)體模型。1.1.2骨組織三維實(shí)體模型建立骨組織外形的設(shè)定將其簡化為長方體骨塊尺寸：長度10mm，寬度10mm，高度15mm。長方體骨塊上部設(shè)置為皮質(zhì)骨層,下部設(shè)置為松質(zhì)骨層，皮質(zhì)骨層厚度為1.6mm、松質(zhì)骨層厚度為13.4mm。按照上述尺寸，利用SOLIDWORKS畫圖軟件繪出骨塊三維立體幾何模型。并在骨塊中以六個(gè)微小種植體實(shí)體模型的螺紋形態(tài)分別繪制出包含不同螺紋形態(tài)的種植窩的6個(gè)骨組織三維實(shí)體模型。1.1.3微小種植體骨組織三維實(shí)體模型的建立微小種植體的實(shí)體模型與骨實(shí)體模型在SOLIDWORKS軟件內(nèi)裝配形成微小種植體骨組織的三維實(shí)體模型，利用ANSYS軟件的CAD數(shù)據(jù)接口，將SOLIDWORKS軟件生成的實(shí)體模型文件直接導(dǎo)入ANSYSWorkbench有限元軟件進(jìn)行有限元分析。1.2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)微小種植體及骨皮質(zhì)材料均設(shè)置為線性、彈性、各向同性的均質(zhì)連續(xù)材料,材料受力變形為小變形,種植體和骨組織之間為100%的骨結(jié)合。1.3材料力學(xué)參數(shù)微小種植體材料設(shè)為鈦，其彈性模量為103400MPa，泊松比為0.34，骨皮質(zhì)彈性量為13700MPa，泊松比為0.33，骨松質(zhì)彈性模量為1500MPa，泊松比為0.30。1.4邊界條件在簡化的模型上設(shè)定邊界條件，由于微小種植體周圍硬組織設(shè)定為連續(xù)體，所以在約束中，除了微小種植體植入的1個(gè)面以外，骨模型長方體的其余5個(gè)面節(jié)點(diǎn)全部約束。1.5定義單元屬性及網(wǎng)格劃分種植體及骨的單元類型均設(shè)置為solid187。用ANSYS自適應(yīng)網(wǎng)格劃分功能對(duì)模型進(jìn)行智能尺寸網(wǎng)格劃分，結(jié)合手動(dòng)調(diào)節(jié)單元大小數(shù)值，使種植體、骨塊幾何尺寸不受單元?jiǎng)澐值挠绊?，生成微小種植體骨組織三維有限元模型。1.6載荷條件在距微小種植體頭部1.25mm處加載載荷為150g，與微小種植體長軸夾角為60的斜向下的力。2結(jié)果2.1微小種植體應(yīng)力值微小種植體的VonMises應(yīng)力主要集中在種植體骨界面的頸部1.6mm骨皮質(zhì)處，VonMises應(yīng)力值較大，應(yīng)力衰減明顯，在松質(zhì)骨區(qū)內(nèi)應(yīng)力值很小，應(yīng)力衰減緩慢，螺紋深度為0.2mm的微小種植體VonMises應(yīng)力峰值最小（表1）。表1不同螺紋深度微小種植體骨界面VonMises應(yīng)力值（略）2.2微小種植體位移值微小種植體頸部骨皮質(zhì)區(qū)有較大的位移值，位移值衰減明顯，在松質(zhì)骨區(qū)位移值較小，位移值衰減緩慢,螺紋深度為0.2mm的微小種植體位移峰值最?。ū?）。表2不同螺紋深度微小種植體骨界面位移值（略）3討論國內(nèi)外學(xué)者圍繞著何種形態(tài)結(jié)構(gòu)的種植體才具有最佳的生物力學(xué)效應(yīng)做了較多研究，大部分學(xué)者傾向于選擇螺紋型種植體13。與傳統(tǒng)的柱狀種植體相比，螺紋型種植體具有機(jī)械鎖結(jié)固位作用、表面積大的特點(diǎn)，有利于骨愈合。對(duì)已發(fā)生骨結(jié)合的種植體，螺紋設(shè)計(jì)能將軸向的拉或壓應(yīng)力載荷，通過螺紋斜面以壓應(yīng)力方式傳遞到周圍骨質(zhì)，有利于骨結(jié)合界面的長期維持穩(wěn)定4。Hurson等對(duì)螺紋種植體進(jìn)行了工程力學(xué)分析，系統(tǒng)闡述了螺紋設(shè)計(jì)原則、材料強(qiáng)度、力學(xué)疲勞分析并提出了螺紋的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)5。蘭則棟等認(rèn)為刃狀螺紋種植體的骨界面應(yīng)力最小，刃狀螺紋型種植體比較適合做口腔支抗種植體6。研究表明，種植體的螺紋形態(tài)對(duì)種植體骨界面應(yīng)力分布有較大的影響。以往的研究多以牙種植體作為研究對(duì)象，牙種植體的直徑35mm、長度718mm，微小種植體臨床應(yīng)用直徑一般在1.22.3mm、長度514mm，兩者在直徑上存在巨大差異，在載荷方面牙種植體承載的是咀嚼力，力值較大，而微小種植體多為持續(xù)水平向力和斜向力，力值較小。本組結(jié)果提示，隨著微小種植體螺紋深度的增大，種植體的VonMises應(yīng)力峰值未呈明顯的線性遞增趨勢。但最大應(yīng)力峰值與最小應(yīng)力峰值相差1.296倍，說明不同的螺紋深度對(duì)微小種植體骨界面VonMises應(yīng)力有影響。以螺紋深度0.2mm種植體的VonMises應(yīng)力峰值為最低。隨著微小種植體螺紋深度的增大，種植體的位移峰值未呈明顯的線性遞增趨勢，但最大位移峰值與最小位移峰值相差1.17倍，說明螺紋深度的不同對(duì)微小種植體骨界面位移值有影響。以螺紋深度0.2mm的位移峰值為最低點(diǎn)。臨床上種植體松動(dòng)、脫落是種植失敗的常見結(jié)果。微小種植體與牙種植體相比種植失敗最大的不同是折斷，這是由于微小種植體體積小，應(yīng)力集中所造成的。從機(jī)械力學(xué)的角度來看，微小種植體在直徑不變的情況下，隨著種植體螺紋深度的增大，種植體的內(nèi)徑將減少，其抗折性就減小。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果上看，微小種植體螺紋深度的改變對(duì)微小種植體骨界面VonMises應(yīng)力值和位移值有影響。由此可見無論從生物力學(xué)還是從機(jī)械力學(xué)的角度上看，臨床上不宜選用螺紋深度過大的微小種植體。但螺紋深度過小種植體應(yīng)力和位移也會(huì)增加，而且也減少了螺紋種植體與骨組織的機(jī)械固位作用。本實(shí)驗(yàn)表明，不同螺紋深度微小種植體在150g正畸力作用下，微小種植體VonMises應(yīng)力及位移的分布均集中于種植體頸部骨皮質(zhì)區(qū)，種植體的VonMises應(yīng)力值及位移值均較小，螺紋深度為0.2mm的微小種植體的VonMises應(yīng)力峰值和位移峰值最小，具有較好生物力學(xué)特性?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】1RuboJH,SouzaEA.FiniteelementanalysisofstressinboneadjacenttodentalimplantsJ.JOralImplantol,2008,34(5):248255.2NagasaoT,MiyamotoJ,JinH,etal.ThedynamicsinimplantationforpatientswithcleftsJCleftPalateCraniofacJ，2006,43(1):8491.3BevilacquaM,TealdoT,PeraF,etal.ThreedimensionalfiniteelementanalysisofloadtransmissionusingdifferentimplantinclinationsandcantileverlengthsJ.IntJPr