种植体形态影响稳定性的生物力学研究

种植体形态影响稳定性的生物力学研究
三维有限元方法是研究种植体生物力学的较好方法。

种植体形态影响种植体稳定性是众多学者们研究的热点，本文就近年来对种植体形态影响种植体稳定性的生物力学研究作一综述。

标签：种植体形态；稳定性；生物力学；三维有限元
种植体的稳定性是评价种植成功率的主要指标。

造成种植修复失败、种植体脱落的主要原因之一是由于应力集中引起某个点负荷过大，使种植体-骨界面过负荷，从而导致的种植体周围骨吸收。

这说明种植义齿的成功要求种植体应具备良好的生物相容性和生物力学相容性。

众多学者对影响种植体稳定性因素做了多种角度和多种方法研究，三维有限元方法是较好的研究方法之一。

本文就近年来对种植体形态影响种植体稳定性的生物力学研究作一综述。

1种植体形态对稳定性的影响
目前临床上常见的种植体外形有圆柱形、根形、阶梯形、楔形和锥形这几种。

Holmgren等［1］采用有限元分析比较了阶梯形种植体和圆柱形种植体的应力分布，认为阶梯形圆柱状种植体比直线形圆柱状种植体更有利于种植体-骨界面的应力分布。

Siegele等［2］对圆柱形、锥形、阶梯形和螺纹种植体进行了三维有限元分析，认为种植体外形对于骨内应力分布影响显著，锥形或阶梯形种植体比圆柱形、螺纹种植体在骨内产生的应力要大得多。

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讨论，大部分学者倾向于选择螺纹型种植体［3~5］。

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［6］。

2种植体直径和长度对稳定性的影响
种植体直径增大，种植体的表面面积增加，种植体的固位能力增强，有利于咀嚼功能的恢复。

通常情况下种植体的长度越长、直径越大，获得的成功率越高。

但骨质和骨量的因素往往限制了对种植体长度和直径的选择［7］。

Riger［8］对11种不同大小、形态种植体的有限元研究发现，种植体直径和长度的增加可以使骨内应力降低，稳定性增加，但是过大的种植体又会导致骨内应力增加，稳定性降低。

他认为过大和过小的种植体对骨组织均是不利的。

为获得最大限度的稳定性,种植体需要尽可能多获得颊舌侧骨板支持,对于牙列缺损或单颗牙缺失的患者,种植体的直径要能适应自然牙的间隙。

另有学者运用三维有限元方法研究表明［9］，随直径的增大，种植体骨界面的应力值降低，以直径从3.3 mm增大到4.1 mm时改变最为显著。

采用即刻负载技术的螺纹种植体大小至少要选择4.1 mm×10 mm以上，而且要尽量避免受到非轴向力，才有利于种植体稳定。

但也
有不同的观点，如Meljer等［10］通过三维有限元法证明骨界面应力受种植体长短的影响不大，而受下颌骨高度的影响较大。

赖红昌等［11］用CT扫描图像建立三维有限元种植模型，研究不同长度种植体在垂直、斜向、水平三种负载条件下周围骨界面的应力分布，结果发现：种植体长度增加两倍左右，种植体骨界面最大应力区颈部的最大应力值只下降10%左右，该研究认为种植体长短对骨界面最大应力值影响不大，对初期稳定性影响不大。

3螺纹种植体的螺纹设计对稳定性的影响
3.1螺纹形态种植体表面螺纹的几何形态对种植体的初期稳定性及骨结合率有着潜在的影响。

从力学角度看，种植体螺纹形态的不规则和螺旋特点是引起界面应力集中的主要原因。

种植体螺纹齿牙尖处由于截面的突然缩小，因而在齿牙顶出现应力集中，逐渐远离齿牙顶部则应力分布趋于相对均匀。

所以种植体螺纹设计为全螺纹分布较佳，从中1/3开始对螺纹行截齿处理，向种植体末端移行，齿牙高度逐渐降低，从而减少种植体底部的应力集中。

(1)有学者建立三角型和锯齿型螺纹种植体植于建立的下颌骨的三维有限元模型中，分析种植体的位移和界面骨的应力分布，发现锯齿型螺纹种植体的稳定性比三角型螺纹好［12］，还有学者研究认为矩型、锯齿型比V型螺纹设计更能增加种植体垂直向初期稳定性，但3种螺纹形态三维模型的水平向微动则相差不明显。

(2)Steigenga等认为，螺纹横切面为方形的种植体比V型横切面的种植体能够获得更好的骨结合率，用三维有限元方法测量得出的旋出扭矩值也更大，推测方形螺纹的种植体也许能够获得更好的初期稳定性。

(3)还有学者［13］建立了12种包含不同螺纹形态种植体的颌骨骨块三维有限元模型，探讨圆柱形螺纹种植体螺纹形态对骨组织应力分布的影响，该学者认为就种植体稳定性而言，圆柱形种植体的最佳螺纹设计应为反支撑螺纹。

3.2螺距（1）通常认为通过减小螺距增加螺纹密度可增加种植体受力和承载面积,使稳定性增强。

但理论上并不是螺距越密越好。

螺距较密时对骨界面破坏较多,使种植体-骨界面应力增大,导致骨疲劳性损伤［14］。

相同螺纹型的不同螺距的种植体外形主要有两点不同，一是螺纹的密度不同，随着螺距的增加，螺纹变得更稀疏；二是螺纹的旋转角度不同，随着螺距的增加，旋转角度变得更大。

不同螺距种植体的稳定性受这两个因素综合影响，研究表明当水平载荷下螺纹种植体颈部综合相对位移远大于垂直载荷下颈部的综合相对位移［15］。

（2）马攀等［16］比较了三种单螺纹、双螺纹、三螺纹在分别垂直和水平加载时对种植体初期稳定性的影响。

结果发现螺纹的螺距、螺纹旋转角度和密度均对垂直向相对位移有影响。

在垂直载荷下种植体初期穩定性的位移与螺距、螺纹旋转角度呈正变关系，与螺纹密度呈反变关系。

水平加载时，螺纹的螺距以及螺纹的旋转角度和密度对种植体颈部稳定性的影响不大。

（3）另有学者用三维有限元方法分析不同螺距种植体-骨界面应力分布状况，结果表明：螺距为0.8 mm种植体周围V on-Mises应力、拉应力、压应力峰值较小，应力分布最均匀；同一螺距种植体斜向载荷下应力显著高于垂直载荷；应力集中主要出现于种植体颈部、皮质骨上缘和种植体末端最下一个螺纹处［17］。

（4）王珑等［18］建立了包含圆柱状V 形螺纹种植体的颌骨骨块三维有限元模型，从生物力学方面考虑，提出圆柱状螺纹种植体相对于螺纹宽度而言应更重视螺纹高度的设计。

有研究发现，不同螺纹
间距对种植体骨界面应力分布无明显影响，但是螺纹顶角角度的改变，可以导致种植体在支持组织的应力分布水平的改变，螺纹顶角为60°的种植体应力分布较合理［19］。

4种植体角度基台
有学者运用三维有限元方法研究上颌前牙区种植体的各角度基台的应力分布，建议前牙为了远期成功率最大不要超过25°的角度基台；使用大于25°角度基台时也应适当减少其所受牙合力，而后牙基台最佳角度尚未有研究报道。

5种植体基桩连接
种植体-基桩的连接方式决定着其就位、连接强度、抗旋转性等，该界面的稳定性是影响种植义齿成功的一个重要因素。

有资料表明，当种植体基桩部分与植入体部分通过螺钉旋入方式连接固定，修复体在承受牙合力时，应力集中于这一连接处，特别是侧向力作用时，基桩与植入体之间出现较大的剪切力，造成螺钉的折断。

有学者利用三维有限元方法比较Spline、外六边、内六边及莫氏锥度连接方式的种植体、基桩及中央螺钉在预负荷、垂直载荷200 N、500 N及斜向载荷100 N作用下的应力分布。

发现中央螺钉的最大应力值位于螺钉头部与螺杆交接处；Spline种植体的最大应力值位于突起根部，该连接方式的中央螺钉的应力值高于种植体和基桩；Spline连接方式可以起到弱连接的作用，即中央螺钉在其他部件破坏之前发生屈服或折断，从而达到保护其他部件的目的［20］。

种植体在初期负载一年后骨吸收接近于种植体与骨结合的第一个螺纹处，其机制普遍解释为生物学宽度或者是种植体与骨界面的高应力所致［21］。

但临床观察发现，使用直径窄的基台连接到种植体，可以减少牙槽骨的吸收，提出了平台转换的概念，Maeda等利用MSC软件简化的三维有限元模型发现具有平台转换的种植系统能够降低种植体与骨之间的剪切力，能减少种植体颈部的骨吸收，但同时也使应力集中在基台或中央螺丝上，增加了基台或中央螺丝折断的可能性［22］。

有学者用有限元分析法切换几种种植体基台配置来评估平台的生物力学。

结果表明平台转换，在水平方向骨应力相对较弱，而其余种植体基台对种植体有显著的骨应力，可能超载导致植入体周围牙槽骨吸收，影响种植体稳定性。

6种植体的植入领设计
Shen等建立螺纹种植体三种植入领设计（发散型，直型，收敛型）在四类骨质的有限元模型进行应力研究，结果表明不同的骨密质会影响植入领设计。

在密质骨中，发散型的植入领设计比其他两种具有最低的应力和应变浓度。

在种植生物力学领域，有限元法是把种植体的力学参数和受力状况简化以后的一种假设的、理想化的状况，其结果具有较高的临床参考价值。

但种植修复技术的三维有限元研究目前并不够深入，且由于颌骨形态复杂及实验人员的设计理念差异等因素使得建立模型没有通用的标准。

尚有许多影响因素没有被发现，有待进一步研究。

参考文献
［1］Holmgren EP,Seckinger RJ,Kilgren LM,et al.Evaluating parameters of osseointegrated dental implants using finite element analysis:a two-dimensional comparative study examining the effects of implant diameter,implant shape and load direction. J Oral Implantol,1998,24(2):80-88.
［2］Siegele DS,Soltsz U.Numerical investigations of the influence of implant shape on stress distribution in the jaw bone.Int J Oral Maxillofac Implants,1989,(4):40-45.
［3］Rubo JH,Souza EA.Finite element analysis of stress in bone adjacent to dental implants.J Oral Implantol,2008,34(5):248-255.
［4］Nagasao T,Miyamoto J,Jin H,et al.The dynamics in implantation for patients with clefts．Cleft Palate Craniofac J，2006,43(1):84-91.
［5］Bevilacqua M,Tealdo T,Pera F,et al.Three dimensional finite element analysis of load transmission using different implant inclinations and cantilever lengths.Int J Prosthodont,2008,21(6):539-542.
［6］Gapshi R,Wang HL,Mascarenhas P,et al.Critical review of immediate implant loading.Clin Oral Implants Res,2003,14(5):515-527.
［7］Renouard F,Nisand D.Clin Oral Implants Res,2006,17(Suppl2):35-51．
［8］Rieger MR,Adams WK,Kinzel GL.A finite element survey of eleven endosseous implants.J Prosthet Dent，1990,63(4):457-465.
［9］Iplikcioglu H,Akca parative evaluation of the effect of diameter．1ength and number of implants supporting three-un itfixed panial prostheses on stress distribution in the bone．J Dent，2002，30(1):41-46．
［10］張少锋,马轩样,欧阳官,等.种植全口义齿的应力分布特点.实用口腔医学杂志,1997,13(3):194-196.
［11］赖红昌,熊焕国,薛森,等.不同长度种植体对骨界面应力影响的三维有限元分析.上海口腔医学,1997,6(1):20.
［12］杨德圣.骨质量和种植体螺纹对种植稳定性影响的三维有限元分析.口腔颌面修复学杂志,2005,6(2):118-120.
［13］孔亮,刘宝林.不同螺纹形态种植体对颌骨应力影响的三维有限元比较研究.口腔医学研究,2006,22(2):155-158.
［14］孔亮,刘宝林,胡开进,等.螺纹种植体螺距的优化设计和应力分析.华西口腔医学杂志,2006,24(6):509-515.
［15］Gapski R,Wang HL,Mascarenhas P,et al.Critical review of immediate implant loading．Clin Oral Implants Res，2003，14(5)：515-527．
［16］马攀,刘洪臣,李德华,等.螺纹旋转角度和密度对种植体初期稳定性影响的三维有限元研究.中华口腔医学杂志,2007,42(10):618-619．
［17］赵静辉,周延民.不同螺距种植体集中载荷的有限元分析.实用口腔医学杂志,2009,25（6）:820-823.
［18］王珑,樊杨.圆柱形螺纹种植体螺纹的优化设计和应力分析.牙体牙髓牙周病学杂志,2008,18(1):15-19.
［19］兰泽栋,林珠,龙红月,等.支抗种植体不同螺纹顶角对骨界面应力分布的影响.广东牙病防治,2003,4:259-261.
［20］黄茜,王聪,王少安.种植体-基桩界面结构的三维有限元应力分析.重庆医学,2011,39(8):947．
［21］Duyck J,Naert I,Ronold HJ,et al.The influence of static and dynamic loading on marginal bone reactions around osseointegrated implants:an animal experimental study.Clin Oral Implants Res,2001,12(3):207-218.
［22］丁熙,朱形好,廖胜辉,等.下颌牙种植体即刻加载三维有限元模型的建立.上海口腔医学,2006,15(4):391-394.
［23］Canullo L,Pace F,Coelho P,et al.The influence of platform switching on the biomechanical aspects of the implant-abutment system.A three dimensional finite element study.Med Oral Patol Oral Cir Bucal,2011,15.。