種植義齒下部結構生物力學研究進展
發布時間：2011-08-26 共1頁
摘要種植義齒的生物力學相容性是影響種植義齒的遠期成功率的主要因素之一。本文從種植材料、種植體形態、種植體表面結構、種植數量、種植體在頜骨內的排列與分布、受植區頜骨的形態結構等方面對種植義齒下部結構的生物力學特性作一綜述。自Branemarkr提出骨結合理論以來，種植義齒已成功地應用于臨床，解決了以往傳統義齒……
自Branemarkr提出骨結合理論以來，種植義齒已成功地應用于臨床，解決了以往傳統義齒的固位、舒適等問題，取得較好的修復效果。但臨床上仍常出現種植體周圍骨組織吸收、種值體斷裂、松動、脫落等問題[1，2].許多學者認為種植義齒的生物力學相容性是影響種植義齒遠期成功率的主要因素之一。本文對種植義齒下部結構生物力學研究概況作一綜述。
1 種植材料對種植義齒生物力學的影響
Nishihara等[5]通過動物實驗研究表明種植體周圍骨內的應力分布與種植材料的性質、材料的彈性模量關系不大，而是多的與種植體的形態、頜骨的形態及結構有關。Rieger等用三維有限元法（finite element method，FEM）分析，也得出相類似的結果。但從生物力學的觀點來看，不同材料和不同彈性模量的種植體對應力在種植體骨界面的分布是有影響的。鄒敬才等[4]用有限元法在5種不同彈性模量、相同的負荷條件下，對單螺旋形種植體骨界面的應力分布規律作比較，結果表明種植體的彈性模量越高，種植體頸周骨內應力越小，而根端骨內應力越大；種植體彈性模量越低，種植體與骨界面的相對位移運動就越大。適宜的種植體的彈性模量在70000MPa以上。
由于金屬及金屬合金材料具有優良的生物力學性能而被廣泛應用于種植體的制作，其中鈦與鈦合金等被認為是最合適的種植材料。近年來許多學者研究了用生物陶瓷作為種植材料[5]，認為生物陶瓷種植體在植入后的始階段可以獲得較鈦及其合金更好的生物相容性，但在行使功能后終因生物陶瓷本身力學上的易碎性導致生物陶瓷種植體生物力學的相容性較差，Glantz等[6]通過實驗也證實了陶瓷種植體和陶瓷涂層的種植體因生物力學上有較差的相容性導致種植后較高的失敗率。
2 種植體的形態對種植義齒生物力學的影響
Victor[7]用三維有限元法對3種不同種植體系統（Branemark系統、Bud系統、IMZ系統）的不同形態的種植體，在不同的加載條件下，種植體周圍骨內的應力分布情況進行了研究。結果表明3種不同種植體周圍骨內最大應力均位于種植體頸部周圍和種植體翼的下方，且越近種植體根尖部，骨內應力越小。種植體的翼可以減少應力在種植體及其周圍骨內的分布，去掉翼不但增大種植體頸部骨的應力，而且將改變整個應力分布的情況。在其他因素不變的情況下，增大種植體頸部直徑，種植體周圍皮質骨內應力大大降低，故認為種植體頸部的直徑對種植體周圍的應力分布水平影響最大，兩者呈負相關。岑遠坤等[8]對葉狀與柱狀種植體支持的全下頜種植覆蓋義齒在不同牙位下應力分布的情況進行了研究，結果表明葉狀種植體與柱狀種植體應力分布的基本規律相似，種植體頸部以及其周圍的骨皮質界面均為應力集中區。但葉狀種植體在其頰舌面與近遠中面交界的尖銳線角處，應力集中更明顯，其骨界面的應力峰值均大于柱狀種植體。Holmgren等[9]研究認為圓錐形種植體比圓椎狀種植體更有利于種植體骨界面的應力分布，黃輝等[10]研究認為螺旋形種植體螺旋頂角的改變可以導致種植體在支持組織內應力分布水平的變化，并指出螺旋頂角為60o的種植體應力分布最合理。
3 種植體的表面結構對種植義齒生物力學的影響
有學者從生物力學角度研究認為表面有微孔的種植體會形成更好的種植體-骨界面結合，當孔徑為50-200μm時可獲得最佳的結合強度。陳安玉[11]研究表明由于表面微孔的存在，可在種植體骨界面形成機械的鎖結作用，從而改變微界面應力的作用方式，使得在大界面上每一個區域均有小界面的壓應力存在，使拉應力和剪應力轉變為壓應力；另一方面微孔增加了界面的接觸面積，降低了平均應力水平，從而更有利于應力的合理分布。
近年來許多學者提出種植體表面的生物活性涂層可以誘導骨性結合。Michael等[12]經臨床觀察報告HA涂層種植體成功率（7-8年）達97.5%，Adell認為HA涂層種植體有利于早期愈合。有學者研究表明BTG鈦基復合種植體植入頜骨內后，早期固位優于鈦種植體，具有較高的界面結合強度，并且在界面上可產生化學結合、金屬結合、機械結合3種方式。但也有資料提示隨著種植體接受功能負荷時間的延長，成功率下降，臨床上亦出現涂層與鈦芯結合強度不足導致涂層剝落者。
4 種植體的數量以及在頜骨內的排列與分布對種植義齒生物力學的影響
種植義齒由多個種植體支持時，應力分布情況由種植體的數量，種植體在頜骨內的方向、排列所決定。一般認為種植體的數目越多，每個種植體上承擔的應力就越小。Skalak研究認為多個種植體支持的種植義齒當受到水平方向力作用時，力量可以較均勻地分散到各個種植體，且分散到每個種植體上的力量要小于總作用力。當垂直方向力作用于種植義齒時，力量不會均勻地分散到每個種植體，越靠近作用力點的種植體受力越大。
對于全口種植義齒，Skalak認為4-6枚種植體即可支持全口固定種植義齒。Bschwartzman研究表明4個或5個種植體支持的全頜種植義齒在應力分布規律上無差異，并認為當垂直負荷作用于全頜種植義齒遠端懸臂梁時，最靠近懸臂梁端的種植體產生的應力最大。Davis通過實驗研究得出相似的結果。Osier[13]用靜態工程原理分析進一步指出最靠近懸臂梁的種植體所承受的負荷通常是總負荷的2.5-5倍，是非懸臂梁狀態的1.75-3.5倍，主要承受的是壓應力，而遠離懸臂梁端的種植體主要承受張應力。懸臂梁越長，末端種植體所受的應力越大，故認為在種植義齒設計時，應盡量避免使用懸臂梁，如一定要使用懸臂梁時，種植體應盡量離散，且懸臂梁的長度不能超過種植所能承受的范圍。
Federick等[14]用光彈法研究了由2個種植體支持的全頜種植義齒的應力分布，結果表明種植體在頜骨內應垂直于牙平面并平行放置，以利于牙力通過種植體垂直傳遞，減少種植體的力矩和界面過大應力。但臨床上為取得共同的就位道，往往使種植體之間形成一定角度，Naert等[15]指出在同一牙弓中種植體之間的相互偏差角度不宜超過20o，以使負荷沒種植體長軸傳導。Hertey等[16]研究表明，種植體在頜骨內的分布呈曲線型排列較直線型排列者界面的應力要小，種植體為直線型排列縮小了其后方向的分散程度，導致游離臂和抗力臂比例增大。
5 受植區頜骨的形態結構對種植義齒生物力學的影響
從生物力學觀點看，頜骨是多相的、各向異性的、非均質性的、多孔的復合體。人類的頜骨是具有一定屈曲性的彈性體[17]，可以承受一定的壓力，但其皮質骨與松質骨都有一定的抗張力和抗壓力的極限，當頜骨受力水平高于其極限值時，就會產生微骨析，最后導致骨質吸收破壞。
Lundgrens[18]指出種植體的成敗與頜骨骨皮質的密度、厚度、頜骨的寬度以及受植床血供等直接相關。Jensen指出受植區的頜骨形態與結構較整個頜骨的形態與結構對種植義齒的應力分布影響更大，一個理想的受植區頜骨至少要能提供10 mm的骨性結合區，其水平寬度至少為6mm.Victor等[7]用三維有限元法研究了由3種不同厚度皮質骨的頜骨支持的種植體在不同的負荷下，種植體及其周圍骨內的應力分布，結果表明3種情況下種植及骨界面應力分布的規律基本相同，最大拉應力、壓應力均位于種植體的頸部周圍。但最大拉應力、最大壓應力的值卻有顯著差異。皮質骨越厚，種植體及其周圍皮質骨內的應力越小。但在垂直瞬間加載時，最大拉應力位于種植體頸部，最大壓應力位于種植體底部，當種植體的頸部與底部同時位于皮質骨內時，可以明顯降低種植及其周圍骨內的應力。Papavasilion[19]也指出當皮質骨缺乏時，可導致種植體骨界面的應力增高，從而導致種植體周圍骨的微骨折。
自Branemarkr提出骨結合理論以來，種植義齒已成功地應用于臨床，解決了以往傳統義齒的固位、舒適等問題，取得較好的修復效果。但臨床上仍常出現種植體周圍骨組織吸收、種值體斷裂、松動、脫落等問題[1，2].許多學者認為種植義齒的生物力學相容性是影響種植義齒遠期成功率的主要因素之一。本文對種植義齒下部結構生物力學研究概況作一綜述。
1 種植材料對種植義齒生物力學的影響
Nishihara等[5]通過動物實驗研究表明種植體周圍骨內的應力分布與種植材料的性質、材料的彈性模量關系不大，而是多的與種植體的形態、頜骨的形態及結構有關。Rieger等用三維有限元法（finite element method，FEM）分析，也得出相類似的結果。但從生物力學的觀點來看，不同材料和不同彈性模量的種植體對應力在種植體骨界面的分布是有影響的。鄒敬才等[4]用有限元法在5種不同彈性模量、相同的負荷條件下，對單螺旋形種植體骨界面的應力分布規律作比較，結果表明種植體的彈性模量越高，種植體頸周骨內應力越小，而根端骨內應力越大；種植體彈性模量越低，種植體與骨界面的相對位移運動就越大。適宜的種植體的彈性模量在70000MPa以上。
由于金屬及金屬合金材料具有優良的生物力學性能而被廣泛應用于種植體的制作，其中鈦與鈦合金等被認為是最合適的種植材料。近年來許多學者研究了用生物陶瓷作為種植材料[5]，認為生物陶瓷種植體在植入后的始階段可以獲得較鈦及其合金更好的生物相容性，但在行使功能后終因生物陶瓷本身力學上的易碎性導致生物陶瓷種植體生物力學的相容性較差，Glantz等[6]通過實驗也證實了陶瓷種植體和陶瓷涂層的種植體因生物力學上有較差的相容性導致種植后較高的失敗率。
2 種植體的形態對種植義齒生物力學的影響
Victor[7]用三維有限元法對3種不同種植體系統（Branemark系統、Bud系統、IMZ系統）的不同形態的種植體，在不同的加載條件下，種植體周圍骨內的應力分布情況進行了研究。結果表明3種不同種植體周圍骨內最大應力均位于種植體頸部周圍和種植體翼的下方，且越近種植體根尖部，骨內應力越小。種植體的翼可以減少應力在種植體及其周圍骨內的分布，去掉翼不但增大種植體頸部骨的應力，而且將改變整個應力分布的情況。在其他因素不變的情況下，增大種植體頸部直徑，種植體周圍皮質骨內應力大大降低，故認為種植體頸部的直徑對種植體周圍的應力分布水平影響最大，兩者呈負相關。岑遠坤等[8]對葉狀與柱狀種植體支持的全下頜種植覆蓋義齒在不同牙位下應力分布的情況進行了研究，結果表明葉狀種植體與柱狀種植體應力分布的基本規律相似，種植體頸部以及其周圍的骨皮質界面均為應力集中區。但葉狀種植體在其頰舌面與近遠中面交界的尖銳線角處，應力集中更明顯，其骨界面的應力峰值均大于柱狀種植體。Holmgren等[9]研究認為圓錐形種植體比圓椎狀種植體更有利于種植體骨界面的應力分布，黃輝等[10]研究認為螺旋形種植體螺旋頂角的改變可以導致種植體在支持組織內應力分布水平的變化，并指出螺旋頂角為60o的種植體應力分布最合理。
3 種植體的表面結構對種植義齒生物力學的影響
有學者從生物力學角度研究認為表面有微孔的種植體會形成更好的種植體-骨界面結合，當孔徑為50-200μm時可獲得最佳的結合強度。陳安玉[11]研究表明由于表面微孔的存在，可在種植體骨界面形成機械的鎖結作用，從而改變微界面應力的作用方式，使得在大界面上每一個區域均有小界面的壓應力存在，使拉應力和剪應力轉變為壓應力；另一方面微孔增加了界面的接觸面積，降低了平均應力水平，從而更有利于應力的合理分布。
近年來許多學者提出種植體表面的生物活性涂層可以誘導骨性結合。Michael等[12]經臨床觀察報告HA涂層種植體成功率（7-8年）達97.5%，Adell認為HA涂層種植體有利于早期愈合。有學者研究表明BTG鈦基復合種植體植入頜骨內后，早期固位優于鈦種植體，具有較高的界面結合強度，并且在界面上可產生化學結合、金屬結合、機械結合3種方式。但也有資料提示隨著種植體接受功能負荷時間的延長，成功率下降，臨床上亦出現涂層與鈦芯結合強度不足導致涂層剝落者。
4 種植體的數量以及在頜骨內的排列與分布對種植義齒生物力學的影響
種植義齒由多個種植體支持時，應力分布情況由種植體的數量，種植體在頜骨內的方向、排列所決定。一般認為種植體的數目越多，每個種植體上承擔的應力就越小。Skalak研究認為多個種植體支持的種植義齒當受到水平方向力作用時，力量可以較均勻地分散到各個種植體，且分散到每個種植體上的力量要小于總作用力。當垂直方向力作用于種植義齒時，力量不會均勻地分散到每個種植體，越靠近作用力點的種植體受力越大。
對于全口種植義齒，Skalak認為4-6枚種植體即可支持全口固定種植義齒。Bschwartzman研究表明4個或5個種植體支持的全頜種植義齒在應力分布規律上無差異，并認為當垂直負荷作用于全頜種植義齒遠端懸臂梁時，最靠近懸臂梁端的種植體產生的應力最大。Davis通過實驗研究得出相似的結果。Osier[13]用靜態工程原理分析進一步指出最靠近懸臂梁的種植體所承受的負荷通常是總負荷的2.5-5倍，是非懸臂梁狀態的1.75-3.5倍，主要承受的是壓應力，而遠離懸臂梁端的種植體主要承受張應力。懸臂梁越長，末端種植體所受的應力越大，故認為在種植義齒設計時，應盡量避免使用懸臂梁，如一定要使用懸臂梁時，種植體應盡量離散，且懸臂梁的長度不能超過種植所能承受的范圍。
Federick等[14]用光彈法研究了由2個種植體支持的全頜種植義齒的應力分布，結果表明種植體在頜骨內應垂直于牙平面并平行放置，以利于牙力通過種植體垂直傳遞，減少種植體的力矩和界面過大應力。但臨床上為取得共同的就位道，往往使種植體之間形成一定角度，Naert等[15]指出在同一牙弓中種植體之間的相互偏差角度不宜超過20o，以使負荷沒種植體長軸傳導。Hertey等[16]研究表明，種植體在頜骨內的分布呈曲線型排列較直線型排列者界面的應力要小，種植體為直線型排列縮小了其后方向的分散程度，導致游離臂和抗力臂比例增大。
5 受植區頜骨的形態結構對種植義齒生物力學的影響
從生物力學觀點看，頜骨是多相的、各向異性的、非均質性的、多孔的復合體。人類的頜骨是具有一定屈曲性的彈性體[17]，可以承受一定的壓力，但其皮質骨與松質骨都有一定的抗張力和抗壓力的極限，當頜骨受力水平高于其極限值時，就會產生微骨析，最后導致骨質吸收破壞。
Lundgrens[18]指出種植體的成敗與頜骨骨皮質的密度、厚度、頜骨的寬度以及受植床血供等直接相關。Jensen指出受植區的頜骨形態與結構較整個頜骨的形態與結構對種植義齒的應力分布影響更大，一個理想的受植區頜骨至少要能提供10 mm的骨性結合區，其水平寬度至少為6mm.Victor等[7]用三維有限元法研究了由3種不同厚度皮質骨的頜骨支持的種植體在不同的負荷下，種植體及其周圍骨內的應力分布，結果表明3種情況下種植及骨界面應力分布的規律基本相同，最大拉應力、壓應力均位于種植體的頸部周圍。但最大拉應力、最大壓應力的值卻有顯著差異。皮質骨越厚，種植體及其周圍皮質骨內的應力越小。但在垂直瞬間加載時，最大拉應力位于種植體頸部，最大壓應力位于種植體底部，當種植體的頸部與底部同時位于皮質骨內時，可以明顯降低種植及其周圍骨內的應力。Papavasilion[19]也指出當皮質骨缺乏時，可導致種植體骨界面的應力增高，從而導致種植體周圍骨的微骨折。
