不同螺紋深度微小種植體的生物力學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變化，為微小種植體的設計和臨床應用提供科學的理論依據。方法采用ANSYSWorkbench有限元軟件，建立不同螺距深度的六個三維有限元模型，分別在模型上計算出不同螺紋深度的微小種植體骨界面的VonMises應力及位移分布狀況。結果不同螺紋深度的微小種植體VonMises應力及位移的分布均集中于種植體頸部骨皮質區，種植體的VonMises應力值及位移值均較小。螺紋深度的不同對微小種植體骨界面VonMises應力值、位移值有影響，螺紋深度為0.2mm的微小種植體VonMises應力峰值、位移峰值最小。結論本實驗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，可對微小種植體及其支持骨組織進行精確的生物力學分析，螺紋深度為0.2mm的微小種植體具有較好生物力學特性。【關鍵詞】模型,解剖學；牙應力分析；生物力學；牙種植；牙種植體；有限元分析AThreeDimensionalFiniteElementAnalysisontheInfluenceofDifferentDepthofThreadonBiomechanicalPropertiesofMicroImplantBoneInterfaceLINDong，LINShan，CHENJiang,GUOJinquan1.DepartmentofStomatology,FujianProvincialFrontierDefenseCorpsHospital,Fuzhou350003,China；2.DepartmentofStomatology，TheFirstAffiliatedHospital，FujianMedicalUniversity,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，對于微小種植體螺紋形態的研究較少。本文運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應力和位移分布的特點，以期尋找出微小種植體適宜的螺紋深度，為種植體的設計和臨床應用做參考。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微小種植體三維實體模型建立參照文獻1設定微小種植體外形：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個微小種植體三維實體模型。1.1.2骨組織三維實體模型建立骨組織外形的設定將其簡化為長方體骨塊尺寸：長度10mm，寬度10mm，高度15mm。長方體骨塊上部設置為皮質骨層,下部設置為松質骨層，皮質骨層厚度為1.6mm、松質骨層厚度為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。并在骨塊中以六個微小種植體實體模型的螺紋形態分別繪制出包含不同螺紋形態的種植窩的6個骨組織三維實體模型。1.1.3微小種植體骨組織三維實體模型的建立微小種植體的實體模型與骨實體模型在SOLIDWORKS軟件內裝配形成微小種植體骨組織的三維實體模型，利用ANSYS軟件的CAD數據接口，將SOLIDWORKS軟件生成的實體模型文件直接導入ANSYSWorkbench有限元軟件進行有限元分析。1.2實驗設計微小種植體及骨皮質材料均設置為線性、彈性、各向同性的均質連續材料,材料受力變形為小變形,種植體和骨組織之間為100%的骨結合。1.3材料力學參數微小種植體材料設為鈦，其彈性模量為103400MPa，泊松比為0.34，骨皮質彈性量為13700MPa，泊松比為0.33，骨松質彈性模量為1500MPa，泊松比為0.30。1.4邊界條件在簡化的模型上設定邊界條件，由于微小種植體周圍硬組織設定為連續體，所以在約束中，除了微小種植體植入的1個面以外，骨模型長方體的其余5個面節點全部約束。1.5定義單元屬性及網格劃分種植體及骨的單元類型均設置為solid187。用ANSYS自適應網格劃分功能對模型進行智能尺寸網格劃分，結合手動調節單元大小數值，使種植體、骨塊幾何尺寸不受單元劃分的影響，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結果2.1微小種植體應力值微小種植體的VonMises應力主要集中在種植體骨界面的頸部1.6mm骨皮質處，VonMises應力值較大，應力衰減明顯，在松質骨區內應力值很小，應力衰減緩慢，螺紋深度為0.2mm的微小種植體VonMises應力峰值最小（表1）。表1不同螺紋深度微小種植體骨界面VonMises應力值（略）2.2微小種植體位移值微小種植體頸部骨皮質區有較大的位移值，位移值衰減明顯，在松質骨區位移值較小，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小（表2）。表2不同螺紋深度微小種植體骨界面位移值（略）3討論國內外學者圍繞著何種形態結構的種植體才具有最佳的生物力學效應做了較多研究，大部分學者傾向于選擇螺紋型種植體13。與傳統的柱狀種植體相比，螺紋型種植體具有機械鎖結固位作用、表面積大的特點，有利于骨愈合。對已發生骨結合的種植體，螺紋設計能將軸向的拉或壓應力載荷，通過螺紋斜面以壓應力方式傳遞到周圍骨質，有利于骨結合界面的長期維持穩定4。Hurson等對螺紋種植體進行了工程力學分析，系統闡述了螺紋設計原則、材料強度、力學疲勞分析并提出了螺紋的設計標準5。蘭則棟等認為刃狀螺紋種植體的骨界面應力最小，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，種植體的螺紋形態對種植體骨界面應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象，牙種植體的直徑35mm、長度718mm，微小種植體臨床應用直徑一般在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水平向力和斜向力，力值較小。本組結果提示，隨著微小種植體螺紋深度的增大，種植體的VonMises應力峰值未呈明顯的線性遞增趨勢。但最大應力峰值與最小應力峰值相差1.296倍，說明不同的螺紋深度對微小種植體骨界面VonMises應力有影響。以螺紋深度0.2mm種植體的VonMises應力峰值為最低。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。臨床上種植體松動、脫落是種植失敗的常見結果。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，應力集中所造成的。從機械力學的角度來看，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，種植體的內徑將減少，其抗折性就減小。從實驗結果上看，微小種植體螺紋深度的改變對微小種植體骨界面VonMises應力值和位移值有影響。由此可見無論從生物力學還是從機械力學的角度上看，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力和位移也會增加，而且也減少了螺紋種植體與骨組織的機械固位作用。本實驗表明，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應力及位移的分布均集中于種植體頸部骨皮質區，種植體的VonMises應力值及位移值均較小，螺紋深度為0.2mm的微小種植體的VonMises應力峰值和位移峰值最小，具有較好生物力學特性。【參考文獻】1RuboJH,SouzaEA.FiniteelementanalysisofstressinboneadjacenttodentalimplantsJ.JOralImplantol,2008,34(5):248255.2NagasaoT,MiyamotoJ,JinH,etal.ThedynamicsinimplantationforpatientswithcleftsJCleftPalateCraniofacJ，2006,43(1):8491.3BevilacquaM,TealdoT,PeraF,etal.Threedimensionalfiniteelementanalysisofloadtransmissionusingdifferentimplantinclinationsandcanti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