1、    三維有限元動態分析不同螺距的兩種螺紋種植體的應力分布        摘要目的：研究有無防沉裝置的兩種 種植體不同螺距 的應力分布及力學相容性。 方法：采用三維有限元 動態分析法，以Supper SAP93程序在周期為0.8 s的正弦 半波力作用下對兩種種植體進行應力分析，A組無防沉裝置，B組有防沉裝置。 結果： 無防 沉裝置者應力分布較均勻，有防沉裝置者骨平面處應力相對集中，適當增大螺距可分散該處 的應力。結論： 無防沉裝置的設計較有防沉裝置者應力分布更均勻。關鍵詞三

2、維；有限元法；動態法；防沉裝置；螺距；應力分析中分類號：318.08文獻標識碼：A文章編號：1001-3733(2000)03-0214-03The dynamic 3-D FEM on two kinds of threaded implants with different pitchesWang Ge, Cheng Xiangrong. （Stomatological College, Hubei Medical University, W uhan 430070）Abstract Objective: To study the stress distribution and the m

3、ech anic in the implants with or without countersink with different thread pitch by dynamic 3-D FEM. Meth od: The impl ants were studied by supper SAP93 program under the force of 0.8 s period b y the way of half sine wane.In group A the implants were without countersink, wh ile in group B those wer

4、e with countersink. Result:In group A the stress values of the implants with the pitch (mm) of 0.6,0.8 or 1 .0 were 56.12±21.43,61.50±20.40 and 60.38±20.59,the (%) values were 38.18,3 3.98 and 34.10,re spectively;while in group B the stress values were 56.64±24.65,55.44±24.2

5、7 and 54.44±23.06,the CV(%) values were 43.53,43.78 and 42.36 ,respectively. Conclusion:The stress in the implants without countersink may distribut more evenly than that in those with countersink.Key wordsThree-dimension;Finite element methods Dynamic method ;Countersink; Pitch; Stress analysi

6、s純鈦種植體的骨內固位樁普遍以螺紋狀設計為其結構基礎，有無防沉裝置（countersin k） 為各種種植體的設計分歧所在1。三維有限元分析法（3D-FEM）是一種較先進、 準確的力學分析方法。而動態分析則是其中更先進、更接近人類咀嚼生理的一種研究方式 2。因此，本研究采用動態分析技術對這兩種不同種植體設計，在周期性變化的外 力作用下不同螺距對應力分布的影響進行了專門研究，旨在了解螺距對不同設計種植體應力 分布的影響。1材料和方法1.1模型的建立在計算機中建立6個螺紋種植體模型，分為兩組，每組各3個。A組無防沉裝置，B組有防沉 裝置，防沉裝置的斜臺高度為0.5 mm，斜角為45°。種

7、植體直徑3. 5 mm、長13 mm、螺距 分別為 0.6、0.8、1.0 mm，其骨上部分均為直徑5 mm的球形附著體。應用Supper SAP93有 限元分析程序自動對其劃分節點和單元，數據見表1。表1模型的劃分參數螺距（mm）A組B組0.60.81.00.60.81.0節點數352028362104354828642332單元數3799307023043831310225351.2試驗條件假設和加載本研究假設了一個完全理想化的局部模型4,5，即種植體各部件之間為完全精 確適合，不 考慮各部件之間的吻合差異；種植體與周圍頜骨之間為100骨結合；種植體及周圍頜 骨 均為完全連續的各向同性的均

8、質材料；建立一個長方形的標準頜骨，種植體位 于其中，周圍是23 mm的松質骨，左右上下的外表面為皮質骨，模型底部完全固定；加載方式以周 期為0.8 s的正弦半波方式加載于球形附著體上，施力方向均穿過球心，垂直方向的最大力 為453 N，側向力最大值是20 N（左右方向）。 1無防沉裝置的種植體分析模型網格2有防沉裝置的種植體分析模型網格劃分后的網格見1、2。各部分材料的力學參數見表23：表2材料的力學參數材 料彈性模量（MPa）泊松比松 質 骨1 3700.30皮 質 骨13 7000.30純 鈦103 4000.352結果 2.1應力分析結果見表3。表3不同螺距的螺紋種植體應力分布的動態分析

9、結果（單位：MPa ）分組螺距（mm）AB0.60.8 1.00.60.81.0種植體上端（球底）66.369.269.146.746.847.0骨平面以上1.0 mm處54.962.862.842.243.544.5骨平面處68.073.572.188.385.582.3骨平面以下1.0 mm處71.976.773.676.475.173.1種植體底部19.525.324.329.626.325.356.1261.5060.3856.6455.4 454.44s21.4320.9020.5924.6524.2723.06CV（）38.1833.9834.1043.5343.7842.36以上

10、資料的統計分析表明： B組設計的應力值均數小于A組，其變異系數較大，即B組設 計 的應力值變異度大，其離散度也大，增加螺距可適當分散應力，A組設計應力分布較均勻。 2.2A組、B組（螺距0.8 mm）骨平面以下0.5 mm處的剖面應力等線見3、4。結果發 現，兩組設計在螺紋底部和骨組織內均出現了應力集中區，且分布一致，但B組應力較大。 3討論3.1有限元法（FEM）是把整個結果看作由有限個單元相互連接而成的幾何實體，每個小單 元力學特征的總裝效果反映出結構的整體力學特性。靜載荷是指載荷從零逐漸緩慢地增加到 最終值然后保持不變或變化很小的載荷。不具備靜載荷條件的載荷稱為動載荷。動載荷作用 下，構

11、件產生不可忽略的加速度，作用于牙齒的牙合力即屬 動載荷。動載荷可分為慣性力和 沖擊載荷，后者與口腔生物力學相似6。應該說，動載荷是有限元分析法的一大 飛躍，其結果反映了模型的客觀應力分布，較靜載荷優越。3.2在交變應力作用下，構件產生肉眼可見的裂紋或完全斷裂。這種現象稱為疲勞失效或 疲 勞破壞。牙合力即為一種交變應力，具有周期性變化規律 2。骨組織作為一種粘彈性材料 ，受到一定次數循環載荷的作用,即會出現疲勞現象。本研究根據人類的咀嚼周期為0.875 s ,從咬接觸到咀嚼相歷時0.556 s的特點7，確定了牙合力的加載周期為0.8 s，以半正 弦方式間斷循環加力，模擬口腔咀嚼周期的特點，力求更

12、真實地反映實際應力分布的特點。 3.3本研究在建立模型時，考慮到球形附著體在臨床上應用廣泛，且可簡化應力分析 的 干擾因素和減少計算量，提高分析精度，因此用它作為模型的骨上部分。因為對于球形附著 體而言，來自各個方向的外力都將通過附著體的球心傳遞到種植體上，這樣，對于種植體而 言就只存在一點加載負荷，且任何方向的加載力均可分解成垂直力和水平力兩種8 。另外，不考慮作用力對種植體產生的位移，固定模型下端也可使力的分析簡化。3.4從數據變化特點及剖面應力分布看，雖然兩種設計所承受的最大應力不會使種植 體斷裂。但是，材料的疲勞破壞是存在的，而且，一般應力集中區產生疲勞破壞的可能性較 大。有研究表明，

13、國產種植體的失敗率高達13.6%，其中由于基樁折斷或松動造成的失敗占8 0%9。本研究發現，A組設計的應力分布相對較均勻，B組設計雖應力均值較小， 但變異系 數較大，即說明，B組設計存在應力集中區。增加螺距可適當分散該處應力。該區位于防沉 裝置處及其附近的骨組織內，這與臨床上常見的杯狀吸收區相吻合，因此，可以認為防沉裝 置對應力的分布是有影響。4結論本研究應用較先進的動態三維有限元分析方法，對有無防沉裝置的兩種種植體的各 種不同螺 距狀態下的應力分布狀況進行了分析。結果表明，無防沉裝置較有防沉裝置者應力分布均勻 ，即該種設計似乎更趨合理。有防沉裝置的者，在防沉裝置處及其附近骨組織中存在應力集

14、中區，適當增大螺距可分散應力集中處的受力。作者單位：王革（湖北醫科大學口腔醫院修復科430070）程祥榮（湖北醫科大學口腔醫院修復科430070）參考文獻1Montague A, Merritt K, Brown S,et al.Effects of Ca and H2O2 added to RPM I on the fretting corrosion of Ti6Al4V. J Biomed Mater Res,1996, 32(4): 5192Hanck JE, Sakaguchi RL, Sun T,et al. Elongation and preload stress in d e

15、ntal implant abutment screws. Int J Oral Maxillofac Implants,1995,10:5293Paul P，Grundling Nl，Joose Ch. Three-dimensional finite element model of a human mandible incorporating six osseointegrated implants for stress analysis of mandibular cantilever prosthese. Int J Oral Maxillofac Implants, 1995,10:514Uysal H, Iplikcioglu H, Ava M,et al. An experimental analysis of the stresses on the implant in an implant-tooth-supported prosthesis: A techn ical note. Int J Oral Maxillofac Implants, 1997,12: 1185夏榮綜述，趙云鳳審校.全頜種植義齒的生物力學研究.中國口腔種植學雜志，1996，1 (1): 576夏榮綜述, 趙云鳳審校. 有限元法及其進展(一).中國口腔種植學