目的:在临床正畸治疗中,支抗的控制非常重要,直接影响到了最终的疗效。随着技术的发展,种植体支抗不断完善。与很多传统的支抗相比,种植体支抗具有创伤小,体积小,口内的舒适度好,疗效好等优点,被广泛的应用到了临床治疗中。虽然微种植体在临床中应用广泛,但是骨-种植体界面上过大的应力常常会造成种植体周围骨损伤和骨结合的失败,脱落情况时有发生,成功率约90%。其中一主要影响因素是植入部位周围骨骼的质量。种植体的承载能力与植入部位骨质有很大关系,许多研究表明种植体的稳定性与皮质骨的厚度及密度密切相关,这些骨骼参数主要为:1、植入部位的皮质骨厚度2、皮质骨的密度3种植体周围松质骨的密度。一些研究证明皮质骨厚度越大,皮质骨和松质骨的密度越高就会降低种植体周围的应力集中,然而一些临床研究表明皮质骨密度过大种植体脱落率较高。目前这些参数对种植体临床应用的作用还不清楚,而且基于真实上下颌骨解剖数据的研究很少。三维有限元法常用来评估不同骨骼类型对种植体周围应力分布的影响,从而帮助研究者预测种植体加载后植入部位骨骼的应力分布。总之,微种植体提供强支抗的前提是其自身的稳定性,这与种植体周围颌骨质量和种植体周围骨密度密切相关。但皮质骨、松质骨的厚度及密度对微型种植体稳定性的作用尚不明确。本实验拟根据螺旋CT测量的上下颌骨后部数据,通过建立不同类型骨骼的有限元模型,分析不同骨质参数下微种植体-骨界面应力分布的特征,探讨不同骨质条件对种植体稳定性的影响,为临床工作提供理论依据。方法:1材料与设备实验设备:硬件:windows 7系统,螺旋CT软件:Mimics、ANSYS17.0有限元分析软件材料:纯钛,螺纹状微型种植体。2实验方法2.1上下颌骨螺旋CT扫描及测量从河北医科大学第二医院影像科资料中选取50例上下颌骨螺旋CT扫描的13-45周岁患者数据。纳入要求:1)汉族人口;2)无严重牙列拥挤,无滞留乳牙,无多生牙及牙齿缺失;3)无颅颌面发育畸形,左右侧基本对称,上下颌骨关系正常;4)无口腔颌面部外伤史及手术史;5)无全身骨代谢类疾病;6)无牙周病及牙槽骨病变,未行过牙根尖手术;7)无牙根形态严重畸形;8)图像清晰。扫描层厚0.625mm,将扫描结果进行上、下颌骨的三维重建。测量上下颌骨微种植体常用植入部位(在第二前磨牙与第一磨牙之间颊侧,第一、二磨牙之间颊侧,距离牙槽嵴顶6mm处)的皮质骨的厚度,皮质骨的密度,松质骨的密度,每处测量三次,取平均值。2.2设定骨质参数及计算材料属性根据上、下颌骨皮质骨厚度、密度及松质骨密度的测量结果,以5%及95%的数据为依据,确定皮质骨厚度为厚或薄,上颌骨皮质骨厚度为1.0mm和1.3mm,下颌骨为1.4mm和2.7mm,所得骨密度因为跨度较大,根据实验目的将皮质骨密度定为高、中及低三种数值,上颌皮质骨密度分别为1200Hu、1000Hu及600Hu,下颌颌骨皮质骨密度分别为1400Hu、1200Hu及960Hu,上下颌松质骨密度松质骨密度则定义为高、低两种,上下颌分别为520Hu和820Hu。将所测得的CT值Hu通过公式:Grayvalue=Hu+1024转化为像素值Grayvalue,按照Mimics提供的经验公式:Density=47+1.122*Grayvalue,E-Modulus=-172+1.92*Density计算出不同骨密度相对应的弹性模量见表2。并根据弹性模量定义不同骨质的和种植体的泊松比见表3。3微种植体-颌骨的三维有限元模型的建立3.1上下颌骨模型的建立从进行螺旋CT扫描50个病人中选择一年轻成年男性,选取该病人的CT图像,将其上颌第二前磨牙与第一磨牙之间的部位设定为微种植体的植入部位,并选择此处颌骨的CT断面,断面的外表面为皮质骨,内部为松质骨,在ANSYS软件中将CT断面简化为梯形,断面尺寸:上表面宽15mm,下表面宽13.5mm,高9.5mm。将其导入ANSYS软件中,将此断面沿着上颌骨横断面拉伸成20mm的六面体,构成上颌骨的模型。设定下颌一侧第二前磨牙与第一磨牙之间作为微种植体植入部位,选择此处的颌骨CT断面,断面的外表面是皮质骨,内部为松质骨,在ANSYS软件中将断面简化成六边形。六边形断面尺寸:上表面宽10.89mm,中间宽18.2mm,下表面宽11.94mm,高39mm。然后将面拉伸成长20mm的八面体,构成了下颌骨的模型。3.2微种植体三维有限元模型的建立微种植体的几何形态参照临床常用尺寸:总长度12mm,骨内段长度8mm、颈部直径1.6mm、尖端直径1.4mm、螺纹高度0.3mm、刃状螺纹顶角60o、螺距0.6mm,肩台高度2mm。在ANSYS17.0软件中,通过延伸生成圆柱形螺杆,通过对旋转生成螺纹,再由布尔运算将螺杆和螺纹合成螺钉,建立微种植体模型,见Fig.1。3.3微种植体与颌骨模型的装配3.4植入位置与角度在建立的颌骨模型上,分别在第二前磨牙与第一磨牙之间颊侧,距离牙槽嵴顶6mm,以与颌骨平面成45o植入微种植体。在种植体颈部施加1.96N的与牙槽骨表面平行的水平正畸力。见Fig.2。3.5建立不同参数的颌骨模型根据设定的皮质骨厚度建立包含微种植体在内上下颌骨不同皮质骨厚度的模型,共4个,并根据不同的皮质骨密度和松质骨密度对这四个模型进行二设,建立工况共24个。用Hypermesh软件对该模型进行网格划分,并在微种植体顶部施加平行于颌骨表面的正畸力1.96N,见Fig.2,用ANSYS软件进行三维模拟计算。4定义材料特性假设种植体,皮质骨和松质骨均为连续,均匀,各向同性的线弹性材料,材料变形为弹性小变形。建立相应的接触面,对内外颌骨接触面做绑定连接,假设种植体支抗与颌骨发生骨结合,微种植体与颌骨接触面定义为固定接触。5分析指标沿加力方向通过种植体的中心纵剖有限元模型,记录种植体-骨界面的应力峰值。6数据采集沿加力方向通过微种植体的中心纵剖有限元模型,并每隔0.1mm提取微型种植体-骨界面的应力值和位移值,将所采集的数值制成图表。7数据分析通过分析所采集的数据,研究在1.96 N水平正畸力的作用下上下颌骨不同骨质参数对微种植体稳定性的影响。结果:1建立了不同皮质骨厚度和骨密度下的微种植体-颌骨的有限元模型,它的形态及生物力学相似性高,满足实验的要求;2微种植体-骨界面的应力及位移分布情况:结果显示所有工况的Von-Mises应力分布均主要集中在皮质骨区域内,应力在皮质骨内迅速衰减,松质骨区域内的应力很小;松质骨内的最大应力值位于松质骨和皮质骨的交界处;最大应力峰值出现在U2HL,最小应力峰值出现在U1LH。位移在皮质骨区域内较为集中,位移峰值也位于皮质骨内,并且在皮质骨与松质骨交界处迅速减小,松质骨区域内的位移值较小。相同条件下,上颌骨的位移峰值均较下颌骨的位移峰值大。最大位移出现在U1LL,最小位移出现在L2HH;3皮质骨的厚度对微种植体周围位移分布的影响:当骨密度相同时,皮质骨厚度越大,皮质骨内的位移峰值减少,下颌骨的位移小于上颌。皮质骨的厚度越大,松质骨上的位移峰值越小;4皮质骨厚度对微种植体周围应力分布的影响:当皮质骨密度较高或中等时,皮质骨内的应力峰值几乎不受皮质骨厚度的影响;当皮质骨密度较低时,皮质骨内的应力峰值与皮至骨厚度成正比;皮质骨的厚度越大,松质骨内的应力峰值越小;5皮质骨密度对微种植体周围位移分布的影响:在根据不同皮质骨厚度建立的四个模型中,皮质骨密度越高,皮质骨内的位移峰值相对减小;松质骨内的位移峰值也减小;6皮质骨密度对微种植体周围应力分布的影响:当皮质骨厚度和松质骨的密度恒定时,皮质骨的密度与皮质骨内应力峰值成正相关;皮质骨的密度与松质骨内的应力峰值成负相关;7松质骨密度对微种植体周围位移分布的影响:当皮质骨厚度和密度恒定时,松质骨的密度越高,皮质骨内的位移峰值相对较小;位于松质骨上的位移也相对较小;8松质骨密度对微种植体周围应力分布的影响:当皮质骨厚度和密度恒定时,松质骨密度越高,皮质骨上的应力峰值越小,松质骨上的应力峰值越大。结论:1微种植体骨界面的最大应力及位移均主要集中在皮质骨内,并且在皮质骨和松质骨交界处迅速衰减,在松质骨内应力和位移都很小。2微种植体-骨界面的应力分布与皮质骨厚度及密度都有相关性。在皮质骨厚度越大,位于皮质骨上的应力峰值越大;位移峰值随着皮质骨厚度的增加减小。3种植体周围骨密度是影响种植体稳定性的关键因素。较高的松质骨密度可以减少应力和位移,有利于微种植体-骨界面的应力分布。皮质骨的密度与应力峰值正相关,与位移峰值为负相关关系,因此,植入部位皮质骨的密度不宜过低或者过高。