研究背景:Br?nemark教授于上世纪60年代中后期创立的骨结合理论在现代牙种植技术发展史上具有里程碑式意义,他给骨结合下的定义为:负载状态下牙种植体表面与活的骨组织之间发生的结构上和功能上的直接连接,此概念有两层含义,即一方面强调骨结合种植体与骨组织之间为直接的紧密连接,在光镜水平下两者之间没有纤维组织的介入,另一层含义为即使在负载状态下这种紧密连接仍能维持其长期稳定性,而不会受到破坏。Br?nemark教授在提出骨结合理论的同时,根据其长期临床实践经验制定出了一套严格的操作规范用于保证骨结合种植体的长期稳定性,其中的一条操作规范就是延期负载,即种植体植入后,需经过3～6月的无负载愈合,种植体-骨界面实现骨结合才可进行上部修复体的连接;而过早负载会发生纤维性愈合,导致种植体松动、失败。大量研究证实延期负载有利于种植体-骨界面的早期愈合,是提高种植体成功率的有效措施。然而,延期负载的缺点却也非常突出:延期负载延长了疗程,手术次数多,增加了医患双方的负担。随着牙种植技术的发展,人们逐渐对延期负载的必要性提出了质疑,牙种植体的即刻负载被尝试性地用于临床。即刻负载是指在种植体植入后立即进行上部结构修复的种植治疗方法,与延期负载相比,此法疗程明显缩短,可为患者立即恢复美观和咬合功能,受到了患者和医生的欢迎,目前即刻负载已成为牙种植研究的重点和热点。目前认为初期稳定性是决定即刻负载种植体成败的关键因素,将种植体-骨界面微动控制在一定范围,即刻负载种植体即可实现骨结合。而种植体初期稳定性与下列三方面因素密切相关:种植手术技巧、种植体相关因素和颌骨的质与量。在临床实际操作中,即刻负载的成功却在很大程度上取决于临床医师判断测量种植体初期稳定性的能力和连续监测负载种植体稳定性变化的能力。目前,常用的种植体稳定性评价方法有:临床扪诊、植入扭矩法、旋出扭矩法、Periotest法和共振频率法(RFA: Resonance frequency analysis)等。前四种方法存在明显缺点,如:临床扪诊属主观测量法,不能定量,不同测量值之间可比性差;植入扭矩和旋出扭矩法属于定量测量,但是前者只能在植入种植体时测量,不能连续监测种植体的稳定性,后者因存在伦理禁忌,是不能用于临床研究的;Periotest法属定量测量方法,但是许多因素可干扰Periotest仪测量值的准确性,其测量重复性受到较多质疑。相反,共振频率法被认为是目前相对理想的定量测量种植体稳定性的方法,组织刚性(stiffness)和有效长度(effective length)被认为是影响种植体RFA值的两个因素,大量研究对这两个因素的作用进行了深入研究,而很少有研究对其它可能影响种植体RFA值的因素进行过研究。目前种植领域对下列问题尚存在疑问:除组织刚性和有效长度外,还有没有其它因素(如双皮层植入、种植体尺寸和传感器设计等)会影响RFA值?如果有,它们的作用到底如何?目的:在本质上,种植体的共振频率就是其固有频率(NF: Natural Frequency),而有限元软件的一个基本功能就是可直接计算出给定结构的固有频率。因此,本课题拟建立牙种植体-局部骨块三维有限元系列模型;该系列模型可用于种植体固有频率分析,通过有限元软件分析双皮层植入、种植体尺寸(长度和直径)和传感器设计等参数对种植体共振频率值的影响。阐明上述相关因素对牙种植体共振频率值的影响,有助于正确解释共振频率值的含义,为共振频率法在即刻负载领域的应用提供理论基础。方法:(1)建立实体模型:采用计算机建模法,即用三维绘图软件画出螺纹型牙种植体、局部骨块实体模型,模型为立体模型。(2)将实体模型导入ANASYS有限元分析软件,定义材料力学性能,建立有限元模型,其中的研究因素为:双皮层植入、种植体尺寸(长度和直径)和传感器设计。双皮层植入分为:下颌颊侧穿皮层和上颌种植体根尖穿皮层两类,其中下颌模型为磨牙区骨块,通过将种植体逐渐向颊侧密质骨板移动并实现接触来模拟颊侧双皮层植入,上颌模型为包含上颌窦底的局部骨块,通过增加种植体长度实现种植体根尖接近并接触窦底密质骨板来模拟根尖穿皮层,两类穿皮层模型中的骨质类型分为三类:D2、D3和D4骨质类型;在进行上述两类双皮层研究中,改变种植体直径(3.75mm、4.0mm、4.5mm、5.0mm和5.5mm)和长度(10.0mm、11.0mm、12.0mm、13.0mm和13.5mm),研究尺寸变化对固有频率值的影响;传感器分为两类:L型传感器和铝杆传感器,L型传感器为目前最为常用的传感器类型,大体呈L外形,为钛材质,使用时需要用螺丝固定于种植体上端,而铝杆传感器为最新一代传感器,为铝材设计,大体呈圆柱状,其下方有小螺杆设计,可直接拧入种植体上口。(3)有限元分析:在本质上,种植体一阶弯曲振动模态(BM: Bending Mode)下的固有频率与RFA仪测量的共振频率相同,因此本研究直接采用有限元软件计算不同参数条件下种植体-骨块复合体的一阶固有频率,包括一阶BM值和一阶垂直向振动模态(AM: Axial Mode)下的固有频率,前者反映的是种植体水平向稳定性,后者反映的是种植体垂直向稳定性。(4)对所得固有频率值进行统计描述和分析,寻找其中的规律,总结得出相应结论。结果:(1)建立了种植体-下颌磨牙区骨块三维有限元模型,种植体直径分为5个等级,模拟了不同等级的颊侧双皮层植入,种植体位于骨块中央设为对照。①0.5mm双皮层接触(种植体伸入密质骨内0.5mm)可增加种植体BM和AM固有频率值10.5～42.3%(平均24.3%),从0mm(种植体表面刚刚接触密质骨)至0.5mm双皮层,种植体固有频率值持续增加,从0.5mm至1.0mm双皮层,种植体固有频率值进入坪台期或有轻微下降。②在0.5mm和1.0mm双皮层模型中,增加种植体直径可引起频率值小幅增加,增幅在2.9～7.3%之间;在对照模型和0mm双皮层模型中,种植体固有频率值随直径增加而有升有降,变化幅度较小,其中各模型组最大值与最小值相比的平均增幅为5.5%。(2)建立了种植体-上颌后牙区骨块三维有限元模型,种植体长度和直径分别为2个及5个等级,模拟了种植体根尖穿上颌窦底密质骨之双皮层植入。①与10.0 mm相比,11.0 mm种植体的BM值有轻度增高,平均增幅2.4%;然而,12.0mm、13.0mm和13.5mm种植体却拥有显著的BM增幅,在D2骨质模型中(13.0mm和13.5mm种植体穿窦底皮层),这3种长度的增幅范围:29.0～30.1%,D3骨质时的增幅范围(13.5mm种植体穿窦底皮层):14.9～17.5%,D4骨质时(13.5mm种植体穿窦底皮层),13.0mm和13.5mm种植体的增幅范围高达:83.0～86.7%,平均值85.0%,12.0mm种植体的增幅为22.6%(3.75mm直径)和16.2%(5.5mm直径)。②大多数情况下,种植体直径由3.75mm变为5.5mm会引起BM和AM频率值的轻微下降,BM值的下降百分比平均8.6%,AM值的平均下降百分比为3.3%。(3)建立了种植体-传感器-下颌后牙区局部骨块(L型和铝杆传感器两类)三维有限元模型。①L型传感器模型种植体的BM值在3763～4464Hz之间(平均4235Hz),而铝杆传感器模型种植体的BM值在9192～10002Hz之间(平均9708Hz)。②骨质由D4变为D2时,L型传感器模型种植体的BM值增加百分比在12.7～16.7%之间(平均14.9%),铝杆传感器种植体的BM值增加百分比在7.4～8.5%之间(平均7.9%)。③对于L型传感器而言,长度增加BM值逐渐增加,14.0mm与8.0mm相比,BM值平均增幅为3.2%,对于铝杆传感器而言,D3骨质模型的频率值随长度增加而增加,在D4和D2骨质条件下,频率值呈先升后降(变化幅度较小)。④在D3骨质情况下,L型传感器测量值和铝杆传感器测量值之间存在线性相关,具有显著性(Pearson相关系数r=0.996,P=0.004);在D4骨质情况下,L型传感器测量值和铝杆传感器测量值之间存在负相关关系,但是没有统计意义(r=-0.846,P>0.05);在D2骨质情况下,两组数值存在正相关关系,但同样没有统计意义(r=0.736,P>0.05)。结论:(1)颊侧双皮层植入可显著增加种植体BM和AM固有频率值,随着双皮层厚度的增加,固有频率值会随之相应增加,然而当双皮层厚度超过某个最有效值(位于0.5mm和1.0mm之间)后,再额外增加双皮层厚度也不能引起固有频率的明显增加。在颊侧双皮层植入情况下,增加种植体直径可引起固有频率值有限的增加,其幅度远低于双皮层植入所增加的幅度。在对照模型和0mm双皮层模型中,种植体固有频率值随直径增加而有升有降,变化幅度较小。(2)种植体长度增加可增加种植体BM值,随长度进一步增加,种植体根方逐渐接近上颌窦底密质骨板、穿入密质骨(实现双皮层植入)会显著增加种植体BM值,但是实现双皮层后额外增加长度并不能引起固有频率值的明显增加。种植体直径增加可引起BM和AM值的轻度下降。(3)在相同骨质类型、相同种植体尺寸条件下,L型传感器模型的BM值远小于铝杆传感器模型的BM值;L型传感器反映骨质变化的灵敏度高于铝杆传感器;在D3骨质条件下,两种传感器均能反映出测量值随长度增加而增加这一趋势。