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《第四军医大学》 2011年
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膨胀式正畸支抗种植体在骨质疏松条件下的固位原理及相关生物力学研究

李涛  
【摘要】:正畸支抗种植体在口腔正畸学中是一个里程碑式的发明。作为一种新型绝对支抗,正畸支抗种植体具有传统支抗无法比拟的优势,现已广泛应用于各种错牙合畸形的正畸矫治中。然而,在医生和患者享受其所带来便利的同时,也饱受了种植体脱落的痛苦。尤其在骨质较差的病人中,较高的脱落率制约了正畸支抗种植体的应用。对于正畸支抗种植体的改进主要集中于结构优化和表面处理两个方面。经过改进的正畸支抗种植体稳定性和成功率有了较大程度的提高。但是,在骨质疏松条件下,至今仍无突破性进展。 近年来,膨胀式种植体设计逐渐开始应用于医学领域。与传统的种植体相比,膨胀式种植体利用机械膨胀增加种植体末端与骨组织接触面的成角角度,同时压缩周围骨组织,大大提高了种植体的把持力,减小松动率,从而获得良好的初期稳定性。而膨胀间隙内逐渐长入的骨小梁则可以使种植体与骨组织结合为一个整体,从而进一步增加种植体的远期稳定性。但是,到目前为止,国内外尚未见膨胀式正畸支抗种植体(EMIA)相关的文献报道。 本课题针对骨质疏松情况,将膨胀式设计应用于正畸支抗种植体中,设计出一种EMIA。从生物力学角度着手,通过三维有限元优化分析、体外和体内生物力学性能分析,对EMIA的近远期稳定性进行初步评价,以期利用膨胀式设计,提高正畸支抗种植体的成功率。 第一部分:EMIA的设计及优化分析 方法:设计一种结构简单的两部件EMIA。在Pro/E软件中建立上颌局部骨块、常规正畸支抗种植体(CMIA)及EMIA三维实体模型,并将CMIA和EMIA分别与颌骨模型组装在一起,依次定义为模型1和模型2。对CMIA和EMIA分别施加2N正畸力,采用皮质骨、松质骨、种植体平均主应力(EQV stress)和种植体位移对模型进行可靠性检验。在Ansys Workbench中,设定皮质骨、松质骨、种植体EQV应力峰值和种植体位移峰值为目标函数,以CMIA为对照,分析EMIA在骨质疏松条件下的生物力学性能。 设定EMIA的膨胀角度(α)和膨胀间隙长度(L)设为变量,应用Ansys DesignXplorer三维有限元优化分析模块,对这两个参数进行优化分析。 结果:模型中的目标函数分布与以往的研究结果相似,证明了模型的可靠性。 在骨质疏松条件下,模型1中皮质骨EQV应力峰值显著大于模型2,松质骨EQV应力峰值小于模型2。在模型1中,松质骨应力主要集中于CMIA颈部及尖端骨组织;而在模型2中,松质骨应力则相对均匀地沿EMIA周围骨组织分布。两个模型中种植体EQV应力和位移的峰值及分布情况相似。 随着α的变化,皮质骨、松质骨和种植体EQV应力峰值分别下降49.02%、66.85%和42.50%,种植体位移峰值下降18.59%。随着L的变化,皮质骨、松质骨和种植体EQV应力峰值分别下降5.15%、75.34%和29.61%,种植体位移峰值下降10.95%。α和L的最佳取值分别为6°和4 mm。α对皮质骨、种植体EQV应力峰值和种植体位移峰值的影响较大,而L则对松质骨EQV应力峰值的影响较大。 结论:EMIA通过膨胀挤压周围松质骨,使松质骨应力升高,沿种植体周围呈较均匀地分布,改变了种植体两端松质骨的应力集中现象,同时减小了皮质骨的负担,使皮质骨应力大大降,从而在植入初期获得良好的生物力学性能。 膨胀角度对EMIA生物力学性能的影响要大于膨胀间隙长度。在理论上,当膨胀角度为6°,膨胀间隙为4 mm时,EMIA可以达到有限膨胀、可靠固定的目标。 第二部分:EMIA的体外生物力学性能分析 方法:在新鲜老年人下颌骨标本牙齿的根间区域分别植入CMIA和EMIA各9枚。通过共振频率测试和轴向拔出实验,分析EMIA在植入初期的生物力学性能。 结果:共振频率测试结果显示:CMIA和EMIA的ISQ值分别为31.11±3.28和39.15±8.45,两者相比具有统计学差异(P0.05)。轴向拔出实验结果显示:CMIA和EMIA的最大轴向拔出力分别为384.94±95.79 N和477.39±123.80 N,两者间有统计学差异(P0.05)。 结论:EMIA具有良好的初期稳定性。 第三部分:EMIA的体内生物力学性能分析 方法:选取小尾寒羊12只,采用去势、注射激素和低钙饲养的方法建立骨质疏松动物模型。建模完成后在绵羊每侧颌骨下颌角区域分别植入CMIA和EMIA各一枚,采用镍钛拉簧施加2N正畸力。12只绵羊随机分为两组,每组6只,分别于3个月和6个月时处死。采用Micro-CT和硬组织切片观察骨-种植体界面的接触情况。采用共振频率测试和轴向拔出实验评价EMIA的生物力学性能。 结果:经过12个月的建模,绵羊颌骨骨密度从1.60±0.16 g/cm2下降至1.17±0.13 g/cm2,平均值下降将近2.7个标准差,有统计学差异(P0.05),达到了骨质疏松动物的建模要求。Micro-CT三维影像重建可见骨组织与EMIA紧密结合,膨胀间隙中可见骨小梁。硬组织切片结果显示3个月时EMIA膨胀间隙中可见新生骨小梁,6个月时骨小梁更加致密。 术后测定即刻共振频率,CMIA和EMIA的ISQ值分别为30.25±2.95和35.08±3.71,三个月后ISQ值分别为29.83±4.51和41.42±5.16,六个月后ISQ值分别为25.75±4.65和43.83±6.10。在这三个时间点两组种植体的ISQ值均有统计学差异(P0.05)。 三个月后,CMIA和EMIA最大轴向拔出力分别为315.50±123.00 N和450.42±157.89 N。六个月后分别为302.42±97.97 N和489.42±105.61 N。在这两个时间点两组种植体的最大轴向拔出力均有统计学差异(P0.05)。 结论:本实验结果表明EMIA是一种部分骨结合式种植体,在骨质疏松动物体内具有良好的生物力学性能。相对于CMIA,EMIA具有更好的近远期稳定性。
【学位授予单位】:第四军医大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:R783.5

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