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《第四军医大学》 2007年
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B/2类骨质下种植体宏观结构的生物力学优化设计和分析

孔亮  
【摘要】: 种植义齿因具有传统活动义齿、固定义齿无法比拟的优势,在近十几年中得到了长足的发展,越来越受到患者的青睐。虽然种植修复具有高达90%以上的远期成功率,但临床上仍不时有种植修复失败的病例报道,包括种植体的折断、松动,甚至于最后的脱落等,而颌骨局部负荷过大引起的种植体周围骨吸收是造成种植修复失败的主要原因之一。这就要求种植体在设计和选择上,除了具备良好的生物相容性外,还应具备良好的生物力学传递特性,从而保障种植修复的远期成功率。大量的研究结果表明,影响种植体生物力学传递的因素主要包括:种植体材料、种植体的宏观结构设计、修复体设计、颌骨的解剖形态、颌骨的生物力学特性和咬合力的加载方式等。相对于其它因素而言,种植体的宏观结构对咬合力传导的影响更为明显,并且在临床上更易选择和控制。 目前,国内市场上主流的种植系统仍以进口产品为主,其价格高昂,在很大程度上限制了其应用。这就迫切要求国内研发单位开发生产出具有自主知识产权的高品质、低价位的种植系统。目前,种植系统的开发设计研究主要集中在种植体的材料、形状、宏观结构、表面微观结构和种植体与上部结构的连接等方面。国内外的学者在这些领域里进行了大量的研究,但关于种植体宏观结构生物力学传递特性的研究多为离散的或单因素的比较分析,这些研究结果对于开发设计带有详尽参数的种植体产品而言,并不具有充分的指导意义。 本课题旨在借助Pro/E和Ansys Workbench的机械工程优化设计方法,从生物力学角度,模拟不同载荷条件下,对种植于B/2类骨质内的种植体的宏观结构(直径、长度、锥度、螺纹高度、螺纹宽度、螺纹螺距、颈部锥度、末端倒角、穿龈高度等)进行系统的优化设计分析。以期进一步认识种植体宏观结构参数在其生物力学传递中的作用,了解种植体宏观结构各个参数对其生物力学传递影响大小的排序。同时提供种植体开发生产所需的详细宏观结构参数,为临床优化设计开发和选择种植体提供理论参考。 实验一:应用Pro/E参数化建模软件,绘制种植体、皮质骨、松质骨、冠修复体的三维实体模型,应用Pro/E的自适应装配功能,建立可随种植体宏观结构参数自适应改变的种植体骨块三维实体模型。应用Pro/E与Ansys Workbench软件的无缝双向参数传递功能,将实体模型导入Ansys Workbench软件中划分单元,建立可随种植体宏观结构参数自适应改变的种植体骨块三维有限元模型,力学加载后进行模型准确性的检测。该模型的建立为后期真正意义上的种植体优化设计提供了技术平台。 实验二:设定种植体直径(D)和长度(L)为设计变量(Design Variable,DV),D变化范围为3.0-5.0mm,L变化范围为6.0-16.0mm,设定颌骨平均主应力(Equivalent应力,EQV应力)峰值和种植体-基台复合体位移峰值为目标函数(Objective Function,OBJ),观察DV变化对OBJ的影响。同时进行OBJ对DV的敏感度分析。结果发现,随着D和L的增加,垂直向(Axial,AX)加载时,皮、松质骨的EQV应力峰值分别降低77.4%和68.4%;颊舌向(Buccolingual,BL)加载时,皮、松质骨的EQV应力峰值分别降低了64.9%和82.8%;AX和BL加载时,种植体-基台复合体位移峰值分别降低了56.9%和78.2%。在各种加载下,当D大于3.9mm同时L大于9.5mm时,单DV的响应曲线切斜率位于-1和0之间。通过OBJ对DV的敏感度分析发现, D比L对OBJ的影响更明显。结果提示,种植体直径比长度更易影响颌骨的应力大小和种植体的稳定性;在临床上选择种植体时,种植体直径应不小于3.9mm,种植体长度应不小于9.5mm。 实验三:设定种植体锥度(T)为DV,T变化范围为0°-2.5°,OBJ设定同实验二,观察DV变化对OBJ的影响。结果发现,随着T的减小,AX加载时,皮、松质骨的EQV应力峰值分别降低11.1%和22.2%;BL加载时,皮、松质骨的EQV应力峰值分别降低了12.0%和16.6%;AX和BL加载时,种植体-基台复合体位移峰值分别降低了12.6%和12.4%。在各种加载下,当T小于1.2°时,DV的响应曲线切斜率位于-1和0之间。结果提示,种植体的锥度小于1.2°以内为种植体的最优设计。 实验四:设定种植体颈部锥度(T)和末端倒角(R)为DV,T变化范围为45°-75°, R变化范围为0.5-1.5mm,OBJ设定同实验二,观察指标同实验二。结果发现,随着T和R的变化,AX加载时,皮、松质骨的EQV应力峰值分别降低71.6%和11.0%;BL加载时,皮、松质骨的EQV应力峰值分别降低了69.2%和14.8%;AX和BL加载时,种植体-基台复合体位移峰值分别降低了9.1%和22.8%。在各种加载下,当T介于64°至73°,同时R大于0.8mm时,单DV的响应曲线切斜率位于-1和1之间。通过OBJ对DV的敏感度分析发现,T比R对OBJ的影响更明显。结果提示,种植体颈部锥度介于64°至73°之间,同时末端倒角大于0.8mm时为圆柱状种植体的最优设计。 实验五:设定种植体螺纹高度(H)和螺纹宽度(W)为DV,H变化范围为0.2-0.6mm,W变化范围为0.1-0.4mm,OBJ设定同实验二,观察指标同实验二。结果发现,随着H和W的变化,AX加载时,皮、松质骨的EQV应力峰值分别降低4.1%和38.7%;BL加载时,皮、松质骨的EQV应力峰值分别降低了16.4%和54.1%;AX和BL加载时,种植体-基台复合体位移峰值分别降低了46.0%和35.2%。在各种加载下,当H介于0.33mm至0.48mm之间,同时W介于0.18mm至0.30mm之间时,单DV的响应曲线切斜率位于-1和1之间。通过OBJ对DV的敏感度分析发现,H比W对OBJ的影响更明显。结果提示,种植体螺纹高度比螺纹宽度更易影响颌骨的应力大小和种植体的稳定性;螺纹高度介于0.33mm至0.48mm,同时螺纹宽度介于0.18mm至0.30mm时为螺纹种植体的最优选择。 实验六:设定种植体螺纹螺距(P)为DV,P变化范围为0.5-1.6mm,OBJ设定同实验三,观察指标同实验三。结果发现,随着P的变化,AX加载时,皮、松质骨的EQV应力峰值分别降低6.7%和55.2%;BL加载时,皮、松质骨的EQV应力峰值分别降低了2.7%和22.4%;AX和BL加载时,种植体-基台复合体位移峰值分别降低了22.3%和13.0%。在各种加载下,当P大于0.8mm时,DV的响应曲线切斜率位于-1和1之间。结果提示,螺纹种植体螺距最优设计应不小于0.8mm。 实验七:建立了12种包含不同螺纹形态种植体的颌骨骨块三维有限元模型,三种矩形(S)、三种V形(V)、三种支撑形(B)和三种反支撑形(R)螺纹形态。对所有模型进行颌骨应力分布和种植体-基台复合体位移峰值的比较。结果表明,AX加载下S-2、V-3、B-3、R-1、R-2和R-3螺纹形态表现出较好的应力分布状态, BL加载下S-1、S-2、V-3、B-3、R-2和R-3螺纹形态表现出较好的应力分布状态。结果提示S-2、V-3、B-3、R-2和R-3螺纹形态均适用于圆柱形种植体。 实验八:建立了包含单、双、三螺纹种植体的颌骨骨块三维有限元模型,观察指标同实验七。结果表明,AX加载下,双螺纹皮、松质骨的EQV应力峰值比单螺纹分别增加了10.4%和9.2%;BL加载下,双螺纹皮质骨的EQV应力峰值比单螺纹增加了9.1%,三螺纹松质骨的EQV应力峰值比单螺纹减少了14.2%。结果提示,单螺纹为圆柱状种植体的最优螺纹设计。 实验九:设定种植体穿龈高度(H)为DV,H变化范围为1.0-4.0mm,OBJ设定同实验三,观察指标同实验三。结果发现,随着H的变化,AX加载时,皮质骨的EQV应力峰值降低了4.7%;BL加载时,皮、松质骨的EQV应力峰值分别降低了17.3%和18.5%;在AX和BL加载下,种植体-基台复合体位移峰值分别降低了4.1%和48.9%。在各种加载下,当H介于1.7mm和2.8mm之间时,DV的响应曲线切斜率位于-1和1之间。结果提示,种植体穿龈高度最优设计应介于1.7mm和2.8mm之间。 综上所述,依照宏观结构参数对种植体生物力学传递影响的大小排序如下:种植体直径、长度、螺纹高度、颈部锥度、螺纹螺距、穿龈高度、锥度、螺纹宽度、末端倒角。从生物力学角度得出优化的种植体宏观结构参数范围如下:种植体直径大于3.9mm,长度大于9.5mm,螺纹高度介于0.33mm至0.48mm之间,颈部锥度介于64°至73°之间,螺纹螺距大于0.8mm,穿龈高度介于1.7mm和2.8mm之间,锥度小于1.2°,螺纹宽度介于0.18mm至0.30mm之间,同时末端倒角大于0.8mm。
【学位授予单位】:第四军医大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:R783

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