正畸微种植体优化设计的三维有限元分析

【摘要】：支抗(Anchorage)控制是正畸治疗成败的关键问题之一,是对移动矫治牙齿引起的反作用力的支持。对于正畸临床的一些疑难病例,传统的常规支抗并不能满足治疗需要。长期以来,正畸医师都在寻找一种美观、舒适、经济、安全、稳定而可靠、不需要患者合作的支抗。近些年来,许多正畸临床医生不断的尝试各种不同的种植体,利用种植体提供的稳定支抗,成功治疗了临床疑难病例,为正畸治疗方案的设计开创了新思路。绝对支抗-种植体的应用给正畸矫治的设计、技术带来了革命性的改变。微种植体现已成功应用于临床[1,2],因其体积小、植入部位灵活、术式简单、创伤小、价格便宜、疗程短而易被临床医生和患者所接受,成为当前国内、外正畸学者基础研究和临床应用的一个热点,但现阶段尚存在稳定性和脱落率的问题,影响了它的普及应用。 目前,国内外的学者在这些领域里进行了大量的研究,但针对微种植体的生物力学传递特性三维有限元的研究多为长度、直径等离散的或单因素的比较分析,不能真实反映微种植体各参数相互之间对颌骨生物力学的影响。而利用三维有限元法模拟不同骨质量(骨皮质的厚度和骨的密度)对微种植体-骨界面应力分布的影响未见报道。随着CAD/CAE技术的快速发展,为模拟和分析真实形态的微种植体注入了新的活力。本研究基于CAD/CAE软件的自适应和无缝参数传递功能,为临床微种植体多参数的生物力学分析提供了一种全新的平台。 本课题通过采用Ansys Workbench和Pro/E软件,应用优化设计的方法,从生物力学角度着手,模拟加载正畸力情况下下颌骨的正畸微种植体的宏观结构(直径、长度、连接体高度)进行系统的优化设计分析,并首次进行不同骨质量(骨皮质的厚度和骨的密度)对微种植体-骨界面应力分布影响的研究。为微种植体的设计参数提供参考,同时为正畸医生选择合适的微种植体提供理论参考。 实验一:应用Pro/E建立参数化实体模型,包括微种植体、皮质骨、松质骨(种植体参数由西安中邦?公司提供)。应用Pro/E与AnsysWorkbench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微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。该模型为后期的正畸微种植体优化设计提供了技术平台。 实验二:设定微种植体直径(D)和长度(L)为设计变量,D变化范围为0.8-2.0mm,L变化范围为5.0-13.0mm,于微种植体的连接体部加载与种植体长轴呈90°的侧方力2N。设定颌骨平均主应力峰值(Max EQV Stress)和微种植体位移峰值(Max Displacement)为目标函数,观察目标函数随设计变量变化的改变情况。并进行敏感度分析。结果显示,随着直径和长度的增加,皮、松质骨的EQV应力峰值分别降低58.0%和28.8%,微种植体位移峰值下降18.7%;目标函数随着D的增加应力变化呈下降趋势,但D大于1.2mm以后,皮质骨应力下降不明显; L对应力的影响受D的制约,当D小于1.4mm时,颌骨应力随L的增加应力变化呈上升趋势,当D大于1.4mm时,颌骨应力随L的增加应力变化呈下降趋势,但当L大于8.6mm以后,皮质骨应力和微种植体位移随其增加应力变化不明显。敏感度分析显示,直径较长度对目标函数的影响更显著。结果显示,微种植体的稳定性和颌骨的应力主要受直径影响;临床使用微种植体时,应选择直径应≥1.4mm和长度≥9.0mm的微种植体。 实验三:设定微种植体的正畸连接体高度(H)为设计变量,H变化范围为2.0-6.0mm,设定微种植体的骨内长度为9.0mm,直径1.4mm。微种植体加力大小、方式和目标函数设定同实验二。结果发现,正畸连接体高度为3mm时皮质骨应力的最小;随着正畸连接体高度的增加松质骨应力和微种植体位移呈上升趋势。结果提示,推荐临床选择正畸连接体高度为3mm的微种植体。 实验四:设定皮质骨厚度(T)和松质骨弹性模量(E)为变量,T的变化范围为0.5mm-5mm, E的变化范围为500MPa-3,000MPa,微种植体加力大小、方式和目标函数设定同实验二。随着T和E的增加,皮质骨、松质骨EQV应力峰值分别下降46.5%和98.8%,微种植体位移峰值下降70.2%。目标函数随着T的增加呈下降趋势,最佳取值范围为T≥2.1mm;皮质骨EQV应力峰值及微种植体位移峰值随E的增加而减小,最佳取值范围为E≥1692MPa,松质骨EQV应力峰值随E的增加而增大。敏感度分析结果显示,目标函数对T的敏感度大于E。结果说明,下颌皮质骨厚度≥2.1mm,松质骨弹性模量≥1692MPa的病人,植入微种植体后,微种植体-骨界面应力较小,微种植体稳定性较高。 综上所述,从生物力学角度得出优化的微种植体宏观结构参数范围如下:微种植体直径应大于1.4mm,长度大于9.0mm,正畸连接体高度为3.0mm。下颌皮质骨厚度≥2.1mm,松质骨弹性模量≥1692MPa的病人更适合采用微种植体。