有限元分析法对口腔种植修复的研究进展

Progress in the Study of Dental Implant Restoration by Finite Element Analysis

摘要: 三维有限元分析法因其建模准确、重复性高、应用范围广、高效灵活、直观性强等原因应用于口腔种植学领域，已成为研究口腔种植学口腔生物力学的重要手段。种植修复的机械并发症与种植体结构、种植体植入设计方式、咬合负载等原因相关；近年来，许多学者们使用有限元分析法对种植生物力学研究。本文对近年来三维有限元分析法对口腔种植学的研究进展综述。

Abstract: Three-dimensional finite element analysis has the advantages of accurate modeling, high complex-ity, wide application range, effective and flexible, and strong intuitiveness. It has become an im-portant method for the study of oral biomechanics in the field of oral culture. The mechanical com-plications of implant restoration are related to implant structure, implant design and occlusal load. In recent years, many researchers have used finite element analysis to study the biomechanics of plantation. This paper reviews the research progress of three-dimensional finite element analysis on oral implantology in recent years.

1. 引言

有限元法(finite element analysis, FEA)是目前被广泛应用的力学分析方法，通过将研究目标划分为有限个单元，并将每个单元设置不同的节点，模拟实验条件，整合每个单元的各方面力学属性及特征，求取近似值，能够有效的对结构等较为复杂的物体简化分析，是生物力学分析的常用方法之一。相比在患者口腔中建立复杂的模型，三维有限元技术模更加经济、简单、无创、高效，广泛应用于口腔种植修复的生物力学研究中 [1] [2] [3] [4] 。

如今随着种植学的发展，越来越多医生及患者选择种植修复，然而影响种植体修复的机械并发症的诸多因素中，生物力学因素占主要作用 [5] [6] [7] [8] 。同时，建立不同类型的三维有限元模型，模拟不同载荷条件对力学分布特征的影响，对其力学分布和受力方式的分析，可以优化种植修复方案，为临床工作个性化种植修复提供了更多的理论指导。

现通过种植修复方式、种植体形态等方面对口腔种植学近年来三维有限元的分析研究展开综述。

2. 种植修复方式的有限元分析

2.1. 在牙列缺损的应用

2.1.1. 单颗牙缺失的种植修复

通过对种植病例的总结 [9] ，发现对于种植部位、缺牙原因、骨质、种植体直径、长度、材质等因素均影响种植修复的成功与否。李希光 [10] 通过FEA比较不同角度的上颌后牙区植体应力情况，发现倾斜种植体周围骨Von-Mises应力最大，认为在骨量不足的上颌后牙区，种植体的倾斜角度加大会对周围骨组织造成不利影响。与之类似，杜军等学者 [11] [12] 认为对不同牙槽窝位置的病例行即刻种植即刻负重时，对种植体设计不同的植入位点和方向会对种植体及上部结构的应力产生影响；同时，对于非中央型牙槽窝修正其植入轴向，能减少植体及颌骨最大应力，力分布更均匀，从而减少机械并发症的发生。

2.1.2. 种植固定桥修复

种植体支持式固定桥骨应力分布与牙弓曲率、悬壁、力加载方式以及植体轴向密切相关 [13] [14] 。梁佳越 [15] 通过FEA研究发现当载荷与牙长轴平行时，颌骨应力最小；认为不同牙弓曲率的颌骨应该设计不同的种植体植入位点及数目。张雨晗 [16] 发现对于单端种植固定修复而言，近缺隙侧的种植体最大应力是远缺隙侧的3~4倍；增加植体长度可使得减少悬臂对修复体的不利影响；同时最大应力值集中于种植体颈部，说明该处是修复体薄弱区。

2.1.3. 种植–天然牙联合修复

种植义齿是修复牙列缺损的一种良好选择，但患者存在个体差异，局部解剖特点的限制等原因，临床医生常将天然牙和种植体联合修复。但是天然牙与牙种植体存在力学性能差异，对种植体的稳定不利 [17] [18] 。目前报道的种植体–天然牙联合修复的短期疗效较好，但是何种修复方式更符合生物力学原则，学者对此看法不同。陈宇 [19] 建立天然牙–种植体联合支持下颌套筒冠义齿FEA模型，从生物力学的角度验证其可行性，认为补充性植入2枚种植体，修复体及颌骨最大集中应力值大幅度降低。潘新宇 [20] 等人对比了种植单端固定桥模型及天然牙–种植体联合修复有限元模型的应力情况，发现后者方式Von-Mises应力分布较为合理；但应避免小直径植体，否则会造成应力集中。缑小蕊 [21] 通过建立Kennedy Ⅰ类牙列缺损的模型，设计种植体覆盖联合天然牙修复的方式，分析种植体、颌骨、修复体上部就够的应力分布情况；认为此种修复方式应力分布更有利于疏松型骨质患者。

2.2. 种植修复牙列缺失的应用

2.2.1. 种植覆盖义齿

对于牙颌患者而言，覆盖义齿因其咀嚼效力改善，剩余牙槽骨保存度高，经济实惠等原因，成为了受欢迎的修复方式之一。在种植覆盖义齿设计中，附着体类型和种植体位置与悬壁长度直接相关，也直接影响修复体生物力学分布。文静等人 [22] [23] [24] 的研究对比了不同附着体的种植覆盖义齿应力，Locater及球帽型附着体的生物力学表现较为优异。但是无论选择何种附着体，侧向加载时种植修复的薄弱区都位于工作侧的种植体颈部及皮质骨上。宋鑫磊 [25] 等人正在FEA分析不同附着体类型对植体周围应力分布影响发现杆卡组应力高于磁性组，球帽组应力最低。

2.2.2. 常规种植固定义齿

与传统全口义齿及覆盖义齿相比较，全口种植固定义齿能获得更好的固位力，不用取戴，力的传导均匀，体积小异物感小，从而改善患者的咀嚼、发音等功能。对于全口种植义齿而言，机械并发症主要受种植体连接体及种植体数目及位置的影响。甄子澄 [26] 通过对上颌后牙区设计倾斜种植体，发现修复体及周围颌骨的Mises综合应力值显著减小，可能原因是上颌后部的倾斜种植体改变了应力传导轴向和改善了应力传导的范围。然而，木志翔 [27] 通过建立短种植体的改良种植有限元模型，于常规长度种植体all-on-4种植方案比较，发现改良短种植体方案的应力分布更理想。认为相较种植体直径对应力的影响，种植体轴向对颌骨应力分布的影响更大。苟萍 [28] 通过有限元建模对比了不同咬合方式，发现前牙关系为对刃时种植体颈部的应力较高。

2.2.3. 穿颧穿翼种植

自穿颧穿翼种植发现以来，国内外学者对其加以改良，然而对于与传统种植体相关的常用不同穿颧穿翼技术的最佳治疗结构，目前还缺乏共识。朱琳 [29] 和王璨 [30] 等人发现翼上颌种植方案和穿颧种植较传统种植方案而言，悬壁更短，力学分布均匀合理骨组织Von-Mises应力值更低，修复上比结构变形量更小，更利于修复体长期使用。胡灵玉 [31] 通过FEA设计种植固定联合翼上颌种植，发现应力主要集中于修复体前部；翼上颌植体倾斜角度无论是30˚还是45˚，应力分布情况基本类似；相反植入位点对应力分布及应力集中位置影响更大。但是目前临床上对于翼上颌及颞上颌种植位点缺少共识，国内外相关研究较少。

3. 种植修复形态的有限元分析

研究表明种植体的机械并发症的发生率与种植体的直径、长度、根面外形、螺纹结构相关 [32] [33] 。

3.1. 种植体直径及长度

近年来，许多学者认为过长的种植体不利于术中冷却而造成骨灼伤，而短种植体种植成功率较高，成为了新的选择 [34] 。高文波 [35] 等研究发现认为种植体直径对垂直载荷及侧向载荷下种植体的微动度变量的影响较种植体长度的更大。相似的，杨聪 [36] 通过对比不同长度种植体对不同骨质的应力影响，认为对于Ⅳ类骨质下颌骨，短种植体生物力学更佳。在胡春旭 [37] 的有限元研究中发现：种植体长度对植体、骨皮质应力影响较小，该研究认为临床应选择直径较粗的种植体且种植体长度不超过13 mm。

3.2. 种植体外形

随着种植理念的不断发展，圆柱型和锥形被认为种植成功率高，适应性广占据了目前大部分市场。在林春平 [38] 的研究中发现，与柱形种植体相比，锥形种植体更有利于咬合力的分散；同时锥形种植体内部的应力也更小。同样刘川 [39] 认为颈部锥度轮廓种植体力学分布更合理。Geramizadeh [40] 也认为锥形植入物在周围皮质骨中具有最均匀和理想的应力分布，认为是未来应用的首选。而另外一些学者的研究结果则不同。王钧正 [41] 发现圆柱形的膨胀式种植体能够减少颌骨中的过大应力，应力分布更能避免颌骨的不良应力吸收。国外学者Sabri LA [42] 得出相似结果锥形种植体的皮质骨应力峰值均高于圆柱体植体。

3.3. 种植体螺纹

在种植体表面螺纹，增加故接触弥面积，从而增加种植体初期稳定性。Vigolo [43] 和Lima de Andrade [44] 的研究均发现表面具有螺纹设计的种植体周围牙槽骨内的应力分布较表面无螺纹设计种植体更均匀，种植体的螺纹对颌骨应力分布的影响主要体现在骨松质，对骨皮质的影响很小。代晓娟 [45] 等人通过比较不同种植体螺纹对应力的影响，发现平鳍式种植体比螺纹式种植体力学性能更佳。Chowdhary [46] 研究发现螺纹设计对即刻负载情况下牙槽骨中的应力分布影响显著，原因可能是种植体与颌骨之间未形成骨结合，种植体初期稳定性受植体微动度影响。

3.4. 个性化根形种植体

近年来，随着种植理念以及3D打印技术的发展，个性化根形种植体逐渐被关注 [47] 。个性化根形种植体，根据患者即刻种植牙的牙根牙槽骨形态设计的种植体，种植体外形上更加向天然牙根靠近能基本匹配治疗目标牙拔牙窝的形态，与常规种植体植入不同，个性化根形种植体无需制备植入，模拟天然牙生物行为。国内学者 [38] 通过FEA研究前牙区个性化根型种植体的生物力学表现，结果发现个性化根形种植体倾斜载荷时，应力主集位于受力侧的种植体颈部周围，颌骨中应力最大值位于唇侧皮质骨区域。并且，有无螺纹设计对个性化根形种植体内部的应力分布影响无统计学意义。相似的，聂秀吉 [48] 等人研究也发现个性化根形种植体的应力分布情况与种植体螺纹间距的影响不明显。其中螺纹形态对颌骨的Von-Mises应力峰值几乎没有影响。

4. 小结

随着国民对口腔问题的重视，种植理论以及制造工艺的发展，个性化种植体方案及个性化种植修复结构具有潜在应用前景。有限元分析法通过一种无创、直观、高效的方式分析口腔种植修复的生物力学问题，模拟各种情况的受力情况，为一定临床实践提供指导依据。然而有限元分析法有其局限性，存在力的加载是静态情况，模型部件设定均为线性、均质，实验条件设定理想，同时有限元模型通过一定的简化处理，不一定能完全反映真实情况，还需要进一步临床研究加以补充验证。

NOTES

^*通讯作者。