不同修复基台经循环加载后的扭矩丧失和基台沉降

沈溱原 黄忞 魏俊超 张琦 吴润发

南昌大学附属口腔医院，江西省口腔生物医学重点实验室，江西省口腔疾病临床医学研究中心，南昌330006

口腔种植修复作为牙列缺损或牙列缺失的主要治疗方案，具有很高的成功率，但是仍然存在失败的风险，后期可能发生一些生物学并发症和机械并发症。对于单颗牙的种植修复，固位螺丝松动是最常见的机械并发症[1]，后期可能造成螺丝折断等，乃至种植体周围炎[2]。目前，最新的系统综述表明基台螺丝的松动率为7～11%[3]。

螺丝松动最主要的原因是预负荷的丧失（预负荷是基台螺丝通过旋转扭力拧紧后所产生的张力）。Bickford[4]描述了螺丝松动的两个阶段，首先，持续的功能负荷导致了螺纹之间的滑动，造成螺丝表面的疲劳，释放了螺丝内的拉应力，从而减少了预负荷。其次，当预负荷下降到临界值，外力会使螺丝发生转动，此时螺丝开始发生松动。预负荷对于基台螺丝的稳定性至关重要，因此可以用于描述螺丝松动现象[5]。

种植体−基台连接部位的精密度会影响预负荷，当二者之间密合度不足时，功能性运动产生的微动以及震动会侵蚀基台螺丝的预负荷。Binon等[6]通过提高种植体−基台之间的精密度可以减少螺丝松动的发生。种植修复部件之间的不密合会显著增加螺丝的应力，容易产生金属疲劳，从而导致螺丝松动。种植体−基台连接部位主要包括内连接的抗旋结构部分以及莫氏锥度连接部分，其中抗旋结构的主要作用是对抗基台旋转及引导基台就位，而莫氏锥度部分主要为基台和种植体的连接提供固位力。Michelon 等[7]对比了存在内六角的抗旋基台与不存在内六角的非抗旋基台在循环加载后其脱出力无差异，证实基台莫氏锥度部分为基台固位力的主要来源，而内六角的部分仅起到对抗基台旋转及引导基台就位的作用，对固位力的影响较小。基台的固位力由莫氏锥度部分受到外力作用后产生楔效应提供，循环加载后基台产生沉降也主要在莫氏锥度部分。故当基台莫氏锥度的公锥与种植体内连接的母锥不匹配时，会导致基台−种植体连接的不稳定。

根据制作方式的不同，目前临床上常用的修复基台主要有成品基台、铸造基台以及计算机辅助设计/计算机辅助制造（computer aided design/computer aided manufacturing，CAD/CAM）切削基台等。不同方式制作的修复基台与种植体连接部位的精密度可能不一样，或者由于修复基台表面粗糙程度不同而导致基台沉降值不同，从而造成基台螺丝预负荷之间的差异以及受外力作用后对螺丝扭力的维持存在差异。不同的修复基台对螺丝松动的影响目前尚缺乏充分的循证医学证据。故本实验对3种不同基台（成品基台、铸造基台及第三方CAD/CAM 基台）进行比较，通过对比循环加载前基台莫氏锥度来分析三者与种植体连接部分精密度的差异，通过测量循环加载前后基台沉降值和扭矩丧失量来分析其对螺丝松动的影响。

1 材料和方法

1.1 试件制备

30枚内六角种植体（Superline FX5014SW，登腾公司，韩国）通过磨具用环氧树脂进行包埋。对成品分体式基台（6.5 mm×2.5 mm DAB6525HL，登腾公司，韩国）进行扫描，获得与成品基台穿龈及上部结构一致的CAD/CAM切削基台数据。将数据及预接口钛棒（苏州恒准检测技术服务有限公司）导入五轴数字化切削机（ARUM5X-200，AR‐UM 公司，韩国）以获得CAD/CAM 切削基台。获取成品分体式基台的硅橡胶印模，用于精确制作铸造基台（RAB45CH，登腾公司，韩国）上部蜡型，其后将铸造基台蜡型投入中频水冷铸造机进行铸造，获得与原厂基台外形结构一致的第三方CAD/CAM 基台和铸造基台。将30 枚种植体随机分为3组，A组匹配原厂分体式基台；B组匹配铸造基台；C组匹配第三方CAD/CAM基台。

1.2 基台莫氏锥度测量

使用复合式光学影像测量仪（OPTIV REFER‐ENCE-222，海克斯康公司，瑞典）检测修复基台莫氏锥度部分，在软件（PC-DMIS VISION）中提取锥度母线并测得锥度度数。将莫氏锥度角度换算为弧度（rad）以方便进行统计分析。

1.3 基台螺丝扭矩测量

将种植体−基台复合体固定于夹具上，应用数显扭矩计ATTA1（广州天机国材精密机械有限公司）将30枚原厂基台螺丝（ASC2045，登腾公司，韩国）拧紧至30 N·cm，螺丝拧紧10 min后，使用数显扭矩计测量初始移除扭矩值，记为RTV1。初始移除扭矩值为旋松螺丝过程中扭矩的峰值，其中扭矩正负仅代表施加扭力的方向，本实验中旋松螺丝过程扭矩值表现为正值。随后，重新拧紧基台螺丝至30 N·cm，10 min 后，以相同的扭矩再次拧紧螺丝，获得最佳的预负荷。

1.4 基台循环加载

将试件固定于INSTRON 8872疲劳机（英斯特朗公司，美国）上进行循环加载，设置循环载荷应力振幅范围为0～250 N，以10 Hz 的频率施加10万个周期的循环载荷，大约相当于1个月的咀嚼运动[8]。经过循环加载后，应用数显扭矩计测量循环加载后移除扭矩值，记为RTV2。在循环加载过程中记录初始载荷头位置L1，以及终末载荷头位置L2。

基台沉降值按照以下公式进行计算：1）基台循环加载后沉降值=L1−L2；2）初始扭矩丧失量=初始施加扭矩−初始移除扭矩；3）循环加载后扭矩丧失量=再次施加扭矩−负荷后移除扭矩。

对于螺丝松动的程度本实验利用移除扭矩丧失量进行表示，具体计算方式参考Park等[9]提出的公式。

1.5 统计学处理

采用SPSS 22.0 统计软件对数据进行分析，对各样本莫氏锥度、循环载荷前后基台螺丝移除扭矩丧失量和基台沉降结果进行正态分布检验及方差齐性分析，显著性水准α定为0.05。若样本均数服从正态分布且组间方差齐性，则使用多样本均数比较的单因素方差分析及Tukey's Honestly Sig‐nificant Difference 检验（Tukey HSD）进行组间差异的显著性比较，显著性水准α定为0.05。采用配对t检验进行组内循环加载前后移除扭矩的差异性比较，显著性水准α定为0.05。

2 结果

2.1 基台莫氏锥度分析

成品基台、铸造基台及第三方基台莫氏锥度弧度分别为0.191 5±0.000 4、0.193 4±0.001 0、0.192 9±0.001 2，方差分析及Tukey HSD 检验显示成品基台莫氏锥度与铸造基台、第三方基台之间差异有统计学意义（P<0.001），铸造基台与第三方基台之间差异无统计学意义（P>0.05）。

2.2 循环加载前后移除扭矩丧失量分析

循环加载前后基台螺丝移除扭矩丧失量见表1。当基台在经循环加载后，无论是成品基台、铸造基台亦或是第三方CAD/CAM 基台螺丝移除扭矩均显著丧失，配对t检验显示3 组基台循环加载前后扭矩丧失量差异有统计学意义（P<0.001）。其中在铸造基台组中出现异常值，移除扭矩丧失高达73.64%。第三方CAD/CAM 基台组中的一个样本经过循环加载后，基台螺丝发生形变已无法取出。循环加载后成品基台螺丝移除扭矩丧失量均低于铸造基台和第三方CAD/CAM 基台。方差分析显示循环加载后基台螺丝移除扭矩丧失量在成品基台与铸造基台、第三方CAD/CAM 基台之间差异有统计学意义（P<0.05），而铸造基台与第三方CAD/CAM基台之间差异无统计学意义。

表1 循环加载前后基台螺丝扭矩丧失量的比较Tab 1 Comparison of removal torque loss of abutment screw before and after cyclic loading N·cm

2.3 循环加载后基台沉降值分析

基台经循环加载后，成品基台、铸造基台及第三方CAD/CAM 基台沉降值分别为（145.253±55.956）、（224.738±80.685）、（241.90±66.429）μm，方差分析显示循环加载后基台沉降值在成品基台与铸造基台、成品基台与第三方CAD/CAM 基台之间差异有统计学意义（P<0.05），铸造基台与第三方CAD/CAM 基台之间差异无统计学意义。其中第三方基台组中的一个样本由于基台连接结构严重损坏，故将其排除不参与统计学分析。

3 讨论

种植体−基台莫氏锥度连接部分极高的精密度可以为基台提供良好的固位。当两部分平行时，两者的接触面积越大，在受到外力后产生楔效应，可达到冷焊的效果以提供固位[10]。但当两者莫氏锥度部分不匹配时则产生的是线接触，而线接触则无法在基台与种植体之间产生冷焊的效果，进而会导致基台−种植体连接结构的不稳定。在铸造基台组中，将基台就位于种植体后可以发现有小幅度的转动，这种转动产生的剪切力会削弱两者之间的冷焊效应。在第三方CAD/CAM 基台组，其中一个样本经循环加载后螺丝出现严重形变。种植修复部件之间较低的精密度会显著增加螺丝的应力，造成金属疲劳从而导致螺丝松动甚至发生螺丝折断[1]。本实验显示成品基台莫氏锥度与铸造基台、第三方基台之间差异有统计学意义（P<0.001），铸造基台与第三方基台之间差异无统计学意义（P>0.05）。铸造基台组中虽然为原厂钛基底，但在铸造过程中经过高温烧结导致基台与种植体连接部分表面形态结构发生细微的变化。第三方CAD/CAM 基台由于无法获得原厂数据，且铣削钛棒接口的设备和技术存在很大差异。所以铸造基台以及第三方切削基台均与原厂基台在莫氏锥度部分存在差异。

在移除扭矩分析中，循环加载前评价了不同修复基台对螺丝预负荷的维持效果，循环加载后评价了不同修复基台和循环加载共同作用对螺丝扭矩的维持效果。对基台螺丝施加扭力，就产生了预负荷；但是施加的扭力并没有完全转换为预负荷，其中一部分扭力用来克服螺丝头和基台之间的摩擦力以及克服种植体内部螺纹和螺丝螺纹之间的摩擦力，这将会损失2～10%的施加扭矩[11]。此外，当旋紧螺丝时由于基台沉降效应，螺丝产生的预负荷会进一步下降。在本实验中观察可见，当第一次测量移除扭矩时，该扭矩值均低于30 N·cm。成品基台初始移除扭矩丧失量为18.32%±5.01%，铸造基台初始移除扭矩丧失量为25.60%±6.44%，第三方基台初始移除扭矩丧失量为24.88%±5.50%。实验结果符合Barbosa 等[12]之前的实验结果，初始预负荷丧失量范围在24.01%～50.71%。本实验结果显示初始移除扭矩丧失量在成品基台与铸造基台之间差异有统计学意义（P<0.05）。这表明成品基台在维持螺丝扭矩上有更好的表现。Kano 等[13]表明铸造的过程可能会改变种植体与基台之间的旋转匹配程度，而且铸造基台具有很高的技术敏感度，不同厂家、不同制造方式对两者之间的精密度影响较大。Binon 等[6]研究显示，种植体与修复基台之间良好的精密度更能抵抗螺丝松动，更有利于扭矩的维持，可预防螺丝的松动。当二者的连接界面不密合时，会增大两者之间的距离，降低连接结构的稳定性，从而造成预负荷丧失。在本实验中，所有基台均有预负荷的丧失，并且在循环加载前的第二次重复施加扭矩时发现螺丝仍可以再旋转一段距离才能达到30 N·cm，这都表明预负荷丧失是螺丝的固有特性。所以为了补偿实际临床工作中预负荷的损失，必须根据厂家要求在拧紧新螺丝数分钟后再次施加拧紧扭矩，并且需要定期重复施加拧紧扭矩[1]。

无论是何种修复基台，经循环加载后，移除扭矩均显著丧失，实验显示3组基台循环加载前后扭矩丧失量差异有统计学意义。并且基台在经过循环加载后，可以测得试件总长度减小，这表明基台在受到外力后会发生沉降，也称之为是嵌入性松弛[14]。从循环加载过程记录的数据可以得出，基台的沉降通常可以分为2个阶段，第一阶段为磨合阶段，第二阶段为稳态阶段。在循环加载的第一个循环周期内，基台就已经发生了大量的沉降，而在剩余的循环周期直到10 万次均处于一个较稳定的状态，这与Lee等[15]的实验结果相符合。本实验不同基台经过循环加载后均发生沉降，而由于基台制作方式的差异，表现出沉降值的不同，进而表现出对螺丝扭矩的维持存在差异。

本实验中所用的基台螺丝均为原厂螺丝。成品基台和铸造基台材料均为原厂4 级商业纯钛（Grade 4 CP Ti），而第三方CAD/CAM 切削基台为5级钛合金（Ti-6Al-4V)，5级钛合金拥有着更高的强度和弹性模量。Jo等[16]表示4级商业纯钛的沉降值较5级钛合金更高，但是本实验结果成品基台的沉降值低于第三方CAD/CAM 切削基台，说明基台与种植体之间的匹配精密度对扭矩维持的影响远大于材料不同而带来的影响。虽然3组基台在循环加载后均未出现螺丝松动的现象，但是在铸造基台组中会发现扭矩丧失量很高的异常值达73.64%，而在第三方CAD/CAM 切削基台组中发现一个样本基台螺丝发生形变已无法取出。由于铸造基台或第三方CAD/CAM 切削基台与种植体的连接部位存在精密度差的原因，进而导致螺丝松动甚至折断等机械并发症，故不推荐使用。近些年来很多种植体品牌均推出了Ti base 的使用，它是一种穿龈高度更低且可以个性化设计穿龈轮廓的基台，根据不同的品牌通常有0.5、1.5、1、2、3 mm 等类型，技师在设计好修复体后可在口外使用树脂或玻璃离子粘接剂将修复体与Ti base粘接而形成类似螺丝固位的修复体。综上所述，在临床中选择修复基台时，尽量避免使用铸造基台和第三方基台。当修复空间不足或者需要个性化设计穿龈轮廓时，可选择原厂Ti base。

综上所述，本研究所有组中基台经循环加载后螺丝扭矩均有显著下降。结果提示长期的咀嚼负载会导致连接部位的震动，基台与种植体连接界面的磨损，以及基台的沉降，这些将导致基台螺丝扭矩的丧失，进一步可能发展为螺丝松动，甚至螺丝折断。故在实际临床工作，必须根据厂家要求在拧紧新螺丝数分钟后再次施加拧紧扭矩，并且需要定期检测基台螺丝扭矩，甚至再次施加拧紧扭矩。此外，不同方式制作的基台其连接部位的精密度存在差异，当基台与种植体连接部位莫氏锥度不匹配时，在受到外力作用后其沉降效应更大，进而会造成更大基台螺丝扭矩丧失。就本实验有限的数据提示在选择修复基台时，应当避免使用铸造基台和第三方基台。

利益冲突声明：作者声明本文无利益冲突。