碳纳米管改性高聚乙烯抗菌缓冲层对种植体应力分布影响的三维有限元分析

吕川 郑胜 张帅*

种植体及中央螺栓的折断是临床中常见的种植体并发症，主要原因是种植体骨结合是刚性连接，无类似天然牙的牙周韧带起缓冲作用［1］。大量研究试图模拟牙周韧带的力学作用，然而，由于设计在种植体表的涂层易干扰种植体与颌骨的结合，且易引发软组织炎症，从而未能成功建立。本研究分别在基台、中央螺栓颈部制作碳纳米管改性高聚乙烯载银涂层，进行三维有限元应力分析，探讨在其表面增加缓冲层后，是否可以显著降低种植体各部分及周围骨组织所受应力。

1 资料与方法

1.1 设计 实验流程设计见图1。

图1 碳纳米管改性高聚乙烯抗菌缓冲层对种植体应力分布影响的三维有限元分析流程图

1.2 材料 由医院提供的CT扫描数据DICOM文件（研究对象：36 岁成年女性志愿者1 名，身高163 cm，体质量55 kg，颌骨结构正常，且无骨折情况，获伦理委员会批准后，签署知情同意书，拍摄口腔正侧位，双斜位，动力位X 线片，已排除口腔畸形和破坏等病理性病变，从而获取到下颌骨磨牙区域的正常CT 数据）。

1.3 设备及软件 Mimics16.0 软件，Geomagic Studio2014 软 件，Pro/E5.0 软 件，Hypermesh13.0 软件，MSC.Patran/Nastran2012 软件，CT 扫描采用GE Lightspeed 64 排螺旋CT 机，层厚0.293 mm。

1.4 方法 （1）种植体几何模型CT 重建：采用Mimics16.0 软件提取采集的CT 数据，重建出下颌骨第一磨牙区域的颌骨结构模型，并导出结构STL 文件。其次，对STL 进行修补、降噪及曲面化，逆向完成颌骨结构STP 文件，且设定皮质骨厚度为2 mm，将皮质骨和松质骨进行分离，在Pro/E5.0 软件中组装颌骨皮质骨和松质骨对应的几何实体模型。参考文献［2-6］中种植体各部分的尺寸参数，通过SolidWorks 软件对其种植体、中央螺栓、缓冲体、垫圈、基台、第一磨牙的牙冠进行三维建模，并与下颌骨的皮质骨和松质骨进行布尔运算，其中皮质骨厚度设置2 mm、中央螺栓与基台间的垫圈厚度设置1 mm、基台与种植体间的缓冲体厚度设置为0.5mm；种植体长9 mm、外径3.6 mm、内径2 mm。将几何模型三维重建流程及模型逆向处理，处理好的下颌骨皮质骨、松质骨、第一磨牙牙冠、种植体、基台、中央螺栓、缓冲体等结构三维几何实体模型，并导入MSC.Patran 软件中，见图2-3。（2）有限元网格的划分及模型分组：将种植体结构几何模型进行网格划分，导出文件，最终在MSC.Patran/Nastran2012 软件中进行有限元网格二次处理和其他网格特性赋值，完成种植体有限元网格模型，种植体、颌骨等实体结构均采用实体单元网格，共计85,155 个节点（Nodes）、473144 个网格单元（TetMesh Tet4 Element）；种植体与牙槽骨间模拟骨结合条件，结构间采用绑定连接，确保受力正常传递，见图4-7。根据缓冲层所在位置不同，分为四种工况：①基台与种植体间无缓冲层，中央螺栓与基台间无缓冲层；②基台与种植体间无缓冲层，中央螺栓与基台之间有缓冲层；③基台与种植体间有缓冲层，中央螺栓与基台之间无缓冲层；④基台与种植体间有缓冲层，中央螺栓与基台间有缓冲层。（3）材料参数的设定及边界条件的假定：参考国内外已发表的研究数据［7-9］，牙冠、牙槽骨、缓冲体、种植体等各结构材料参数，见表1。对种植体有限元模型进行边界条件和计算参数定义：①将牙槽骨底部完全固定约束，远中、近中断面的法向位移约束，不限制其他方向运动约束；②由于骨结构组织材料的复杂性以及受材料实验条件的限制，为理论计算的需要，通常会对材料属性做出一定的假设，假定下颌骨结构为各向同性、均匀、连续的线弹性材料；③假定种植体与颌骨的结构交界面处不产生相对滑动；④缓冲体单元类似于硅橡胶特性，定义为超弹性材料；⑤在牙冠处施加动态荷载（垂直向200 N，水平向100 N，45°，冲击速度44.9 mm/s），沿中央螺丝轴线方向施加5N 预紧力，预先固定连接种植体系统各个部件，分析四种不同计算工况下的种植体及牙槽骨等结构的生物力学特性。（4）种植体有限元仿真及生物力学：对四种工况进行生物力学有限元仿真模拟，分别得出下颌牙槽骨及种植体各部分对应的Von Mises 等效应力云图，见图8。（5）数据汇总及对比分析：将上述计算结果数据汇总于下表中，并通过绘制柱状图来对比四种计算工况下种植体及下颌骨槽骨近远中、颊舌侧对应的Von Mises 等效应力云图，并换算出相对基台无缓冲、中央螺栓无缓冲的各结构应力增量百分比情况，见图9 和表2。

表1 种植牙各结构组织材料参数表

表2 种植体及下颌骨近远中、颊舌侧的应力峰值表（MPa）

图2 下颌骨左侧第一磨牙槽骨结构CT重建

图3 种植体三维几何实体模型

图4 整体有限元网格模型（左图：实体效果，右图：消影效果）

图5 第一磨牙处颌骨槽骨有限元网格模型（内：松质骨，外：皮质骨）

图6 种植体有限元网格模型

图7 局部网格模型细节展示

图8 基台无缓冲、中央螺栓无缓冲对应的结构应力云图（MPa）

图9 种植体及下颌骨槽骨近远中、颊舌侧、种植体等结构应力对比图

2 结果

2.1 下颌牙槽骨的应力分析 舌侧和颊侧出现较近中、远中、舌颊侧明显的应力集中现象，其中颊侧受力要比舌侧大；远中与近中的应力峰值相近，且小于舌侧和颊侧。随着基台、中央螺栓处逐渐增加缓冲体，导致种植体振动冲击效应减弱，从而直接影响到种植体及颌骨槽骨周围的应力变化，且呈现应力减少的趋势，当基台无缓冲、中央螺栓无缓冲时，颌骨槽骨的应力峰值约34.6～121.0 MPa，种植体的应力峰值约123 MPa；当基台与中央螺栓处全部设置缓冲体时，颌骨颊侧、舌侧、远中、近中等位置处的应力峰值均达到最小，当基台有缓冲、中央螺栓有缓冲时，下颌牙槽骨的应力峰值约13.3～49.9 MPa，种植体的应力峰值约47.5 MPa。相对基台无缓冲、中央螺栓无缓冲情况，在基台、中央螺栓均设置缓冲体后颌骨舌颊侧应力减少约58%，颌骨近远中应力减少了约62%，种植体应力减少了约61%。

2.2 种植体的应力分析 基台有缓冲、中央螺栓无缓冲比基台无缓冲、中央螺栓有缓冲的效果好，基台有缓冲、中央螺栓无缓冲比基台无缓冲、中央螺栓有缓冲对颌骨舌颊侧应力减少约18%，颌骨近远中应力减少约22%，种植体应力减少约26%。当基台无缓冲、中央螺栓无缓冲时，种植体、中央螺栓、基台对应体部及颈部的应力峰值约16.9～159.7 MPa，且各结构的体部应力小于颈部应力。其中，种植体体部应力峰值约16.9 MPa，种植体颈部应力峰值约41.5 MPa，当基台与中央螺栓处全部设置缓冲体时，种植体、中央螺栓、基台等体部和颈部处的应力峰值均达到最小，当基台有缓冲、中央螺栓有缓冲时，种植体、中央螺栓、基台对应体部及颈部的应力峰值约6.5～61.4 MPa，相对基台无缓冲、中央螺栓无缓冲情况，在基台、中央螺栓均设置缓冲体后种植体、中央螺栓、基台体颈部应力减少约54.8%～64.6%。基台有缓冲、中央螺栓无缓冲比基台无缓冲、中央螺栓有缓冲效果好，且对种植体、中央螺栓、基台的体颈部应力减少约22.7%～32.4%；当基台有缓冲、中央螺栓无缓冲时种植体、中央螺栓、基台等结构体部与颈部应力均有所降低，而对于基台无缓冲、中央螺栓有缓冲时，基台体部应力相比基台无缓冲、中央螺栓无缓冲的降低不明显，基台颈部应力可能因中央螺栓有缓冲而降低约26.6%。

3 讨论

种植体折断及修复螺丝的折断是临床中常见的种植体并发症，大部分种植体折断发生在颈部［10］，与基台连接处。种植体和颌骨间无类似牙周膜韧带的缓冲系统。而目前应用的种植系统，种植体与上部修复结构间的连接均为刚性连接。近年来有研究聚焦于在种植体表面创建类牙周膜，但此类方法易造成种植体周围牙周纤维包裹，不能形成稳定的骨结合，从而导致种植体失败。

高性能的界面缓冲层需要同时满足以下要求［11-13］：（1）缓冲层材料具有高生物相容性并且能具有合适的力学性能。（2）缓冲层材料的微观结构能模拟牙周膜的作用，能优化种植体周围骨组织内的应力分布。（3）缓冲层具有足够高的耐循环变形抗疲劳性能和耐磨性能，并且能与基体表面形成足够强的结合力。研究表明，超高聚乙烯具有良好的生物相容性、与牙周膜相近的力学性能和高韧性，这种材料在构建高性能种植体缓冲层方面有较大的潜力［14］。尽管高聚乙烯已在人工椎间盘上取得了临床应用，但由于种植体在实际的工况中需要承受的物理环境比人工椎间盘更为苛刻，这种材料在种植体缓冲层方面的应用还需要解决一些关键的问题。高聚乙烯在应力下蠕变和耐热性差，抗摩擦强度低等缺陷仍在很大程度上限制其走向种植体优化改性的临床应用。

碳纳米管又称巴基管，是一种有特殊结构和性质的新型材料，是良好的复合材料增强剂［15］。有学者发现，随着碳纳米管含量的增加，超高分子质量的聚乙烯/碳纳米管复合纤维的结晶度和熔点均有所提高，拉伸强度和杨氏模量均大幅度提高拉伸强度较空白样品提高近3 倍，杨氏模量较空白样品提高近2 倍，蠕变性能也明显改善；随着碳纳米管的加入，复合纤维的耐热性及分解温度也提高［16］。学者［17-20］研究认为，种植体外形为实心螺纹圆柱形，螺纹顶角为60°时最有利于应力的分布，具有较好的生物力学相容性。种植体颈部与基台连接处为种植体结构中最薄弱的部分，在受到过大应力时，容易折断。种植体颈部增加微螺纹可以降低骨界面的应力值［7］。种植体长度的增加不会减少骨界面应力［8］，会降低周围骨的骨密度［21］，而种植体直径的减少会显著增加骨界面应力［22--23］。本研究发现，在四种工况中，种植体颈部的受力均明显大于种植体的其他部分，该结果与AHEBI 等［4］研究结果一致。

本研究结果显示，当基台与种植体之间及中央螺栓与基台之间均添加缓冲层时，种植体各部分及周围牙槽骨受到的应力最小；相对于仅在中央螺栓与基台间添加缓冲层而言，仅在基台与种植体之间添加缓冲层更加能显著减少种植体各部分及周围牙槽骨受到的应力。这可能因为添加在基台与种植体间的缓冲层面积更大，且与种植体颈部直接接触，故能更有效的减少应力。

综上所述，在基台与种植体之间及中央螺栓与基台之间添加碳纳米管改性高聚乙烯抗菌缓冲层可以有效减少种植体各部分及周围牙槽骨所受到的应力；添加在基台与种植体之间的缓冲层较添加在中央螺栓与基台更显著减少种植体各部分及周围牙槽骨所受到的应力；对于碳纳米管改性高聚乙烯抗菌缓冲层的耐磨损度及抗菌性还需进一步研究证实。