1、口腔種植牙生物力學進展【摘要】 口腔種植學產生于口腔修復學、口腔外科學、牙周病學、口腔組織病理學、口腔材料學、口腔放射學、口腔預防保健學、生物力學、機械工學等學科的專業知識，在它們的交界邊緣處形成。人工種植牙生物力學是種植牙成功不可忽視的一個重要方面，過大或過小的應力均可引起牙周骨組織的吸收或萎縮，從而導致人工種植牙的失敗。筆者通過種植體材料，種植體的形態結構，種植體長度及直徑，種植體與上部結構的連接方式等因素對應力分布的影響，把近年來人工種植牙生物力學研究進行綜述。希望本文能對廣大口腔醫務工作者了解這門學科及從事種植義齒活動治療工作時，發揮一些有益的參考作用。 【關鍵詞】 人工種植體生物力學

2、研究進展；種植材料；種植體形態結構；植體上連接裝置種植體長度和直徑；種對應力分布的影響 種植義齒是口腔科領域中發展最快，最令人興奮的一個分支，已成為與高速渦輪牙機、全景X線機、高分子粘固材料并列的20世紀牙科發展的四項重大突破之一。一個成功的人工種植體應該和骨組織直接結合，形成良好的生物力學相容性，將咀嚼壓力均勻分布到周圍骨組織，應力過大或過小，都無益于種植牙周骨組織的重建，都將導致種植牙的失敗。 1 應力分布研究方法的發展 在20世紀70年代以前，生物力學研究和應力分布的檢測多采用電測法和光彈法，電測法是實驗應力分析方法中最基本的方法之一，它的靈敏度與精確度較高，可用于現場測定，用于各種復雜

3、環境下測量多種力學參數，但電測法只能逐點測量物件表面的應變，且僅能獲得應變片所在位置的應變平均值，不能直觀得出構件應力分布的全貌，在環境條件惡劣時誤差較大。光彈應力分析法具有直觀性和全場性的優點，可用以分析各種形狀的復雜構件和表面應力，也是口腔生物力學常采用的研究方法，但光彈法不能把材料力學和彈性理論聯系起來，如不能計算出模型內任意處的應力值和位移植。自從1973年Theresher和Farah幾乎同時將有限元法（finite element method,FEM)應用于口腔醫學領域，FEM已成為一種有效的數學工具，在口腔生物力學研究中得到廣泛應用。FEM具有以下優點：可以準確地表達復雜的幾何

4、形狀；可以在同一模型上對不同性質的材料進行力學分析；可以進行復雜載荷條件下的應力分析；模型的轉換較為簡便；對應力的內部狀態及其它力學性能定量測定的代表性好，同時FEM在應用中自身也不斷得到完善，其中從二維到三維是FEM發展的一個飛躍。1976年Weinstein等應用二維FEM分析了多孔圓柱種植體界面的應力分布，將FEM引入了口腔種植領域，從此，有關種植義齒生物力學的研究進入了一個新的階段。 2 種植體材料對應力分布的影響 人工牙種植體的研究和應用已有30多年的歷史，但迄今為止，只有少數幾種材料的種植體為人們所接受，其中應用歷史最長、也最廣泛的是鈦質種植體，金屬鈦具有良好的生物相容性，與骨組織

5、形成緊密、牢固的結合，而且其彈性模量與骨很接近，與骨結合所形成的界面是動態的，在適當負荷的刺激下，種植體與骨的接觸程度在一年后會從53%增加到74%，所以說鈦是一種理想的種植材料。用三維有限元法研究了Screw-vent骨內種植體及支持組織應力分布情況，這種商業純鈦種植體最大應力區是在種植體的頸部，這些應力比商業純鈦的疲勞極限（259，90MPa）低18倍，骨內最大壓力值（19.57MPa)是在頸部的舌側區，而且Screw-vent種植體近遠中應力（最大為0.38MPa）比種植體頰、舌側低得多。這一點和以前放射照片研究的骨吸收發生在種植體的近遠中不同。為了更快的形成骨整合，人們還從種植體的表面

6、涂層入手。尤其是羥基磷灰石噴涂（hydroxyapatite,HA)研究最多，但還是有很大爭議，生物活性材料的涂層，可以改善與骨的結合方式，從生化角度上看，對種植牙長期成功是有益的，但從生物力學角度是否有明顯的改善并不清楚。最近Meijer(1997)等，使用柔韌高分子生物材料（polyactiv,PL)即聚丁烯對二苯酸鹽（酯）聚合物polyethylene-oxide polybutylene-terephthalate(PEO:PBT)copolymer和硬性HA穿齦種植體進行動物（狗）實驗研究，從組織學上和臨床方面作一比較，PL設有三種（一種密集型，兩種多孔型）6個月加載，PL和HA種植

7、體周圍骨組織在第6周有骨吸收（高度失去1mm)，第12周可見重建，18周后恢復到原來的水平，結果PL比HA引起密度上較少的降低。這個結果顯示：柔韌種植材料更有利于應力向周圍骨組織傳導。臨床方面PEO：PBT和陶瓷、生物玻璃、鈦、和其他材料相比較，結果：PEO：PBT是一種柔韌材料，能降低穿齦種植體頸部應力峰值，致密型PL功能合適，運動性能與天然牙相近似，表現出最好的臨床功能，也能減少種植體周圍應力峰值。從組織學觀察得出結論：柔韌的骨結合，種植體更能較好地把應力傳導到周圍骨組織，因此它可能是硬性種植體有前途的替代物。 3 種植體形態結構對應力分布的影響 成功的種植體不僅取決于種植體材料的生物學性

8、質及手術技術，種植體的表面形態也十分重要。近年來，國外學者圍繞著種植體以什么樣的形態結構才具有最佳的生物力學相容性，作了大量的研究。關于口腔種植體宏觀形態基本上認為以單個旋轉對稱為最佳，所以新近出現的或改良的種植體系列極少看到過去傳統的錨狀或翼狀形態。即粗糙的種植體表面更利于新骨生長，形成更廣泛骨-種植體結合區，Mailath(1989)使用有限元法研究了骨內種植體形狀與應力分布的關系得出結論，圓柱形種植體比圓錐形種植體更可取，因為它降低了應力在骨皮質上的峰值。Arpinar(1996)等，用有限元法對兩種硬性種植體設計進行研究，結果為：中空螺旋種植體（ITI1）在頂點區域產生高和應力集中，而

9、實心螺旋種植體（ITI2）應力的分散轉移要比中空好得多。1996年黃輝等，對螺紋頂角角度對柱狀螺旋根管內種植體應力分布進行了研究，結果表明：螺紋頂角角度的改變，可以導致種植體在支持組織的應力分布水平的變化，螺紋頂角為60度的種植體應力分布較合理，為種植體設計、應用提供理論依據。 4 種植體的長度和直徑對應力分布的影響 對于種植體長度和直徑與種植體周圍骨面應力反應的關系，目前國外研究報告的觀點不一致。Mailath(1989)等，用有限元法對不同直徑的種植體進行生物力學研究，結果發現大直徑種植體產生有利的應力分布效果。Block(1990)通過動物試驗證明，種植體從骨中拉出力與其長度關系極大，而

10、與其直徑關系不大。Lum(1991）發現骨界面應力主要集中于種植體頸部的牙槽嵴頂而非整個種植體周圍，并據此推論使用短種植體可能對骨界面應力集中值影響不大。Lum（1992）用工程統計學方法，分析了軸向力和水平力作用下種植體力的傳導，結果發現，在軸向力作用下，僅僅長度為10mm，直徑為4mm的種植體，能傳導平均最大咬合力，支持骨受到張力在正常生理限度內。在水平力作用下長度大于12mm時，再增加長度對力的傳導無顯著差異。Meijer(1992)等，使用短種植體以其周圍的應力無太大影響。鄒敬才（1996）等，應用二維有限方法，對3mm，4mm，5mm三種不同直徑的螺旋形種植體進行對比分析，結果表明：

11、螺旋形種植體直徑增加，對骨界面的總體應力分布規律影響不大，但隨著直徑的增加，對骨界面應力降低，種植體與骨界面的相對位移運動也相應減小，有利于骨界面的應力分布。提示臨床盡可能選擇直徑稍粗的一些種植體。Tuncelli(1997)，等應用有限元法，比較了ITI中空圓柱兩段式種植體不同直徑（3.5mm，4.5mm,6mm）應力分布。結果發現：相對較大的直徑種植體更有利于下頜后部區域（應力分布好）。張少鋒（1997）等，用有限元法研究了種植體長度和直徑對種植全口義齒應力的影響，得出結論：種植體周圍骨界面應力的大小與種植體長度密切相關，呈負相關關系。種植體直徑在臨床常用范圍內變化時，僅引起自身應力及種植

12、的改變，而對種植全口義齒的其他結構和組織應力狀況影響不大。 5 種植體上部結構的連接裝置對應力分布的影響 人們為了去模仿天然牙牙周膜的緩沖作用，一些學者用一些具有粘彈性的材料如聚甲醛制成內動部件，連接種植體和附著體。McClumphy(1989)在種植牙上用聚甲醛材料設計了一個具有彈性的內連接體，并用鈦制作一相同的內連接體作對照，用光彈應力分析法對兩者進行了應力分布的對比研究，結果：在骨界面上應力分布兩者差異沒有顯著性。Vanrossen(1990)等，通過二維有限元法，對不同彈性連接體彈性模量和不同外形的內連接體在單個種植體上進行分析，結果：內彈性連接體彈性模量的改變對周圍骨應力分布沒有影響。Chapman(1990)等，設計一種內部減震器（shockabsor-ber)，把種植體與義齒相連接，用鈦制作對比，結果：兩者差異有顯著性，可減少咬合力。elChkawi hG(1990 )在種植體上部結構下面使用一層彈性材料，種植體不動，而上部結構可動，結果發現這種改進使應力和位移分布和天然牙相類似。Kraut(1993)等，設計了一種彈性內動連接系統，結果表明這套系統能吸收應力，減少達到種植體和周圍骨的應力值。 牙種植的迅速發展，它無論從功能上還是從美學及心理方面，都給人們帶來了希望和振奮。牙種植學，是一門年輕的科學，但仍