人工种植牙生物力学研究进展

人工种植生物力学相容性是种植牙成功的不可忽视的一个重要方面,过大或过小的应力均可引起牙周骨组织的吸收或萎缩,从而导致人工种植牙的失败。

本文通过种植体材料种植体的形态结构,种植体长度及直径,种植体与上部结构的连接方式等因素对应力分布的影响,把近年来人工种植生物力学研究进展简略的进行综述。

种植义齿是口腔科领域中发展最快,最令人兴奋的一个分支,已成为与高速涡轮牙机、全景X线机、高分子粘固材料并列的20世纪牙科发展的四项重大突破之一。

一个成功的人工种植体应该和骨组织直接结合,形成良好的生物力学相容性,将咀嚼压力均匀分布到周围骨组织应力过大或过小,都无益于种植牙周骨组织的重建,都将导致种植牙的失败。

据此,本文特将人工种植牙的生物力学研究进展作一概述。

1 应力分布研究方法的发展  在20世纪70年代以前,生物力学研究应力分布的检测多采用电测法和光弹法,电测法和光弹法属于实验应力分析法。

电测法是实验应力分析方法中最基本的方法之一,它的灵敏度与精确度较高,可用于现场测定,用于各种复杂环境下测量多种力学参数,但电测法只能逐点测量物件表面的应变,且仅能获得应变片所在位置的应变平均值,不能直观得出构件应力分布的全貌,在环境条件恶劣时误差较大。

光弹应力分析法具有直观性和全场性的优点,可用以分析各种形状的复杂构件和表面应力,也是口腔生物力学常采用的研究方法,但光弹法不能把材料力学和弹性理论联系起来,如不能计算出模型内任意处的应力值和位移值。

自从1973年Theresher和Farah几乎同时将有限元法(finite element method,FEM)应用于口腔医学领域,FEM已成为一种有效的数学工具,在口腔生物力学研究中得到广泛应用。

FEM具有以下优点:可以准确地表达复杂的几何形状;可以在同一模型上对不同性质的材料进行力学分析;可以进行复杂载荷条件下的应力分析;模型的转换较为简便;对应力的内部状态及其它力学性能定量测定的代表性好,同时FEM在应用中自身也不断得到完善,其中从二维到三维是FEM发展的一个飞跃。

1976年Weinstein等应用二维FEM分析了多孔圆柱种植体界面的应力分布,将FEM引入了口腔种植领域,从此,有关种植义齿生物力学研究进入了一个新的阶段。

Meijer等[1]将二维有限元法和三维有限元法进行了比较,认为后者的模型相似性好,可客观反映被分析受力结构的信息,但是有限元法的单元在大小、形状、数目、载荷情况、假设条件与真实情况差异及边界条件等均影响结果。

因此,为使结果更加真实可信,有限元法研究手段不断完善,目前已从静态研究发展到动态研究,并有向非线性发展的趋势。

2 种植体材料应力分布的影响  人工种植体研究和应用已有30多年的历史,但迄今为止,只有少数几种材料种植体为人们所接受,其中应用历史最长、也最广泛的是钛质种植体,金属钛具有良好的生物相容性,与骨组织形成紧密、牢固的结合,而且其弹性模量与骨很接近,与骨结合所形成的界面是动态的,在适当负荷的刺激下,种植体与骨的接触程度在一年后会从53%增加到74%[2],所以说钛是一种理想的种植材料

Mailath(1989)等[3]用有限元法种植体材料进行了研究得出结论,种植体材料的弹性模量至少为110,000N/mm2(1.1×10MPa)。

Clelland(1991)等[4]用三维有限元法研究了Screwvent骨内种植体及支持组织应力分布情况,这种商业纯钛种植体最大应力区是在种植体的颈部,这些应力比商业纯钛的疲劳极限(259,90MPa)低18倍,骨内最大压力值(19.57MPa)是在颈部的舌侧区,而且Screwvent种植体近远中应力(最大为0.38MPa)比种植体颊、舌侧低得多。

这一点和以前放射照片研究的骨吸收发生在种植体的近远中不同。

为了更快的形成骨整合,人们还从种植体的表面涂层入手。

尤其是羟基磷灰石喷涂(hydroxyapatite,HA)研究最多,但还是有很大争议,生物活性材料的涂层,可以改善与骨的结合方式,从生化角度上看,对种植牙长期成功是有益的,但从生物力学角度是否有明显的改善并不清楚[5]。

Rieger(1989)进行了研究认为:骨结合界面与骨适应界面比较,从生物力学上看种植牙周围骨内应力分布比较并没有明显的改善,这还有待于进一步研究

最近Meijer(1997)等[6,7]使用柔韧高分子生物材料(polyactiv,PL)即聚丁烯对二苯酸盐(酯)聚合物(polyethyleneoxide polybutylenete rephthalate(PEO:PBT)copolymer)和硬性HA穿龈种植体进行动物(狗)实验研究,从组织学上和临床方面作一比较,PL设有三种(一种密集型,两种多孔型)6个月加载,PL和HA种植体周围骨组织在第6周有骨吸收(高度失去1mm),第12周可见重建,18周后恢复到原来的水平,结果PL比HA引起密度上较少的降低。

这个结果显示:柔韧种植材料更有利于应力向周围骨组织传导。

临床方面PEO:PBT和陶瓷、生物玻璃、钛、和其他材料相比较,结果:PEO:PBT是一种柔韧材料,能降低穿龈种植体颈部应力峰值,致密型PL功能合适,运动性能与天然牙相近似,表现出最好的临床功能,也能减少种植体周围应力峰值。

从组织学观察得出结论:柔韧的骨结合,种植体更能较好地把应力传导到周围骨组织,因此它可能是硬性种植体有前途的替代物。

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