种植全口义齿的三维有限元分析——上部连接设计对应力的影响
作者：西安第四军医大学口腔医学院 710032
单位：张少锋 马轩祥 张 铁
关键词：全口义齿；牙植入体；连接结构；有限元分析
实用口腔医学杂志990320
〔摘要〕 目的：分析选用不同上部连接设计时种植全口义齿及其支持组织的应力状况以指导临床设计。方法：用三维有限元法研究螺丝固定结构与球帽附着结构对种植体全口义齿应力状况的影响。结果：采用螺丝固定结构较采用球帽附着结构者，义齿的种植体骨界面应力高出61%，基托应力高出218%，种植体本身应力及人造牙列应力变化不大。结论：球帽附着结构较螺丝固定结构能显著降低种植体骨界面应力和义齿基托应力，利于义齿坚固耐用和支持组织健康。
, 百拇医药
A 3-dimentional finite element analysis (3-D FEA) of the complete
dentures supported by implants with varied connecting structures
Zhang Shaofeng, Ma Xuanxiang, Zhang Tie, et al. Stomatological College , Fourth Millitary Medical University, Xi'an 710032
〔Abstract〕Objective: To study the stress states of the complete dentures supported by implants with varied connecting structures in order to guide the design in clinic.Methods:3-D FEM was used to investigate the stress in the dentures attached to implants by ball-cap structures or by screws.Results:The maximum stress in the implant-bone interface resulted from the dentures attached to implants by screws was 61% higher than that by ball-cap structures, the maximum stress in the denture base in the former was 218% higher than that in the later. However, the stress levels in the implants and artificial teeth showed no difference between the two kinds of dentures.Conclusions:The ball-cap attachment can remarkably decrease the stress level in the implant-bone interface and denture base, and is better to the sturdy of the dentures and the health of supporting tissues than screw attachment.
, 百拇医药
Key words Complete denture; Dental implants; Connecting structure; Finite element analysis
种植全口义齿上部连接结构的设计选择是临床非常关心的问题。因为它关系到义齿能否坚固耐用、长期良好地行使功能，以及支持组织的健康。本文采用三维有限元方法，对种植全口义齿选用不同上部连接设计时的应力状况进行对比分析，以期为临床工作提供参考。
1 材料和方法
采用作者[1] 所建立的下颌骨及其上的种植全口义齿三维有限元基本模型， 将4 个直径4 mm、长14.5 mm的钛种植体均匀分布于双侧颏孔之间的牙槽骨中，即种植于
之间。
, http://www.100md.com 从临床实际来看，种植全口固定义齿与种植全口覆盖义齿在结构设计上的主要不同在于义齿与种植体之间的连接方式不同。种植全口固定义齿是通过固定螺丝完全固定于种植体基牙上，不释放任何扭矩，而种植全口覆盖义齿是通过球帽结构、杆卡结构等一定的上部缓冲结构形式附着于种植体基牙上，能释放一定的扭矩。
本实验选择两种连接设计进行比较，即设定种植全口固定义齿的上部连接为螺丝固定，不释放任何力矩；种植全口覆盖义齿的上部连接为具有典型意义的球帽结构，完全释放力矩。
为统一实验条件，使模型间具有可比性，本实验设定所使用种植体为粗细均匀、直径4 mm，义齿基托中不使用铸造支架。 有关种植体颈狭部直径和义齿基托中铸造支架对应力的影响，在另实验探讨。
本实验将各种组织和材料视为连续、均匀、各向同性和线弹性材料，其弹性常数见表1[2]。
, http://www.100md.com 表1 材料的弹性模量和泊松比
材料名称
弹性模量(MPa)
泊松比
人造牙
3.000×103
0.3
基托(PMMA)
2.000×103
0.3
粘骨膜
3.094
, http://www.100md.com
0.3
密质骨
1.407×104
0.3
松质骨
1.408×103
0.3
钛种植体
1.200×105
0.3
钴铬合金
2.170×105
, 百拇医药
0.3
载荷条件为采用10 kg
力垂直作用于D区第二前磨牙处。
2 结 果
2.1 观察指标的选择
基托和牙列中的综合应力反映了两者的强度要求，并且综合应力的应力集中情况与最大拉应力和最大压应力的应力集中情况相一致，因此本文将综合应力作为分析基托和牙列应力状况的观察指标。
金属钛的拉、压强度基本相同，因此将以种植体所受到的拉、压应力的最大绝对值来作为分析观察种植体应力状况的观察指标。
骨组织受压易发生骨质吸收，因此将以最有害的种植体周围骨组织的最大压应力来作为分析种植体骨界面应力的观察指标。且本实验中骨界面最大压应力的绝对值一般也都大于最大拉应力的绝对值。
, 百拇医药
2.2 计算结果
本实验得出的各种组织和材料的应力峰值计算结果列于表2、3。应力峰值出现的部位，与作者先前报道的结果[2]相同。
表2 选用螺丝固定连接时的应力状况 (MPa) 应力(stress)
骨界面
种植体
基 托
人造牙
最大拉应力(Max)
26.692
22.823
, http://www.100md.com 20.762
12.464
最大压应力(Min)
38.553
21.498
40.152
23.088
综合应力(Von Mises)
/
/
27.344
16.549
, 百拇医药 表3 选用球帽附着连接时的应力状况 (MPa) 应力(stress)
骨界面
种植体
基 托
人造牙
最大拉应力(Max)
19.819
22.170
7.190
11.167
最大压应力(Min)
23.919
, 百拇医药
18.181
12.914
23.132
综合应力(Von Mises)
/
/
8.613
16.022
3 讨 论
根据1978年国际健康研究所和1986 年国际种植学会所提出的口腔种植成功的标准，种植体周围骨组织吸收状况和种植体是否能稳固、长久地保持在牙槽骨中并良好地行使功能，是口腔种植成功的核心问题，而这些问题与种植体周围的骨界面应力直接相关。因此，本文在对种植全口固定义齿和种植全口覆盖义齿作应力比较时，以骨界面应力作为首要的评价标准，其次再考虑基托、种植体的应力状况。
, 百拇医药
本实验计算结果显示，在其它条件不变，仅改变上部连接设计时，采用螺丝固定结构的种植全口固定义齿的骨界面应力明显高于采用球帽附着结构的全口种植覆盖义齿，前者高出后者约61%。说明采用释放力矩的球帽结构等附着连接方式， 对减缓种植体周围骨组织的吸收、维护种植体的长期稳固较为有利。
从基托中的应力集中情况看，螺丝固定的种植全口固定义齿也显著的高于球帽附着的种植全口覆盖义齿，高出约218%，说明在咀嚼力作用下，种植全口固定义齿基托发生折裂的危险性较种植全口覆盖义齿大，它的基托加强问题值得临床考虑。
就种植体本身应力而言，螺丝固定的种植全口固定义齿略大于球帽附着的种植全口覆盖义齿，但力值增加极少，且应力的绝对值也远小于纯钛的强度极限，说明在种植体粗细相同的情况下，选用种植全口固定义齿还是选用种植全口覆盖义齿，对种植体本身的应力值改变影响不大，均不易发生种植体折断。
从计算结果还可以看出，两种连接设计的义齿，其人造牙列的应力集中值变化不大，说明人造牙列的应力值可能主要与其自身的几何形态以及
力的大小和作用点有关，临床上义齿的折裂也多出现在人造牙之间的基托处而罕有经过人造牙牙体的。
, http://www.100md.com
4 结 论
球帽附着连接的种植全口覆盖义齿的种植体骨界面应力、基托应力等均明显低于螺丝固定连接的种植全口固定义齿，显示出较佳的力学特性。因此临床上在能满足一定的义齿固位要求的情况下，种植全口义齿上部结构的连接设计应优先选择能释放力矩的附着连接方式，如球帽附着结构。
本课题为国家自然科学基金资助项目，编号 39600165
参考文献
1 张少锋，马轩祥，，等. 种植全口义齿有限元模型的建立. 现代口腔医学杂志, 1996,10(增刊):40
2 张少锋, 马轩祥，，等. 种植全口义齿的应力分布特点. 实用口腔医学杂志, 1997，13(3):194
(收稿：1999-03-28 修回：1999-04-20), http://www.100md.com
单位：张少锋 马轩祥 张 铁
关键词：全口义齿；牙植入体；连接结构；有限元分析
实用口腔医学杂志990320
〔摘要〕 目的：分析选用不同上部连接设计时种植全口义齿及其支持组织的应力状况以指导临床设计。方法：用三维有限元法研究螺丝固定结构与球帽附着结构对种植体全口义齿应力状况的影响。结果：采用螺丝固定结构较采用球帽附着结构者，义齿的种植体骨界面应力高出61%，基托应力高出218%，种植体本身应力及人造牙列应力变化不大。结论：球帽附着结构较螺丝固定结构能显著降低种植体骨界面应力和义齿基托应力，利于义齿坚固耐用和支持组织健康。
, 百拇医药
A 3-dimentional finite element analysis (3-D FEA) of the complete
dentures supported by implants with varied connecting structures
Zhang Shaofeng, Ma Xuanxiang, Zhang Tie, et al. Stomatological College , Fourth Millitary Medical University, Xi'an 710032
〔Abstract〕Objective: To study the stress states of the complete dentures supported by implants with varied connecting structures in order to guide the design in clinic.Methods:3-D FEM was used to investigate the stress in the dentures attached to implants by ball-cap structures or by screws.Results:The maximum stress in the implant-bone interface resulted from the dentures attached to implants by screws was 61% higher than that by ball-cap structures, the maximum stress in the denture base in the former was 218% higher than that in the later. However, the stress levels in the implants and artificial teeth showed no difference between the two kinds of dentures.Conclusions:The ball-cap attachment can remarkably decrease the stress level in the implant-bone interface and denture base, and is better to the sturdy of the dentures and the health of supporting tissues than screw attachment.
, 百拇医药
Key words Complete denture; Dental implants; Connecting structure; Finite element analysis
种植全口义齿上部连接结构的设计选择是临床非常关心的问题。因为它关系到义齿能否坚固耐用、长期良好地行使功能，以及支持组织的健康。本文采用三维有限元方法，对种植全口义齿选用不同上部连接设计时的应力状况进行对比分析，以期为临床工作提供参考。
1 材料和方法
采用作者[1] 所建立的下颌骨及其上的种植全口义齿三维有限元基本模型， 将4 个直径4 mm、长14.5 mm的钛种植体均匀分布于双侧颏孔之间的牙槽骨中，即种植于
之间。, http://www.100md.com 从临床实际来看，种植全口固定义齿与种植全口覆盖义齿在结构设计上的主要不同在于义齿与种植体之间的连接方式不同。种植全口固定义齿是通过固定螺丝完全固定于种植体基牙上，不释放任何扭矩，而种植全口覆盖义齿是通过球帽结构、杆卡结构等一定的上部缓冲结构形式附着于种植体基牙上，能释放一定的扭矩。
本实验选择两种连接设计进行比较，即设定种植全口固定义齿的上部连接为螺丝固定，不释放任何力矩；种植全口覆盖义齿的上部连接为具有典型意义的球帽结构，完全释放力矩。
为统一实验条件，使模型间具有可比性，本实验设定所使用种植体为粗细均匀、直径4 mm，义齿基托中不使用铸造支架。 有关种植体颈狭部直径和义齿基托中铸造支架对应力的影响，在另实验探讨。
本实验将各种组织和材料视为连续、均匀、各向同性和线弹性材料，其弹性常数见表1[2]。
, http://www.100md.com 表1 材料的弹性模量和泊松比
材料名称
弹性模量(MPa)
泊松比
人造牙
3.000×103
0.3
基托(PMMA)
2.000×103
0.3
粘骨膜
3.094
, http://www.100md.com
0.3
密质骨
1.407×104
0.3
松质骨
1.408×103
0.3
钛种植体
1.200×105
0.3
钴铬合金
2.170×105
, 百拇医药
0.3
载荷条件为采用10 kg
力垂直作用于D区第二前磨牙处。2 结 果
2.1 观察指标的选择
基托和牙列中的综合应力反映了两者的强度要求，并且综合应力的应力集中情况与最大拉应力和最大压应力的应力集中情况相一致，因此本文将综合应力作为分析基托和牙列应力状况的观察指标。
金属钛的拉、压强度基本相同，因此将以种植体所受到的拉、压应力的最大绝对值来作为分析观察种植体应力状况的观察指标。
骨组织受压易发生骨质吸收，因此将以最有害的种植体周围骨组织的最大压应力来作为分析种植体骨界面应力的观察指标。且本实验中骨界面最大压应力的绝对值一般也都大于最大拉应力的绝对值。
, 百拇医药
2.2 计算结果
本实验得出的各种组织和材料的应力峰值计算结果列于表2、3。应力峰值出现的部位，与作者先前报道的结果[2]相同。
表2 选用螺丝固定连接时的应力状况 (MPa) 应力(stress)
骨界面
种植体
基 托
人造牙
最大拉应力(Max)
26.692
22.823
, http://www.100md.com 20.762
12.464
最大压应力(Min)
38.553
21.498
40.152
23.088
综合应力(Von Mises)
/
/
27.344
16.549
, 百拇医药 表3 选用球帽附着连接时的应力状况 (MPa) 应力(stress)
骨界面
种植体
基 托
人造牙
最大拉应力(Max)
19.819
22.170
7.190
11.167
最大压应力(Min)
23.919
, 百拇医药
18.181
12.914
23.132
综合应力(Von Mises)
/
/
8.613
16.022
3 讨 论
根据1978年国际健康研究所和1986 年国际种植学会所提出的口腔种植成功的标准，种植体周围骨组织吸收状况和种植体是否能稳固、长久地保持在牙槽骨中并良好地行使功能，是口腔种植成功的核心问题，而这些问题与种植体周围的骨界面应力直接相关。因此，本文在对种植全口固定义齿和种植全口覆盖义齿作应力比较时，以骨界面应力作为首要的评价标准，其次再考虑基托、种植体的应力状况。
, 百拇医药
本实验计算结果显示，在其它条件不变，仅改变上部连接设计时，采用螺丝固定结构的种植全口固定义齿的骨界面应力明显高于采用球帽附着结构的全口种植覆盖义齿，前者高出后者约61%。说明采用释放力矩的球帽结构等附着连接方式， 对减缓种植体周围骨组织的吸收、维护种植体的长期稳固较为有利。
从基托中的应力集中情况看，螺丝固定的种植全口固定义齿也显著的高于球帽附着的种植全口覆盖义齿，高出约218%，说明在咀嚼力作用下，种植全口固定义齿基托发生折裂的危险性较种植全口覆盖义齿大，它的基托加强问题值得临床考虑。
就种植体本身应力而言，螺丝固定的种植全口固定义齿略大于球帽附着的种植全口覆盖义齿，但力值增加极少，且应力的绝对值也远小于纯钛的强度极限，说明在种植体粗细相同的情况下，选用种植全口固定义齿还是选用种植全口覆盖义齿，对种植体本身的应力值改变影响不大，均不易发生种植体折断。
从计算结果还可以看出，两种连接设计的义齿，其人造牙列的应力集中值变化不大，说明人造牙列的应力值可能主要与其自身的几何形态以及
力的大小和作用点有关，临床上义齿的折裂也多出现在人造牙之间的基托处而罕有经过人造牙牙体的。, http://www.100md.com
4 结 论
球帽附着连接的种植全口覆盖义齿的种植体骨界面应力、基托应力等均明显低于螺丝固定连接的种植全口固定义齿，显示出较佳的力学特性。因此临床上在能满足一定的义齿固位要求的情况下，种植全口义齿上部结构的连接设计应优先选择能释放力矩的附着连接方式，如球帽附着结构。
本课题为国家自然科学基金资助项目，编号 39600165
参考文献
1 张少锋，马轩祥，
，等. 种植全口义齿有限元模型的建立. 现代口腔医学杂志, 1996,10(增刊):402 张少锋, 马轩祥，
，等. 种植全口义齿的应力分布特点. 实用口腔医学杂志, 1997，13(3):194(收稿：1999-03-28 修回：1999-04-20), http://www.100md.com