桩冠修复残冠的生物力学进展
(四川省巴中市巴中区人民医院，四川巴中636000)
摘要：桩核冠的设计、形态及材料对修复和保留牙体组织有重要意义，选择合适方法进行生物力学分析是研究的重点，本文对国内相关研究的方法、标准、结果作出比较分析，从不同桩冠修复残冠的三维有限元模型建立方法，生物力学分析结论和不同材料桩冠生物力学分析比较作一综述，使今后的研究设计更能准确地为临床修复提供依据。
关键词：桩核冠；三维有限元模型；应力分析；生物力学
中图分类号：R783
在牙齿因创伤、龋坏、牙折等因素引起大量的牙体缺损时，其剩余牙体组织难以使常规的充填、嵌体与冠修复方法固位时，在根管内置入桩，使修复体得以固位以抵抗牙合力和保留牙体组织。对桩核与牙根应力分布及其优化设计的研究，为临床保留牙体组织提供了科学依据。本文对不同桩冠修复残冠的三维有限元模型建立方法、生物力学分析结论和不同材料桩冠生物力学分析比较作一综述。
1.三维有限元模型的建立
有限元法分析残根、残冠、桩核冠修复是一种高效、精确、直观的方法。有限元法的单元大小、形状、数目、载荷情况、假设条件和真实情况的差异以及边界条件等均影响研究结果的准确性Ⅲ。建成后三维有限元模型与实体组织应具有良好的几何相似性。
目前生物体三维有限元建模思路主要是：①CT或层析法获得二维图像，然后提取轮廓数据，自底向上建模；②测量表面形貌，CAD或逆向软件造型；③3D软件直接造型。层析法是一种破坏性建模方法，表面形貌测量不能反映物体内部情况，即便是对修复前后的形貌进行测量也是一种破坏性建模的方法目，而CT断层扫描图像法可以在不破坏物体的情况下测量其表面和内部结构特征；自底向上建模和3D软件直接造型适用于表面形貌简单的模型，对于复杂物体，专用的逆向软件可以实现快速、正确的模型重建。
对桩核冠三维有限元模型建立的CT扫描方式各异，采用蜡块、石膏、环氧树脂包埋离体牙或直接对活体牙进行扫描；层扫间隔各异，分别有0.5 mm，0.625 mm，0.7 mm，1.0 mm；因此各研究在取得断层图像的数量和精确度上有差异。使用方法有，第一种：CAD造型软件SolidWorks2003.CAE软件FEAMAP对SolidWorks生成的实体模型进行网格剖分，建立十节点四面体单元而生成网格。第二种：采用Super SAP有限元软件(93版)，通过Au-tO CAD造型及SuperSuff软件和Calcomp Drawing SlateⅡ程序手工划分网格，建立三维结构实体单元，八节点六面体单元和六节点五面体单元目。第三种：利用MIMICS软件读取断层影像数据，三维重建牙体、牙本质、髓腔三个部件，图形以标准的三维文件格式STL分别输出，并将其读入GEOMAGIC软件，修改、调整髓腔形貌形成两个桩，补洞，光滑，转换三角域Bezier曲面为NURBERS曲面，用最少的曲面拟合出各部件的表面形貌，图形以IGEs格式分别输出，导人ANSYS软件，生成牙周膜、牙本质、桩核、牙冠四个部件，选择十节点四面体单元，即solid 92，使用网格划分工具生成四面体自由网格。第四种：有限元软件ANSYS分析，通过图像合成软件建立三维数字模型。单元类型选定为三维结构实体单元SOLID45，利用ANSYS软件中的Mesh命令，直接对模型进行智能网格划分。第五种：I-DEAS有限元分析软件建模，采用10节点四面体二次单元网格划分。
李群等没有通过CT扫描获取图像，而是通过测量牙体每1mm或0.5mm的截面上若干点坐标值，获取样件的基本几何数据，将图像信息输入计算机，使用mentat3.2程序生成轮廓线。进而生成面和体，得到牙体和修复体结构的三维重建模型。再通过MSC.MARC提供的基于公共界面网格划分技术，由封闭网络面向内自动生成实体单元；其几何相似性程度难以确定。
在研究中林川等应用第三种方法建立的模型网格划分后节点数达到330106、单元数达到286874。应用CT扫描结合逆向软件MIMICS和GEOMAGIC建模的方法可行，能较好实现有限元建模的几何相似性、边界约束与载荷相似性、力学性能相似性要求。
2.对磨牙、前磨牙、前牙桩的应力分析
对牙体组织进行应力分析，模型假设所有材料都为连续、均质、各向同性的线弹性体，材料受力变形为小变形，对牙槽骨外周边界进行所有自由度的刚性约束。李晓娜等探索将边界条件假设为牙槽骨底面六个自由度的全约束。所建模型的应力分布较为合理。
应力加载时，对于后牙，第一种：也是多数试验采用的方法，即静态垂直加载于牙冠外表面的截面形心；第二种：模拟最大尖窝交错接触，设置了实体模型面压力载荷：中央窝、近远中边缘嵴、近远中颊尖。第三种，分别以水平、垂直、斜向45度方向施加载荷100N的力，45度斜向力分解为x方向70.7N，Y方向70.7N的咬合力。
对于前牙，第一种：加载量为上中切牙的平均颌力，即117.68N。加载方式作用于上中切牙舌侧切1/3与中1/3交界处切龈向加载。作用力方向与牙体长轴呈40度夹角，另一为沿此作用力的延长线与铸造金属桩核相交加载。第二种：方向与牙冠长轴一致，大小为150N，加载点为牙冠切缘中点。
结果显示，最大应力主要集中在根分叉处、牙颈部，牙颈部舌侧比颊侧大。在无桩时，力沿牙本质传导，牙本质承担全部荷载：有桩时，牙本质承担的力相对小些。因此，模拟天然牙的牙本质承担全部荷载，各个部位的等效应力比残冠的牙体要大。应用锥形桩比应用柱形桩时牙本质所受的应力小。夏春明等在对前牙带角度桩冠的研究中，认为桩冠角度应控制在20度以内，以避免应力过大。由于箍效应的存在，对桩冠颈环设计影响牙本质应力分布。
3.不同材料桩冠修复应力分析
桩材料选择是桩修复的一个重要部分，分析桩材料对牙本质应力分布的影响，对保留剩余牙体组织有重要意义。
铸造玻璃陶瓷桩核冠与铸造金属烤瓷桩核冠在相同载荷作用下，对上中切牙的影响非常接近；尽量采用弹性模量较大的材料来制作桩核。镍铬桩核，采用全瓷冠、金合金冠、镍铬合金冠修复，在牙体中产生的应力峰值在11.370～112.90 MPa之间，金合金桩核组则在74.03～73.63MPa之间。表明桩核材料对牙体应力分布和应力峰值的影响明显，而冠材料对牙体应力的影响不大。桩材料首选金合金，碳素纤维次之，不宜采用不锈钢。
比较同类研究，翁维明等的研究将已做桩冠牙与天然牙的应力分布进行比较更具有临床意义。
4.存在的问题和研究前景
三维有限元模型的建立是生物力学分析的前提和基础，因此明确模型建立的影响因素，正确确立建模假设前提和标准，选择功能强大，识别能力强，图形拟合佳，曲线质量好的软件，尽量获取准确精度高的数据，从而使模型与实体组织具有良好的相似性，是此类研究获得科学性的基础。有的既往研究由于没有准确的建模数据和合适的软件而使其生物力学应力分析的结果可靠性降低。因此探求一套科学准确重复性好的三维有限元模型建立的方法是很有必要的。
由于口腔咀嚼运动复杂，既往应力分析均简化口腔组织情况，在假设条件下建模，模拟最大尖窝交错接触加载比加载于牙冠外表面的截面形心更能模拟真实口腔情况。如何选择加载点更真实模拟牙合咬情况，如何真实模拟动态咀嚼应力，选择其方向和大小，是今后研究有待突破的方面。, 百拇医药
摘要：桩核冠的设计、形态及材料对修复和保留牙体组织有重要意义，选择合适方法进行生物力学分析是研究的重点，本文对国内相关研究的方法、标准、结果作出比较分析，从不同桩冠修复残冠的三维有限元模型建立方法，生物力学分析结论和不同材料桩冠生物力学分析比较作一综述，使今后的研究设计更能准确地为临床修复提供依据。
关键词：桩核冠；三维有限元模型；应力分析；生物力学
中图分类号：R783
在牙齿因创伤、龋坏、牙折等因素引起大量的牙体缺损时，其剩余牙体组织难以使常规的充填、嵌体与冠修复方法固位时，在根管内置入桩，使修复体得以固位以抵抗牙合力和保留牙体组织。对桩核与牙根应力分布及其优化设计的研究，为临床保留牙体组织提供了科学依据。本文对不同桩冠修复残冠的三维有限元模型建立方法、生物力学分析结论和不同材料桩冠生物力学分析比较作一综述。
1.三维有限元模型的建立
有限元法分析残根、残冠、桩核冠修复是一种高效、精确、直观的方法。有限元法的单元大小、形状、数目、载荷情况、假设条件和真实情况的差异以及边界条件等均影响研究结果的准确性Ⅲ。建成后三维有限元模型与实体组织应具有良好的几何相似性。
目前生物体三维有限元建模思路主要是：①CT或层析法获得二维图像，然后提取轮廓数据，自底向上建模；②测量表面形貌，CAD或逆向软件造型；③3D软件直接造型。层析法是一种破坏性建模方法，表面形貌测量不能反映物体内部情况，即便是对修复前后的形貌进行测量也是一种破坏性建模的方法目，而CT断层扫描图像法可以在不破坏物体的情况下测量其表面和内部结构特征；自底向上建模和3D软件直接造型适用于表面形貌简单的模型，对于复杂物体，专用的逆向软件可以实现快速、正确的模型重建。
对桩核冠三维有限元模型建立的CT扫描方式各异，采用蜡块、石膏、环氧树脂包埋离体牙或直接对活体牙进行扫描；层扫间隔各异，分别有0.5 mm，0.625 mm，0.7 mm，1.0 mm；因此各研究在取得断层图像的数量和精确度上有差异。使用方法有，第一种：CAD造型软件SolidWorks2003.CAE软件FEAMAP对SolidWorks生成的实体模型进行网格剖分，建立十节点四面体单元而生成网格。第二种：采用Super SAP有限元软件(93版)，通过Au-tO CAD造型及SuperSuff软件和Calcomp Drawing SlateⅡ程序手工划分网格，建立三维结构实体单元，八节点六面体单元和六节点五面体单元目。第三种：利用MIMICS软件读取断层影像数据，三维重建牙体、牙本质、髓腔三个部件，图形以标准的三维文件格式STL分别输出，并将其读入GEOMAGIC软件，修改、调整髓腔形貌形成两个桩，补洞，光滑，转换三角域Bezier曲面为NURBERS曲面，用最少的曲面拟合出各部件的表面形貌，图形以IGEs格式分别输出，导人ANSYS软件，生成牙周膜、牙本质、桩核、牙冠四个部件，选择十节点四面体单元，即solid 92，使用网格划分工具生成四面体自由网格。第四种：有限元软件ANSYS分析，通过图像合成软件建立三维数字模型。单元类型选定为三维结构实体单元SOLID45，利用ANSYS软件中的Mesh命令，直接对模型进行智能网格划分。第五种：I-DEAS有限元分析软件建模，采用10节点四面体二次单元网格划分。
李群等没有通过CT扫描获取图像，而是通过测量牙体每1mm或0.5mm的截面上若干点坐标值，获取样件的基本几何数据，将图像信息输入计算机，使用mentat3.2程序生成轮廓线。进而生成面和体，得到牙体和修复体结构的三维重建模型。再通过MSC.MARC提供的基于公共界面网格划分技术，由封闭网络面向内自动生成实体单元；其几何相似性程度难以确定。
在研究中林川等应用第三种方法建立的模型网格划分后节点数达到330106、单元数达到286874。应用CT扫描结合逆向软件MIMICS和GEOMAGIC建模的方法可行，能较好实现有限元建模的几何相似性、边界约束与载荷相似性、力学性能相似性要求。
2.对磨牙、前磨牙、前牙桩的应力分析
对牙体组织进行应力分析，模型假设所有材料都为连续、均质、各向同性的线弹性体，材料受力变形为小变形，对牙槽骨外周边界进行所有自由度的刚性约束。李晓娜等探索将边界条件假设为牙槽骨底面六个自由度的全约束。所建模型的应力分布较为合理。
应力加载时，对于后牙，第一种：也是多数试验采用的方法，即静态垂直加载于牙冠外表面的截面形心；第二种：模拟最大尖窝交错接触，设置了实体模型面压力载荷：中央窝、近远中边缘嵴、近远中颊尖。第三种，分别以水平、垂直、斜向45度方向施加载荷100N的力，45度斜向力分解为x方向70.7N，Y方向70.7N的咬合力。
对于前牙，第一种：加载量为上中切牙的平均颌力，即117.68N。加载方式作用于上中切牙舌侧切1/3与中1/3交界处切龈向加载。作用力方向与牙体长轴呈40度夹角，另一为沿此作用力的延长线与铸造金属桩核相交加载。第二种：方向与牙冠长轴一致，大小为150N，加载点为牙冠切缘中点。
结果显示，最大应力主要集中在根分叉处、牙颈部，牙颈部舌侧比颊侧大。在无桩时，力沿牙本质传导，牙本质承担全部荷载：有桩时，牙本质承担的力相对小些。因此，模拟天然牙的牙本质承担全部荷载，各个部位的等效应力比残冠的牙体要大。应用锥形桩比应用柱形桩时牙本质所受的应力小。夏春明等在对前牙带角度桩冠的研究中，认为桩冠角度应控制在20度以内，以避免应力过大。由于箍效应的存在，对桩冠颈环设计影响牙本质应力分布。
3.不同材料桩冠修复应力分析
桩材料选择是桩修复的一个重要部分，分析桩材料对牙本质应力分布的影响，对保留剩余牙体组织有重要意义。
铸造玻璃陶瓷桩核冠与铸造金属烤瓷桩核冠在相同载荷作用下，对上中切牙的影响非常接近；尽量采用弹性模量较大的材料来制作桩核。镍铬桩核，采用全瓷冠、金合金冠、镍铬合金冠修复，在牙体中产生的应力峰值在11.370～112.90 MPa之间，金合金桩核组则在74.03～73.63MPa之间。表明桩核材料对牙体应力分布和应力峰值的影响明显，而冠材料对牙体应力的影响不大。桩材料首选金合金，碳素纤维次之，不宜采用不锈钢。
比较同类研究，翁维明等的研究将已做桩冠牙与天然牙的应力分布进行比较更具有临床意义。
4.存在的问题和研究前景
三维有限元模型的建立是生物力学分析的前提和基础，因此明确模型建立的影响因素，正确确立建模假设前提和标准，选择功能强大，识别能力强，图形拟合佳，曲线质量好的软件，尽量获取准确精度高的数据，从而使模型与实体组织具有良好的相似性，是此类研究获得科学性的基础。有的既往研究由于没有准确的建模数据和合适的软件而使其生物力学应力分析的结果可靠性降低。因此探求一套科学准确重复性好的三维有限元模型建立的方法是很有必要的。
由于口腔咀嚼运动复杂，既往应力分析均简化口腔组织情况，在假设条件下建模，模拟最大尖窝交错接触加载比加载于牙冠外表面的截面形心更能模拟真实口腔情况。如何选择加载点更真实模拟牙合咬情况，如何真实模拟动态咀嚼应力，选择其方向和大小，是今后研究有待突破的方面。, 百拇医药