螺纹型牙种植体即刻负载有限元模型的建立

    2结果
   
    2.1有限元模型
   
    在计算机上建立了真实螺纹形态牙种植体、下颌骨块的三维立体有限元模型。种植体螺纹螺旋形态连续一致，无中断或其他改变，与实体尺寸相同。本实验共建立了5个等级过盈量（即0.02、0.04、0.06、0.08、0.10mm）的有限元模型。
   
    2.2界面初始应力
   
    利用过盈配合法成功模拟出骨组织界面的初始应力，此初始应力不单纯由压应力组成，还包括拉应力、剪应力。骨组织初始应力云图显示：种植体骨界面处应力值最大，由骨质界面沿种植体半径方向向骨块模型外部延伸，应力逐渐减小，远界面2mm以上处应力值迅速下降。种植体螺纹齿牙顶处出现应力集中，压应力、拉应力均最大，0.1mm过盈模型的个别单元应力值超过100MPa，且拉应力值大于压应力值，两螺纹之间骨组织应力较小。表2为不同过盈量下螺纹上下面处骨组织应力大小，可见随着过盈量的增加，应力值逐渐增加。其中0.1mm过盈时，上下螺纹面压应力、拉应力分别为17.0、30.0MPa，两螺纹之间分别为7.017.0MPa。其他过盈量小于0.1mm的模型中上述应力值均相应下降。
   

    3讨论
   
    以往牙种植体的三维有限元建模方法是将种植体植入颌骨之中，然后用磨片法、CT法、或MRI法将其断成若干较薄的断层，再将断层片描出轮廓图，用图形数字化仪或激光扫描仪将图形信息转化为数字信息输入计算机，也有用扫描仪直接将断层片输入计算机的方法。但以上方法的最大缺点是在信息转化过程中，往往会出现数据的丢失，牙种植体的螺纹形态等很难准确地表达，因此所建模型的几何相似性较差。本研究利用专业画图软件精确地绘制出种植体实体尺寸，并绘制出骨块内螺纹形态，与种植体螺纹相啮合，然后将实体模型文件导入ABAQUS有限元软件，此方法使数据传送过程中的文件数据丢失减少，克服了常规方法的不足，并依靠ABAQUS软件强大的自动修复功能，最大限度地保证了模型几何形状的完整性，使得所建模型与实际形状具有高度相似性［8］。采用计算机自动划分法对装配实体三维模型进行单元划分，并根据种植体的外形特点和研究的重点区域，手动调节、改变单元大小及数目，使种植体骨界面区域网格划分较其他区域细小，结果证实所分单元保持了种植体的螺纹形态，螺纹清晰、连续一致，保证了有限元分析结果的精确性。
   
    本研究中，种植体螺纹齿牙顶处出现应力集中，压应力、拉应力均最大，两螺纹之间骨组织应力较小。从力学角度看，种植体螺纹形态的不规则和螺旋特点是引起界面应力集中的主要原因。种植体螺纹齿牙尖处由于截面的突然缩小，因而在齿牙顶出现应力集中，逐渐远离齿牙顶部则应力分布趋于相对均匀。
   
    临床上为增加即刻负载种植体的初期稳定性，制备种植窝时，终末钻半径一般比种植体半径小，此差值一般为0.3mm左右（如Straumann、3i等种植体系），种植体在一定外力作用下被挤压就位，骨界面产生初始应力。本研究在模拟界面初始应力时，没有将过盈量设为0.3mm，主要基于2点：①种植体挤压植入过程中，一部分骨组织被挤压产生初始应力，另有部分骨组织被切削破坏，因此实际过盈量小于0.3mm。②若将过盈量设为0.3mm，则产生的界面应力会远大于骨组织的破坏极限强度，因此需考虑材料的塑性及破坏参数。然而目前对骨组织的本构方程尚不十分清楚，且受有限元软件本身的限制，模拟骨质的破坏过程是非常困难的。因此本研究将骨组织假设为各向同性的线弹性材料，且设定过盈量小于0.3mm，在弹性范围模拟初始应力情况。
   
    骨松质抗拉力极限强度为22～28MPa，由骨组织抗压极限强度比抗拉强度大30%可知抗压极限强度为28.6～36.4MPa。本研究结果中0.1mm过盈时螺纹上下面压应力为17MPa，未达到破坏极限，而拉应力为30MPa，达到了骨质抗拉极限强度。若增大过盈量（大于0.1mm）则拉应力会超过极限强度，引起骨质破坏，应力不但不会因过盈量的增大而上升，反而会因骨质破坏而下降，因此可以看出，最终界面应力大小与0.1mm过盈所产生的应力值相当，0.1mm过盈模型基本模拟了即刻负载骨界面初始应力状态。综上，本研究探索了一种可行的建立包含真实螺纹形态的种植体即刻负载有限元模型的方法，建立的种植体有限元模型与实体具有高度的相似性；采用过盈配合法可模拟种植体骨界面初始应力状态，所建即刻负载有限元模型为牙种植体即刻负载的进一步实验研究打下了基础。