不同材料嵌体修复的三维有限元分析

【摘要】  目的 通过有限元法，从生物力学角度分析不同材料嵌体修复后牙体组织的应力变化情况，为嵌体的临床应用提供理论依据。方法 建立下颌第一磨牙嵌体修复三维有限元模型，定量研究不同嵌体材料对牙体组织应力大小及分布。结果 不同材料对牙体所受到的最大主应力峰值影响显著，瓷、金合金、复合树脂、镍铬合金修复后的主应力峰值升高率分别为3.92%、3.97%、17.22%、33.65%。结论 金合金、瓷是较好的嵌体修复材料，而复合树脂、镍铬合金使修复后的牙体应力增加，大大加大了牙折的风险。

【关键词】  有限元分析;牙应力分析;嵌入法;牙科材料

FINITE ELEMENTAL ANALYSIS OF THE STRESS OF INLAY MADE OF DIFFERENT MATERIALS L ZHIJUN, LI LING(Department of Stomatology, The People’s Hospital of Laiwu City, Laiwu 271100, China); Objective Through finite element method, to analyze the changes of stress of tooth tissue after it was repaired by different meterials from the view of biomechanics. Methods A model of mandibular first molar with inlay repair using a threedimensional finite element method was created. A quantitative study of the stress of different meterials acting on tooth tissue and its distribution was done. Results Different materials had a significant effect on the teeth from the inlay, the peak value increased by 3.92%, 3.97%, 17.22%, and 33.65% by using porcelain, Au alloy, composite colophony, and NiCr alloy, respectively. Conclusion Porcelain and Au alloy are better repairing materials of the the inlay. Composite colophony and NiCr alloy increase the stress of restored teeth, which greatly increases the risk of dental fracture.

　　[KEY WORDS] finite element analysis; dental stress analysis; inlay; dental material

　　目前，临床上常用的嵌体制作材料主要包括硬质复合树脂、镍铬合金、金合金、瓷等。本研究应用三维有限元应力分析法，从生物力学角度分析不同材料嵌体修复后，牙体各组织及修复体的受力情况，为嵌体的临床应用提供理论依据。

　　1 材料和方法

　　1.1 实验模型的选择

　　参照王惠芸[1]的牙齿测量数据，选择身体健康、牙列完整、咬合关系正常、下颌第一磨牙无明显牙槽骨吸收的成年男性志愿者1名。其右侧下颌第一恒磨牙牙体完整，磨耗少，无龋坏，牙冠解剖形态正常，牙冠长、宽、高及牙根长度接近正常，经X线摄片确定为三根管。

　　1.2 有限元模型的建立

　　1.2.1 三维实体模型的建立 采用东芝公司生产的ASTEION四层螺旋CT扫描机，对所选的右侧下颌第一恒磨牙进行扫描，层厚0.5 mm，共获得59张断层影像，将所得影像位图以DICOM格式直接导出。将CT影像位图用中文影像DICOM看图软件Xiphoid 1.2读取，经过筛选共得CT影像位图39张。本实验中所研究的右侧下颌第一恒磨牙可分为牙釉质、牙本质、牙骨质和牙髓腔等4个部件，牙骨质与牙本质一起考虑。本实验直接在ANSYS9.0有限元分析软件中建立模型，采用自底向上的CAD建模思路，即分别建立牙釉质、牙本质和牙髓腔3个部件的实体，然后再将各部件实体整合在一起，形成完整的右侧下颌第一恒磨牙三维实体模型。在右侧下颌第一恒磨牙的三维实体模型上绘制嵌体修复模型[2]，以布尔运算的互分运算，最终建立右侧下颌第一恒磨牙嵌体修复的三维模型，本实验模型嵌体厚度为3.0 mm。

　　1.2.2 三维实体模型的网格化 定义模型各部件的单元类型，采用SOLID 187单元类型划分网格定义模型各部件的材料属性，将模型进行网格化。三维有限元模型共有节点133 244个，单元92 380个，保存模型。

　　1.3 约束及加载

　　进入ANSYS求解器，选择分析类型并设置分析选项。设置固定约束，本实验牙根部视为固定约束，其位移等于零。在牙体面上颊尖的舌斜面和舌尖的颊斜面上分散垂直加载170 N的力。本实验将模型设为连续、均匀、各向同性的线弹性材料，且符合小变形条件。

　　1.4 修复材料及力学参数测定

　　采用4种常用嵌体修复材料，即镍铬合金、金合金、瓷、复合树脂。以完整牙齿作为参照。采用ANSYS 9.0软件分别计算出不同嵌体材料情况下牙体组织的变形和受力。在求得的力学参数中选择最大主应力作为力学分析对比参数。各种材料及牙体组织的弹性模量和泊松比见表1。表1 牙体组织及各种材料力学参数材料 弹性模量(p/GPa)泊松比牙釉质

　　2 结 果

　　完整牙体上的应力分布均匀，应用修复体后的牙体均不同程度地出现了应力集中。包括完整牙体在内的应力最大值均出现在直接受力层，即面，而后向颈部逐渐降低。不同材料对牙体所受到的最大主应力最小值(压力)影响不显著，各组与完整牙齿的差别仅在±0.02 MPa。但对峰值(张力)影响显著，完整牙体的峰值为1.644 2 MPa;瓷、金合金的影响最小，为1.708 6 MPa和1.7094 MPa，分别升高3.92%、3.97%;复合树脂嵌体修复后的峰值为1.927 3 MPa，升高17.22%;镍铬合金影响最大，峰值为2.477 9 MPa，升高率达33.65%。在牙本质受力上，牙本质的应力值很小(数量级为0.1 MPa)，复合树脂嵌体组的应力与完整牙齿相似，其余各组与完整牙齿的应力差别较大。

　　3 讨 论

　　牙颌组织的受力状况和应力分布信息的获取对口腔医学具有重要意义，但由于牙颌组织结构的复杂性，应力信息的获取具有较大难度。后牙牙体修复是一个复杂的生物力学系统，后牙的牙体修复也有很高的失败的潜在可能性。传统的物理实验方法无法获得组织内部的信息，且复制实验模型也有较大困难。近年来，随着计算机技术和有限元法的日益成熟，使得生物力学问题的求解有了较好工具[3]。牙体缺损在临床上较为多见，其主要由于龋病等原因导致，如果不及时进行充填修复，最终将会直接导致牙齿的缺失，对于前磨牙、磨牙的牙体缺损，目前临床上常用口腔内科的充填治疗法、冠修复和嵌体修复。口腔内科充填法操作简便，但由于受充填材料的理化性能限制，其缺点也是显而易见的。冠修复坚固耐用，但磨除牙体组织较多，冠的边缘刺激问题一直没能得到有效解决，尤其金属冠色泽差，一般仅用于牙冠缺损严重的患牙。

　　目前，牙体修复的嵌体化已成为国际上口腔修复的发展趋势。嵌体修复具有以下优点：修复体坚固，不易折断;可恢复牙体形态和缺损牙尖，有效地保护薄弱牙尖，预防牙体牙尖折裂;邻接关系恢复好、边缘密合，可以有效防止食物嵌塞;不存在汞污染问题，有效保护操作者及病人的身体健康;边缘抛光效果好减少菌斑附着，复面洞时避免刺激牙龈引起牙龈萎缩和牙龈炎症;瓷及复合树脂嵌体色泽美观，符合病人审美要求等。嵌体作为牙体修复的一种方法，近年来随着材料学的飞速发展和制作工艺技术的普及，已经得到临床医生的重视，在一些国家己经取代常规的第Ⅰ、Ⅱ类充填。现阶段临床上常用的制作嵌体的材料主要包括硬质复合树脂、镍铬合金、金合金、瓷等。各种材料各有优点，镍铬合金嵌体及金合金嵌体具有良好的机械性能，而瓷嵌体和复合树脂嵌体颜色美观，由于各种嵌体材料的弹性模量与牙体组织弹性模量相差较大，因此每种材料对牙体的影响相差也较大[4]。

　　本研究结果证实，金合金、瓷作为嵌体修复材料时，修复后的牙体应力水平与完整牙体的应力水平相仿，是较好的嵌体修复材料;而复合树脂、镍铬合金作为嵌体修复材料时使修复后的牙体应力增加，大大加大了牙折的风险。

【参考文献】
  　[1]王惠芸. 我国人牙的测量和统计[J]. 中华口腔科杂志， 1959，3：149.

　　[2]吉秋霞,甘瑜,刘梦冬. 用于窝洞制备的石膏大牙模型的新型制作方法[J]. 青岛大学医学院学报, 2008,44(1): 82.

　　[3]田力丽,梁伟,李凌旻,等. 下颌第一磨牙牙体缺损修复后静力与冲击动力的三维有限元分析[J]. 华西口腔医学杂志, 2007,25(6):595598.

　　[4]吉秋霞,钟德钰,徐全臣. 三种材料修复牙体缺损的临床效果评估[J]. 青岛大学医学院学报, 2005,41(4):332334.