重庆医学２０１０年４月第３９卷第８期 ９４７ ・临床研究・ 种植体一基桩界面结构的三维有限元应力分析 黄 茜 ，王 聪 ，王少安。，李苏伶 △ （１．重庆医科大学附属口腔医院修复科４０００１５；２．成都市第三人民医院口腔科 ６１００３１； ３．四川大学华西口腔医院，成都６１００４１） 摘要：目的研究连接方式对种植体一基桩界面受力的影响。方法 利用三维有限元方法，分析比较Ｓｐｌｉｎｅ、外六边、内六 边及莫氏锥度连接方式的种植体、基桩及螺钉在预负荷、垂直载荷２００、５００ Ｎ及斜向载荷１００ Ｎ作用下的应力分布情况。结 果 螺钉的最大应力值位于螺钉头部与螺杆交接处；Ｓｐｌｉｎｅ种植体的最大应力值位于突起根部，该连接方式的螺钉的应 力值高于种植体和基桩；侧向载荷使种植体一基桩连接各部件的应力明显增大。结论 Ｓｐｌｉｎｅ连接方式的螺钉可以起到弱连 接的作用；临床上应尽可能减小种植义齿受到的侧向力，以保证种植体一基桩界面的长期稳定性。 关键词：种植体；应力分析；接触分析；三维有限元 中图分类号：Ｒ７８３．６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７１—８３４８（２０１Ｏ）０８ ０９４７—０２ Ｔｈｒｅｅ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｓｔｒｅｓｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｉｍｐｌａｎｔ－ａｂｕｔｍｅｎｔ ｉｎｔｅｒｆａｃｅｓ ＨＵＡＮＧ Ｑｉａｎ ，ＷＡＮＧ Ｃｏｎｇ ，ＷＡＮＧ Ｓｈａｏ ａｎ。，ｅｔ ａ１． （１．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｐｒｏｓｔｈｏｄｏｎｔｉｃｓ，Ｓｔｏｍａｔｏｌｏｇｙ Ｈｏｓｐｉｔａｌ ｏｆ Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｍｅｄｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０００１５，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｓｔｏｍａｔｏｌｏｇｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ Ｔｈｉｒｄ Ｐｅｏｐｌｅ ｓ Ｈｏｓｐｉｔａｌ，Ｃｈｅｎｇｄｕ，Ｓｉｃｈｕａｎ ６１００３１，Ｃｈｉｎａ： ３．Ｗｅｓｔ Ｃｈｉｎａ Ｈｏｓｐｉｔａｌ ｏｆ Ｓｔｏｍａｔｏｌｏｇｙ，Ｓｉｃｈｕａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ，Ｓｉｃｈｕａｎ ６１００４１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ Ｔｏ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｏｎ ｓｔｒｅｓｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｉｍｐｌａｎｔ－ａｂｕｔｍｅｎｔ ｊｏｉｎｔ．Ｍｅｔｈｏｄｓ Ｔｈｒｅｅ－ｄｉ— ｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔＯ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ｓｔｒｅｓｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｉｍｐｌａｎｔ，ａｂｕｔｍｅｎｔ ａｎｄ ｓｃｒｅｗ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｉｎｔｅｒｆａｃｅｓ ｕｎｄｅｒ ｐｒｅｌｏａｄ，２００ Ｎ ａｎｄ ５００ Ｎ ｖｅｒｔｉｃａｌ１ｏａｄ，ａｎｄ １ ００ Ｎ ｏｂｌｉｑｕｅ ｌｏａｄ．Ｒｅｓｕｌｔｓ Ｍａｘｉｍｕｍ Ｖｏｎ Ｍｉｓｅｓ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｓｃｒｅｗ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄ ａｔ ｔｈｅ ｊｏｉｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓｃｒｅｗ ｈｅａｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｃｒｅｗ ｓｈａｎｋ．Ｍａｘｉｍｕｍ Ｖｏｎ Ｍｉｓｅｓ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｓｐｌｉｎｅ ｉｍｐｌａｎｔ ｌｏｃａｔｅｄ ａｔ ｔｈｅ ｒｏｏｔ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｊｅｃ— ｔｉｏｎｓ．Ｌａｔｅｒａｌ ｌｏａｄ ｃａｕｓｅｄ ｄｒａｍａｔｉｃａｌｌｙ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｉｍｐｌａｎｔ－ａｂｕｔｍｅｎｔ ｊｏｉｎｔ．Ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ Ｃｅｎｔｒａｌ ｓｃｒｅｗ ｏｆ ｔｈｅ Ｓｐｌｉｎｅ ｓｙｓｔｅｍ ｐｌａｙｓ ａ ｒｏｌｅ ｏｆ ｗｅａｋ ｌｉｎｋ．Ｉｔ ｉｓ ｒｅｅｏｍｍｅｎｅｄ ｔＯ ｄｉｍｉｎｉｓｈ ｔｌａｅ ｌａｔｅｒａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｉｍｐｌａｎｔ ｒｅｓｔｏｒａｔｉｏｎ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｅｎｓｕｒｅ ｔｈｅ ｓｔａ— ｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｉｍｐｌａｎｔ ａｂｕｔｍｅｎｔ ｊｏｉｎｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｓｔｒｅｓｓ；ｉｍｐｌａｎｔ—ａｂｕｔｍｅｎｔ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ；ｃｏｎｔａｃｔ ａｎａｌｙｓｉｓ 种植体一基桩的连接方式决定着其就位、连接强度、抗旋转 性等，该界面的稳定性是影响种植义齿成功的一个重要因 桩及螺钉均设为钛合金材料，即Ｔｉ一６Ａ１—４Ｖ（杨氏模量１１０ ＧＰａ，泊松比０．３５）ｌＥ］，帽状冠设为金合金材料（杨氏模量１００ ＧＰａ，泊松比０．３）。假设模型材料为连续、均匀、各向同性、线 素 ］。Ｓｐｌｉｎｅ连接方式是通过植入体向冠方延伸的６个突起 插入基桩相应的凹入部位而结合，该连接方式在引人口腔领域 以前，主要应用于航天工业中，实践证明该连接方式具有良好 的抗旋转作用 ］。但是目前尚没有Ｓｐｌｉｎｅ与其他连接方式的 深入对比研究，另外，Ｓｐｌｉｎｅ连接方式在外载荷作用下的受力 弹性材料。根据参考文献Ｌ６］的方法，对种植体外螺纹所有节 点施加剐性约束。 １．３接触区域的设置本实验研究种植体一基桩界面的问题， 涉及有限元分析中的接触分析［７］，因此，在种植体一基桩、种植 体内螺纹一螺钉螺纹以及螺钉头部～基桩接触区引入接触对，设 情况也尚未见报道。本实验通过三维有限元方法，分析比较 Ｓｐｌｉｎｅ和其他３种常见的连接方式（即外六边、内六边及莫氏 锥度）在不同载荷下的应力分布情况。目前国内有限元方法主 定其摩擦系数为０．３；对于基桩一帽状冠接触区，不考虑界面问 题，设定其为紧密接触无相对滑动。 １．４网格划分 网格划分均采用四面体单元，见表１。 表１ 网格划分结果 要为线性分析，本实验通过有限元方法中的接触分析（非线性） 对种植体一基桩界面的应力分布进行研究，为国内在有限元分 析中开展非线性分析进行探索。 １材料与方法 １．１建模 根据相关数据 ］，在三维建模软件Ｐｒｏ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒ Ｗｉｌｄｆｉｒｅ ２．０中建立Ｓｐｌｉｎｅ种植体（长１０ ｃｍ，直径３．７５ ｍｍ）、相 应粘固型基桩、螺钉及一个均匀厚度０．５ ｍｍ的帽状冠模 型（相当于烤瓷牙底层冠）。在Ｓｐｌｉｎｅ模型界面的基础上修改， 获得外六边、内六边和莫氏锥度连接方式的种植体一基桩模型 （插页Ⅱ图１）。将不同连接方式的模型从Ｐｒｏ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒ Ｗｉｌｄｆｉｒｅ １．５加载条件根据拧紧力矩和预紧力的关系，求得预紧力 ２．０完整导人有限元软件Ａｎｓｙｓ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ ９．０ｌ＿ｄ］。 １．２材料参数、假设、边界条件 ４种连接方式的种植体、基 通讯作者。 为４０５ Ｎ，该力施于螺杆上，为轴向使螺杆缩紧的力。在预紧 力基础上，于帽状冠顶面施加三种载荷 ：垂直２００、５００ Ｎ及 ９４８ 重庆医学２０１０年４月第３９卷第８期 表２ 不同载荷下种植体基桩连接各部件的最大Ｖｏｎ Ｍｉｓｅｓ应力值（ＭＰａ） Ｓｐｉｔｎｅ 外六边 内六边 奠氏锥度 载荷（Ｎ） Ｉ Ａ Ｓ Ｉ Ａ Ｉ：种植体；Ａ：基桩；Ｓ：螺钉‘。 斜向１（）（］Ｎ（４５。）。 ２结 果 ４种连接方式的种植体、基桩及螺钉在不同载衙下的 最大Ｖｏｎ Ｍｉｓｅｓ应力值见表２。 ４种连接方式的螺钉任不同载荷下的最大应力值均 位于螺钉头部与螺杆交接处。斜向载荷下螺钉应力分布较轴 向时不均匀，螺杆中部也是应力明显增加的一个区域（插页Ⅱ 图２）。 预负荷及垂直载荷作用下，Ｓｐｌｉｎｅ连接方式的种植体最大 应力值位于突起根部，而其他３种连接方式的最大应力值位于 种植体第一内螺纹处（插页Ⅱ图３）。 斜向载荷作用下，Ｓｐｌｉｎｅ种植体的最大应力值仍然位于突 起根部，其他３种连接方式的最大应力值位于界面边缘（插页 Ⅱ图４）。 ３讨 论 ３．１ 螺钉的应力情况 有研究表明，螺钉的疲劳失败通 常发生在两个部位 ］，一处是螺钉头部与螺杆交接处，主要是 因为两部分之问曲率半径和直径变化所产生的应力集中，本实 验中螺钉最大应力值发生的部位正与此相符；另一处是第 一螺纹根部，主要是螺纹几何外形所导致的应力集Ｆｒ．－Ｆ 验 中对于螺纹部分，第一螺纹应力较其他螺纹更大。 有文献报道直接利用外载荷下螺钉Ｖｏｎ Ｍｉｓｅ ｊ 的变化来说明螺钉松动的问题，认为外载倚下Ｖｏｎ Ｍｉｓｅｓ 力 的减小可能增加螺钉松动的概率。但是螺钉的松动的根本原 因是预负荷的丧失，预负荷是螺钉所受的张力一 ，而Ｖｏｎ Ｍｉ— ｓｅｓ应力是研究材料破坏时考虑的一个应力值，二者是不同的 概念，因此，不能简单地通过Ｖｏｎ Ｍｉｓｅｓ应力的变化来断定螺 钉松动与否。 ３．２种植体和基桩的应力情况 Ｓｐｌｉｎｅ种植体在不问载荷下 的最大应力值都位于突起根部，这一结果与Ｂｉｎｏｎ等的研究结 果是相符的。有学者指出Ｓｐｌｉｎｅ突起可能发牛折断，但本实验 中Ｓｐｌｉｎｅ种植体的应力值远远小于材料的屈服强度。关于 Ｓｐｌｉｎｅ突起是否会折断以及在何种情况下会出现这种情况，尚 需要进一步实验。 对于外六边、内六边和莫氏锥度连接方式的种植体，在预 负荷及垂直载荷下，其最大应力值都位于第一内螺纹处，该处 是这几种连接方式的种植体应力集中的一个部位，这町能与中 央螺钉第一螺纹根部常是应力集中的部位足相对应的，主要是 由于螺纹几何外形所导致的结果。 本实验中斜向载荷的作用使种植体一基桩连接各部件的应 力值显著增大。应力的增大可能使材料发生屈服，因此，在进 行种植义齿修复时，应尽量减小种植义齿所受到的侧向力，如 降低牙尖斜度、减小义齿的倾斜度等，以保证种植体一基桩连接 Ｓ Ｉ Ａ Ｓ Ｉ Ａ Ｓ 的长期稳定性。 比较Ｓｐｌｉｎｅ连接方式各部件的应力可以发现，不同载荷下 螺钉的应力值高于种植体和基桩，因此可以起到弱连接的 作用，即螺钉在其他部件破坏之前发生屈服或折断，从而 达到保护其他部件的目的。 本实验对４种连接方式的模型施加了相同的实验条件（如 尺寸、材料、载荷等），区别只在于连接界面的不同，其目的是为 了更好地说明界面设计对种植体一基桩连接受力的影响。但是 ｌ临床应用中不同种植体系统可能使用不同的拧紧力矩和材料 等，因此，在进一步的研究中尚需要考虑这些因素的影响。 参考文献 ［１］Ｍａｒｔｉｎ ＷＣ，Ｗｏｏｄｙ ＲＤ，Ｍｉｌｌｅｒ ＢＨ，ｅｔ ａ１．Ｉｍｐｌａｎｔ ａｂｕｔ— ｍｅｎｔ ｓｃｒｅｗ ｒｏｔａｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｐｒｅｌｏａｄｓ ｆｏｒ ｆｏｕｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｃｒｅｗ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ ｓｕｒｆａｃｅｓ［Ｊ］．Ｊ Ｐｒｏｓｔｈｅｔ Ｄｅｎｔ，２００１，８６（１）： ２４． ［２］雷涛，张纲综．有限元法在颌骨生物力学研究中的应用研 究进展『ＩＩ］．重庆医学，２００９，３８（３）：３５０． Ｅ３］Ｂｉｎｏｎ ＰＰ．Ｔｈｅ Ｓｐｌｉｎｅ ｉｍｐｌａｎｔ：ｄｅｓｉｇｎ，ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ａｎｄ ｅ— ｖａｌｕａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｉｎｔ Ｊ Ｐｒｏｓｔｈｏｄｏｎｔ，ｌ９９６，９：４１６． ［４］慧光艳．真实种植体三维有限元模型的建立ＥＪ］．实用医 药杂志，２００６，２３（１２）：１４８３． ｒ５］Ｐｅｓｓｏａ ＲＳ，Ｍｕｒａｒｕ Ｉ ，Ｊ６ｎｉｏｒ ＥＭ，ｅｔ ａ１．Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｉｍ— ｐｌａｎｔ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｔｙｐｅ ｏｎ ｔｈｅ ｂｉｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｏｆ ｉｍｍｅｄｉａｔｅｌｙ ｐｌａｃｅｄ ｉｍｐｌａｎｔｓ—ＣＴ—ｂａｓｅｄ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ，ｔｈｒｅｅ－ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ［Ｊ］．Ｃｌｉｎ Ｉｍｐｌａｎｔ Ｄｅｎｔ Ｒｅｌａｔ Ｒｅｓ，２００９，７（３）：３８２． ｒ６］Ａｌｋａｎ Ｉ，Ａｔｉｌｌａ Ｓ，Ｂｕｌｅｎｔ Ｅ．Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｏｃｃｌｕｓａｌ ｆｏｒｃｅｓ ｏｎ ｓｔｒｅｓｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｉｎ ｐｒｅｌｏａｄｅｄ ｄｅｎｔａｌ ｉｍｐｌａｎｔ ｓｃｒｅｗｓ［Ｊ］． Ｊ Ｐｒｏｓｔｈｅｔ Ｄｅｎｔ，２００４，９１（４）：３１９． ［７］Ｌｉｓａ Ａ．Ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｔｏ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ｉｍｐｌａｎｔ ｐｒｅ ｌｏａｄＥＪ］．Ｊ Ｐｒｏｓｔｈｅｔ Ｄｅｎｔ，２００３，９０：５３９． Ｅ８３皮昕主．口腔解剖生理学［Ｍ］．６版．北京：人民卫生出版 社，２００８：１５３． ［９］Ｐａｔｔｅｒｓｏｎ ＥＡ，Ｊｏｈｎｓ ＲＳ，Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｆａ— ｔｉｇｕｅ ｌｉｆｅ ｏｆ ｆｉｘｔｕｒｅ ｓｃｒｅｗｓ ｉｎ ｏｓｓｅｏｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｄｅｎｔａｌ ｉｍ— ｐｌａｎｔ［Ｊ］．Ｉｎｔ Ｊ Ｏｒａｌ Ｍａｘｉｌｌｏｆａｃ Ｉｍｐｌａｎｔｓ，１９９２，７（１）：２６． ［１Ｏ］Ｓａｋａｇｕｃｈｉ ＲＩ ，Ｂｏｒｇｅｒｓｅｎ ＳＥ．Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｃｏｎｔａｃｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｐｒｅｌｏａｄ ｉｎ ｄｅｎｔａｌ ｉｍｐｌａｎｔ ｓｃｒｅｗｓＥＪ］．Ｉｎｔ Ｊ Ｏｒａｌ Ｍａｘｉｌ— ｌｏｆａｃ Ｉｍｐｌａｎｔｓ，１９９５，ｌ０：２９５． （收稿日期：２００９ ０８ ２９修回日期：２００９—０９—２８）
