双重大连接体式与传统设计RPD支架及支持组织受力的三维有限元分析

[摘要]目的：基于已建立的上颌单端游离缺失及整铸义齿的三维有限元模型，比较双重大连接体与传统设计的义齿基牙及支持组织在加载时的受力。方法：在已建立的有限元模型上赋予不同组织及支架相应的力学参数，在约束设计和载荷设定下，通过三维有限元软件获得两种不同设计各个基牙的受力分布。结果：两种设计比较，主要受力基牙双重大连接体受力明显小于传统设计，支持组织分担了一部分力。结论：双重大连接体设计对于游离端基牙及牙周情况不良时有明显优势。

[关键词]可摘局部义齿；有限元法；双重大连接体

[中图分类号]R783 [文献标识码]A [文章编号]1008-6455（2012）02-0279-04

可摘局部义齿是目前临床上修复缺失牙时的一种常见的修复方法。在修复牙列缺损，尤其是游离端缺失且游离端基牙牙周状况不良的情况时，若采用目前的常规大连接体设计，会出现包括功能恢复不良、基牙牙周症状加重，甚至脱落、余留牙牙周问题等修复效果不佳的表现。这些结果与修复的原则相违背，因此在对可摘局部义齿进行不断的改良设计后，由美国学者Dr Knapp[1]提出了双重大连接体设计，从生物力学角度出发，利用Vitallium支架优良的物理性能，采用分裂式支架设计，改变传统义齿受力方式，使咬合力分散到整个支架。此时粘膜和牙周的支持分开，咬合力沿支架可移动部分线性增加（力矩减少），Ⅲ杠杆原理使基牙受力减少，且可移动部分受力后下沉，可存储部分能量。因此牙齿只是在引导基托而不是支持基托，极大程度上减少了基牙受到的扭力，达到保护基牙的目的。目前尚未见有关于该设计的生物力学分析报道[2]。本研究通过CT、Mimics、Catia三维重建技术建立上颌包括颌骨、牙列、牙周膜、粘膜及义齿的整体数字化模型，并引入各种不同组织的力学参数，经Ansys软件分析对比该设计与传统设计时支架及牙周支持组织的受力分布情况，从理论上分析该设计相对于传统设计的优势。

1 材料和方法

1.1样本来源：在临床上选取一名上颌单侧牙列游离缺失，余牙完整，无任何颅面组织缺损的的健康男性志愿者作为上颌牙列、颌骨、牙周膜、软硬组织等的CT影像数据的来源。同时在标准模型上分别制作26、27缺失的单一大连接体支架式可摘局部义齿[3]及双重大连接体式可摘局部义齿。利用Mimics软件，Catia软件和ANSYS13.0三维有限元专用软件等技术完成其三维有限元模型的建立（如图1～3）。

1.2单元的划分：利用Ansys软件的自动单元划分功能对模型进行整体划分，使单元自动得到优化。选用四面体网格： 支架网格大小为0.55mm，牙槽骨网格大小为1.5mm，牙齿网格大小为1.5mm，划分结果如下

1.3 载荷和约束条件：①载荷：在两颗人工牙上分别加载100N的力[4]，方向为与牙合平面垂直和与牙长轴成45°（由颊侧向舌侧[5]）；②约束：两种设计均为各个卡环及支托在各个方向上位移为0.缺牙区部分支架在受力后有1.5mm的下沉（为黏膜的厚度[6]）；③材料属性：本实验模型中包括骨组织、Vtallium、牙齿、人工牙、牙周膜等不同组织成分。材料的生物力学属性见表2。

1.4分析部位及指标[14]：观测两种不同设计支架、基牙、缺牙区牙槽嵴，记录上述部件的应力分布和大小。

2 结果

2.1两种不同设计的支架在不同载荷条件下的受力情况：①垂直加载条下两种不同类型设计支架的受力分布：在传统设计中，支架受力不均衡，在后颚杆偏缺牙区有明显的应力集中（如图7）；双重大连接体设计时在垂直加载的情况下支架活动部分受力由缺牙区向对侧呈递减的趋势，各个区域内受力均匀，没有明显的应力集中（如图8）。②45°斜向加载条件下两种不同类型设计支架的受力分布：传统设计时，在斜向加载的条件下，受力分布极其不均匀，在后颚杆和缺牙区出现多个应力集中的部位；看出在斜向加载时双重大连接体支架的受力分布同垂直加载时，呈现递减趋势，没有明显的应力集中部位。

2.2两种不同设计的支架在不同载荷条件下缺牙区牙槽嵴受力分布：两种不同设计在不同加载方式时缺牙区牙槽嵴的受力分布均较为均匀，没有明显的应力集中点。

3 讨论

3.1 支架受力分析中可以看到作为双重大连接体的设计随着向固定部分的推移受力大小呈现递减趋势，说明活动部分在受力时有明显的下沉（垂直向的移动），这就要求材料具有良好的抗折裂性和较好的回弹性（金属的记忆性），所以笔者在临床上做双重大连接体设计时在材料的选择上要十分谨慎。同时也可以看出双重大连接体设计较之传统设计支架在力的传导、力的分散及储存等方面有一定的优势。

3.2 缺牙区牙槽嵴受力分析中，结果显示两种设计不同加载方式时缺牙区牙槽嵴的受力分布比较均匀，且没有明显的应力集中。这与预期的结果大不相同，此时考虑的因素有首先约束条件设定的问题，可摘局部义齿由于部件多而复杂且涉及到诸多的接触问题，如卡环的环抱、牙合支托的接触、支架与支持组织及牙齿的接触问题等，所以在约束设定时做了一些简化，可能导致结果与预期相悖；其次，支架的刚性问题，刚性支架在受力时，虽然设定了缺牙区支架下沉，但是在支架受力时主要体现还是支架本身内部拉应力的传导和变化，且表现为颊舌向（水平向）的变化为主。基于以上两方面在今后的实验设计中可以进行一些约束条件的改变，从而得到更为准确的限定，尤其是可以在体外实验是测量缺牙区牙槽嵴的受力。然后改变约束条件后得到与体外实验相符的限定条件，为实验的真实性提供更为精准的基础。

4 结论

4.1双重大连接体设计较之传统设计对游离端基牙有明显的保护作用，所以在临床应用中可作为游离端缺失或者游离端基牙牙周条件不良情况时的首选支架设计方式。

4.2从材料性能上看，双重大连接体设计需要材料的物理性能良好，尤其是弹性、回弹性、抗折裂性和抗变形性等方面要比较突出，才能满足该设计的要求。

[参考文献]

[1]Turner MS，Clough RW，Martin HC，et al.Stiffness and deflection analysis of complex structure[J].J Aero Sci，1956，23：805.

[2]李国强，朱静，戴文安，等.Vitallium 2000 plus铸造支架分裂基托设计对基牙和缺牙区粘膜受力影响的三维有限元分析[J].中国美容医学，2012，21（6）：988-990.

[3]Pienkos TE，Morris WJ，Gronet PM，et al.The strength of multiple major connector designs under simulated functional loading[J].J Prosthet Dent，2007，97（5）：299-304.

[4]Liau YS，Chen PS.St ress analysis of distal free- end removable partial denture[J].Changgeng Yixue Zazhi， 1990，13（4）：304-313.

[5]Nishigaw aG，Mat sunaga T，Maruo Y，et al.Finite element analysis of the effect of the bucco-lingual posit ion of artificial posterior teeth under occlusal force on the denture supporting bone of the edentulous patient[J].J Oral Rehabil，2003，30（6）：646-652.

[6]皮昕.口腔解剖生理学[M].北京：人民卫生出版社，1987：4-25.

[7]Assun oWG，T abata LF，Bar o VA，et parison of stress distribution between complete denture and implant retained overdenture2D FEA[J].J Oral Rehabi，2008，35（10）：766-774.

[8]Motoyoshi M，Ueno S，Okazaki K，et al.Bon e stress for a mini implant close to the roots of adjacent teeth 3D finite element analysis[J].Int J Oral Maxillofac Surg，2009，38（4）：363-368.

[9]Nishigaw aG，Matsunaga T，Maruo Y，et al.Finite element analysis of the effect of the bucco-lingual pos it ion of artificial posterior teeth under occlusal force on the denture supporting bone of the edentulous patient[J].J Oral Rehabil，2003，30（6）：646-652.

[10]Toms SR，Eberhardt AW.A nonlinear finite eement analysis of the periodontal ligament under orthodontic tooth loading[J].Am J Orthod Dentofacial Orthop，2003，123（6）：657-665.

[11]Jones ML，Hickman J，Middleton J，et al.A validated finite element method study of orthodontic tooth movement in the human subject[J].J Orthod，2001，28（1）：29-38.

[12]Eskitascioglu G，U sumez A，S evimay M，et al.The influence of occlusal loading location on stresses transferred to implant supported prostheses and supporting bon e： A three dimension al finite element study[J].J Prosthet Dent，2004，91（2）：144-150.

[13]解春，俞立英，张富强.末端游离缺损可摘局部义齿近中、远中支托设计的应力与位移分析研究[J].中国临床医学，2005， 12（4）：672-674.

[14许琪华，韩栋伟，陈晔，等.不同基牙数目的天然牙-种植体联合支持同定桥种植体侧的应力分析[J].中国美容医学，2008，17（9）：1345-1347.

[收稿日期]2012-11-03 [修回日期]2012-12-06