人工种植牙生物力学研究进展
作者单位：河北医科大学口腔医学院 050017
董玉英综述 董福生审校
摘要 人工种植牙生物力学相容性是种植牙成功的不可忽视的一个重要方面，过大或过小的应力均可引起牙周骨组织的吸收或萎缩，从而导致人工种植牙的失败。本文通过种植体的材料，种植体的形态结构，种植体长度及直径，种植体与上部结构的连接方式等因素对应力分布的影响，把近年来人工种植牙生物力学研究进展简略的进行综述。
关键词 种植体 生物力学 应力分布
种植义齿是口腔科领域中发展最快，最令人兴奋的一个分支，已成为与高速涡轮牙机、全景X线机、高分子粘固材料并列的20世纪牙科发展的四项重大突破之一。一个成功的人工种植体应该和骨组织直接结合，形成良好的生物力学相容性，将咀嚼压力均匀分布到周围骨组织，应力过大或过小，都无益于种植牙周骨组织的重建，都将导致种植牙的失败。据此，本文特将人工种植牙的生物力学研究进展作一概述。
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1 应力分布研究方法的发展
在20世纪70年代以前，生物力学研究和应力分布的检测多采用电测法和光弹法，电测法和光弹法属于实验应力分析法。电测法是实验应力分析方法中最基本的方法之一，它的灵敏度与精确度较高，可用于现场测定，用于各种复杂环境下测量多种力学参数，但电测法只能逐点测量物件表面的应变，且仅能获得应变片所在位置的应变平均值，不能直观得出构件应力分布的全貌，在环境条件恶劣时误差较大。光弹应力分析法具有直观性和全场性的优点，可用以分析各种形状的复杂构件和表面应力，也是口腔生物力学常采用的研究方法，但光弹法不能把材料力学和弹性理论联系起来，如不能计算出模型内任意处的应力值和位移值。自从1973年Theresher和Farah几乎同时将有限元法(finite element method，FEM)应用于口腔医学领域，FEM已成为一种有效的数学工具，在口腔生物力学研究中得到广泛应用。FEM具有以下优点：可以准确地表达复杂的几何形状；可以在同一模型上对不同性质的材料进行力学分析；可以进行复杂载荷条件下的应力分析；模型的转换较为简便；对应力的内部状态及其它力学性能定量测定的代表性好，同时FEM在应用中自身也不断得到完善，其中从二维到三维是FEM发展的一个飞跃。1976年Weinstein等应用二维FEM分析了多孔圆柱种植体界面的应力分布，将FEM引入了口腔种植领域，从此，有关种植义齿生物力学的研究进入了一个新的阶段。Meijer等[1]将二维有限元法和三维有限元法进行了比较，认为后者的模型相似性好，可客观反映被分析受力结构的信息，但是有限元法的单元在大小、形状、数目、载荷情况、假设条件与真实情况差异及边界条件等均影响结果。因此，为使结果更加真实可信，有限元法的研究手段不断完善，目前已从静态研究发展到动态研究，并有向非线性发展的趋势。
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2 种植体材料对应力分布的影响
人工牙种植体的研究和应用已有30多年的历史，但迄今为止，只有少数几种材料的种植体为人们所接受，其中应用历史最长、也最广泛的是钛质种植体，金属钛具有良好的生物相容性，与骨组织形成紧密、牢固的结合，而且其弹性模量与骨很接近，与骨结合所形成的界面是动态的，在适当负荷的刺激下，种植体与骨的接触程度在一年后会从53%增加到74%[2]，所以说钛是一种理想的种植材料。Mailath(1989)等[3]用有限元法对种植体材料进行了研究得出结论，种植体材料的弹性模量至少为110，000N/mm2(1.1×10MPa)。Clelland(1991)等[4]用三维有限元法研究了Screw-vent骨内种植体及支持组织应力分布情况，这种商业纯钛种植体最大应力区是在种植体的颈部，这些应力比商业纯钛的疲劳极限(259，90MPa)低18倍，骨内最大压力值(19.57MPa)是在颈部的舌侧区，而且Screw-vent种植体近远中应力(最大为0.38MPa)比种植体颊、舌侧低得多。这一点和以前放射照片研究的骨吸收发生在种植体的近远中不同。为了更快的形成骨整合，人们还从种植体的表面涂层入手。尤其是羟基磷灰石喷涂(hydroxyapatite，HA)研究最多，但还是有很大争议，生物活性材料的涂层，可以改善与骨的结合方式，从生化角度上看，对种植牙长期成功是有益的，但从生物力学角度是否有明显的改善并不清楚[5]。Rieger(1989)进行了研究认为：骨结合界面与骨适应界面比较，从生物力学上看种植牙周围骨内的应力分布比较并没有明显的改善，这还有待于进一步研究。最近Meijer(1997)等[6，7]使用柔韧高分子生物材料(polyactiv，PL)即聚丁烯对二苯酸盐(酯)聚合物(polyethylene-oxide polybutylene-te rephthalate(PEO：PBT)copolymer)和硬性HA穿龈种植体进行动物(狗)实验研究，从组织学上和临床方面作一比较，PL设有三种(一种密集型，两种多孔型)6个月加载，PL和HA种植体周围骨组织在第6周有骨吸收(高度失去1mm)，第12周可见重建，18周后恢复到原来的水平，结果PL比HA引起密度上较少的降低。这个结果显示：柔韧种植材料更有利于应力向周围骨组织传导。临床方面PEO：PBT和陶瓷、生物玻璃、钛、和其他材料相比较，结果：PEO：PBT是一种柔韧材料，能降低穿龈种植体颈部应力峰值，致密型PL功能合适，运动性能与天然牙相近似，表现出最好的临床功能，也能减少种植体周围应力峰值。从组织学观察得出结论：柔韧的骨结合，种植体更能较好地把应力传导到周围骨组织，因此它可能是硬性种植体有前途的替代物。
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3 种植体形态结构对应力分布的影响
成功的种植体不仅取决于种植体材料的生物学性质及手术技术，种植体的表面形态也十分重要。近年来，国外学者围绕着种植体以什么样的形态结构才具有最佳的生物力学相容性，作了大量的研究。关于口腔种植体宏观形态基本上认为以单个旋转对称为最佳，所以新近出现的或改良的种植体系列极少看到过去传统的锚状或翼状形态。对种植体表面微观形态，自70年代以来也是人们研究的热门，在这个问题上虽然还有不同看法，但有一点是比较一致的，即粗糙的种植体表面更利于新骨生长，形成更广泛骨-种植体结合区。Mailath(1989)使用有限元法研究了骨内种植体形状与应力分布的关系得出结论，圆柱形种植体比圆锥形种植体更可取，因为它降低了应力在骨皮质上的峰值。Rieger(1990)等[8]应用二维有限元法，对6种种植牙(Branemark，Core-Vent，Denar，Miter，Stryker和一种实验用种植牙—RBT411)进行定量分析，结果表明：所有6种种植牙都有根尖冲击应力的存在，Denar种植牙应力最大，Denar、Miter和Stryker种植牙可出现牙槽嵴部病理性骨吸收，Miter和实验用RBT411种植牙应力分布最好。Hurson(1994)[9]对3.25mm和3.8mm螺纹种植体进行了工程力学分析，阐述了螺纹设计原则，材料的强度，力学疲劳分析，提出了螺纹设计的标准。Binon(1996)[10]评价了六角形种植体(hexagonal implants)力学性质，与基台相连的抗扭强度及适合的装置，建议生产商应该提高种植体的耐受性、精确性、逼真性和坚固性。Arpinar(1996)等[11]用有限元法对两种硬性种植体设计进行研究，结果为：中空螺旋种植体(ITI1)在顶点区域产生高和应力集中，而实心螺旋种植体(ITI2)应力的分散转移要比中空好得多。1996年黄辉等[12]对螺纹顶角角度对柱状螺旋根管内种植体应力分布进行了研究，结果表明：螺纹顶角角度的改变，可以导致种植体在支持组织的应力分布水平的变化，螺纹顶角为60度的种植体应力分布较合理，为种植体设计、应用提供理论依据。
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4 种植体的长度和直径对应力分布的影响
对于种植体长度和直径与种植体周围骨面应力反应的关系，目前国外研究报告的观点不一致。Mailath(1989)等[3]用有限元法对不同直径的种植体进行生物力学研究，结果发现大直径种植体产生有利的应力分布效果。Block(1990)[13]通过动物试验证明，种植体从骨中拉出力与其长度关系极大，而与其直径关系不大。Lum(1991)[14]发现骨界面应力主要集中于种植体颈部的牙槽嵴顶而非整个种植体周围，并据此推论使用短种植体可能对骨界面应力集中值影响不大。Lum(1992)[15]用工程统计学方法，分析了轴向力和水平力作用下种植体力的传导，结果发现，在轴向力作用下，仅仅长度为10mm，直径为4mm的种植体，能传导平均最大咬合力，支持骨受到张力在正常生理限度内。在水平力作用下长度大于12mm时，再增加长度对力的传导无显著差异。Meijer(1992)等[16]使用短种植体对其周围的应力无太大影响。邹敬才(1996)等[17]应用二维有限方法，对3mm，4mm，5mm三种不同直径的螺旋型种植体进行对比分析，结果表明：螺旋型种植体直径增加，对骨界面的总体应力分布规律影响不大，但随着直径的增加，对骨界面应力降低，种植体与骨界面的相对位移运动也相应减小，有利于骨界面的应力分布。提示临床尽可能选择直径稍粗的一些种植体。Tuncelli(1997)[18]等应用有限元法，比较了ITI中空圆柱两段式种植体不同直径(3.5mm，4.5mm，6mm)应力分布。结果发现：相对较大的直径种植体更有利于下颌后部区域(应力分布好)。张少锋(1997)等[19]用有限元法研究了种植体长度和直径对种植全口义齿应力的影响，得出结论：种植体周围骨界面应力的大小与种植体长度密切相关，呈负相关关系。种植体直径在临床常用范围内变化时，仅引起自身应力集中值的改变，而对种植全口义齿的其它结构和组织应力状况影响不大。
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5 种植体上部结构的连接装置对应力分布的影响
人们为了去模仿天然牙牙周膜的缓冲作用，一些学者用一些具有粘弹性的材料如聚甲醛制成内动部件，连接种植体和附着体。McClumphy(1989)在种植牙上用聚甲醛材料设计了一个具有弹性的内连接体，并用钛制作一相同的内连接体作对照，用光弹应力分析法对两者进行了应力分布的对比研究，结果：在骨界面上应力分布两者没有显著差异。van Rossen(1990)等[20]通过二维有限元法，对不同弹性连接体弹性模量和不同外形的内连接体在单个种植体上进行分析，结果：内弹性连接体弹性模量的改变对周围骨应力分布没有影响。Chapman(1990)等[21]设计一种内部减震器(shockabsor＿ber)，把种植体与义齿相连接，用钛制作对比，结果：两者有显著性差别，可减少咬合力。elChkawi HG(1990)在种植体上部结构下面使用一层弹性材料，种植体不动，而上部结构可动，结果发现这种改进使应力和位移分布和天然牙相类似。Kraut(1993)等[23]设计了一种弹性内动连接系统，结果表明这套系统能吸收应力，减少达到种植体和周围骨的应力值。
综上所述，种植牙生物力学研究是随着种植学的发展而发展，由于开展的时间不长，对其研究并非很深入，还有待进一步深入研究。
参考文献略, 百拇医药
董玉英综述 董福生审校
摘要 人工种植牙生物力学相容性是种植牙成功的不可忽视的一个重要方面，过大或过小的应力均可引起牙周骨组织的吸收或萎缩，从而导致人工种植牙的失败。本文通过种植体的材料，种植体的形态结构，种植体长度及直径，种植体与上部结构的连接方式等因素对应力分布的影响，把近年来人工种植牙生物力学研究进展简略的进行综述。
关键词 种植体 生物力学 应力分布
种植义齿是口腔科领域中发展最快，最令人兴奋的一个分支，已成为与高速涡轮牙机、全景X线机、高分子粘固材料并列的20世纪牙科发展的四项重大突破之一。一个成功的人工种植体应该和骨组织直接结合，形成良好的生物力学相容性，将咀嚼压力均匀分布到周围骨组织，应力过大或过小，都无益于种植牙周骨组织的重建，都将导致种植牙的失败。据此，本文特将人工种植牙的生物力学研究进展作一概述。
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1 应力分布研究方法的发展
在20世纪70年代以前，生物力学研究和应力分布的检测多采用电测法和光弹法，电测法和光弹法属于实验应力分析法。电测法是实验应力分析方法中最基本的方法之一，它的灵敏度与精确度较高，可用于现场测定，用于各种复杂环境下测量多种力学参数，但电测法只能逐点测量物件表面的应变，且仅能获得应变片所在位置的应变平均值，不能直观得出构件应力分布的全貌，在环境条件恶劣时误差较大。光弹应力分析法具有直观性和全场性的优点，可用以分析各种形状的复杂构件和表面应力，也是口腔生物力学常采用的研究方法，但光弹法不能把材料力学和弹性理论联系起来，如不能计算出模型内任意处的应力值和位移值。自从1973年Theresher和Farah几乎同时将有限元法(finite element method，FEM)应用于口腔医学领域，FEM已成为一种有效的数学工具，在口腔生物力学研究中得到广泛应用。FEM具有以下优点：可以准确地表达复杂的几何形状；可以在同一模型上对不同性质的材料进行力学分析；可以进行复杂载荷条件下的应力分析；模型的转换较为简便；对应力的内部状态及其它力学性能定量测定的代表性好，同时FEM在应用中自身也不断得到完善，其中从二维到三维是FEM发展的一个飞跃。1976年Weinstein等应用二维FEM分析了多孔圆柱种植体界面的应力分布，将FEM引入了口腔种植领域，从此，有关种植义齿生物力学的研究进入了一个新的阶段。Meijer等[1]将二维有限元法和三维有限元法进行了比较，认为后者的模型相似性好，可客观反映被分析受力结构的信息，但是有限元法的单元在大小、形状、数目、载荷情况、假设条件与真实情况差异及边界条件等均影响结果。因此，为使结果更加真实可信，有限元法的研究手段不断完善，目前已从静态研究发展到动态研究，并有向非线性发展的趋势。
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2 种植体材料对应力分布的影响
人工牙种植体的研究和应用已有30多年的历史，但迄今为止，只有少数几种材料的种植体为人们所接受，其中应用历史最长、也最广泛的是钛质种植体，金属钛具有良好的生物相容性，与骨组织形成紧密、牢固的结合，而且其弹性模量与骨很接近，与骨结合所形成的界面是动态的，在适当负荷的刺激下，种植体与骨的接触程度在一年后会从53%增加到74%[2]，所以说钛是一种理想的种植材料。Mailath(1989)等[3]用有限元法对种植体材料进行了研究得出结论，种植体材料的弹性模量至少为110，000N/mm2(1.1×10MPa)。Clelland(1991)等[4]用三维有限元法研究了Screw-vent骨内种植体及支持组织应力分布情况，这种商业纯钛种植体最大应力区是在种植体的颈部，这些应力比商业纯钛的疲劳极限(259，90MPa)低18倍，骨内最大压力值(19.57MPa)是在颈部的舌侧区，而且Screw-vent种植体近远中应力(最大为0.38MPa)比种植体颊、舌侧低得多。这一点和以前放射照片研究的骨吸收发生在种植体的近远中不同。为了更快的形成骨整合，人们还从种植体的表面涂层入手。尤其是羟基磷灰石喷涂(hydroxyapatite，HA)研究最多，但还是有很大争议，生物活性材料的涂层，可以改善与骨的结合方式，从生化角度上看，对种植牙长期成功是有益的，但从生物力学角度是否有明显的改善并不清楚[5]。Rieger(1989)进行了研究认为：骨结合界面与骨适应界面比较，从生物力学上看种植牙周围骨内的应力分布比较并没有明显的改善，这还有待于进一步研究。最近Meijer(1997)等[6，7]使用柔韧高分子生物材料(polyactiv，PL)即聚丁烯对二苯酸盐(酯)聚合物(polyethylene-oxide polybutylene-te rephthalate(PEO：PBT)copolymer)和硬性HA穿龈种植体进行动物(狗)实验研究，从组织学上和临床方面作一比较，PL设有三种(一种密集型，两种多孔型)6个月加载，PL和HA种植体周围骨组织在第6周有骨吸收(高度失去1mm)，第12周可见重建，18周后恢复到原来的水平，结果PL比HA引起密度上较少的降低。这个结果显示：柔韧种植材料更有利于应力向周围骨组织传导。临床方面PEO：PBT和陶瓷、生物玻璃、钛、和其他材料相比较，结果：PEO：PBT是一种柔韧材料，能降低穿龈种植体颈部应力峰值，致密型PL功能合适，运动性能与天然牙相近似，表现出最好的临床功能，也能减少种植体周围应力峰值。从组织学观察得出结论：柔韧的骨结合，种植体更能较好地把应力传导到周围骨组织，因此它可能是硬性种植体有前途的替代物。
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3 种植体形态结构对应力分布的影响
成功的种植体不仅取决于种植体材料的生物学性质及手术技术，种植体的表面形态也十分重要。近年来，国外学者围绕着种植体以什么样的形态结构才具有最佳的生物力学相容性，作了大量的研究。关于口腔种植体宏观形态基本上认为以单个旋转对称为最佳，所以新近出现的或改良的种植体系列极少看到过去传统的锚状或翼状形态。对种植体表面微观形态，自70年代以来也是人们研究的热门，在这个问题上虽然还有不同看法，但有一点是比较一致的，即粗糙的种植体表面更利于新骨生长，形成更广泛骨-种植体结合区。Mailath(1989)使用有限元法研究了骨内种植体形状与应力分布的关系得出结论，圆柱形种植体比圆锥形种植体更可取，因为它降低了应力在骨皮质上的峰值。Rieger(1990)等[8]应用二维有限元法，对6种种植牙(Branemark，Core-Vent，Denar，Miter，Stryker和一种实验用种植牙—RBT411)进行定量分析，结果表明：所有6种种植牙都有根尖冲击应力的存在，Denar种植牙应力最大，Denar、Miter和Stryker种植牙可出现牙槽嵴部病理性骨吸收，Miter和实验用RBT411种植牙应力分布最好。Hurson(1994)[9]对3.25mm和3.8mm螺纹种植体进行了工程力学分析，阐述了螺纹设计原则，材料的强度，力学疲劳分析，提出了螺纹设计的标准。Binon(1996)[10]评价了六角形种植体(hexagonal implants)力学性质，与基台相连的抗扭强度及适合的装置，建议生产商应该提高种植体的耐受性、精确性、逼真性和坚固性。Arpinar(1996)等[11]用有限元法对两种硬性种植体设计进行研究，结果为：中空螺旋种植体(ITI1)在顶点区域产生高和应力集中，而实心螺旋种植体(ITI2)应力的分散转移要比中空好得多。1996年黄辉等[12]对螺纹顶角角度对柱状螺旋根管内种植体应力分布进行了研究，结果表明：螺纹顶角角度的改变，可以导致种植体在支持组织的应力分布水平的变化，螺纹顶角为60度的种植体应力分布较合理，为种植体设计、应用提供理论依据。
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4 种植体的长度和直径对应力分布的影响
对于种植体长度和直径与种植体周围骨面应力反应的关系，目前国外研究报告的观点不一致。Mailath(1989)等[3]用有限元法对不同直径的种植体进行生物力学研究，结果发现大直径种植体产生有利的应力分布效果。Block(1990)[13]通过动物试验证明，种植体从骨中拉出力与其长度关系极大，而与其直径关系不大。Lum(1991)[14]发现骨界面应力主要集中于种植体颈部的牙槽嵴顶而非整个种植体周围，并据此推论使用短种植体可能对骨界面应力集中值影响不大。Lum(1992)[15]用工程统计学方法，分析了轴向力和水平力作用下种植体力的传导，结果发现，在轴向力作用下，仅仅长度为10mm，直径为4mm的种植体，能传导平均最大咬合力，支持骨受到张力在正常生理限度内。在水平力作用下长度大于12mm时，再增加长度对力的传导无显著差异。Meijer(1992)等[16]使用短种植体对其周围的应力无太大影响。邹敬才(1996)等[17]应用二维有限方法，对3mm，4mm，5mm三种不同直径的螺旋型种植体进行对比分析，结果表明：螺旋型种植体直径增加，对骨界面的总体应力分布规律影响不大，但随着直径的增加，对骨界面应力降低，种植体与骨界面的相对位移运动也相应减小，有利于骨界面的应力分布。提示临床尽可能选择直径稍粗的一些种植体。Tuncelli(1997)[18]等应用有限元法，比较了ITI中空圆柱两段式种植体不同直径(3.5mm，4.5mm，6mm)应力分布。结果发现：相对较大的直径种植体更有利于下颌后部区域(应力分布好)。张少锋(1997)等[19]用有限元法研究了种植体长度和直径对种植全口义齿应力的影响，得出结论：种植体周围骨界面应力的大小与种植体长度密切相关，呈负相关关系。种植体直径在临床常用范围内变化时，仅引起自身应力集中值的改变，而对种植全口义齿的其它结构和组织应力状况影响不大。
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5 种植体上部结构的连接装置对应力分布的影响
人们为了去模仿天然牙牙周膜的缓冲作用，一些学者用一些具有粘弹性的材料如聚甲醛制成内动部件，连接种植体和附着体。McClumphy(1989)在种植牙上用聚甲醛材料设计了一个具有弹性的内连接体，并用钛制作一相同的内连接体作对照，用光弹应力分析法对两者进行了应力分布的对比研究，结果：在骨界面上应力分布两者没有显著差异。van Rossen(1990)等[20]通过二维有限元法，对不同弹性连接体弹性模量和不同外形的内连接体在单个种植体上进行分析，结果：内弹性连接体弹性模量的改变对周围骨应力分布没有影响。Chapman(1990)等[21]设计一种内部减震器(shockabsor＿ber)，把种植体与义齿相连接，用钛制作对比，结果：两者有显著性差别，可减少咬合力。elChkawi HG(1990)在种植体上部结构下面使用一层弹性材料，种植体不动，而上部结构可动，结果发现这种改进使应力和位移分布和天然牙相类似。Kraut(1993)等[23]设计了一种弹性内动连接系统，结果表明这套系统能吸收应力，减少达到种植体和周围骨的应力值。
综上所述，种植牙生物力学研究是随着种植学的发展而发展，由于开展的时间不长，对其研究并非很深入，还有待进一步深入研究。
参考文献略, 百拇医药