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1、1不同植入方向微型种植体支抗的三维有限元分析王汉思 1，李晓智 1*，李康宁 2，曾明慧 1，何艳 1（ 1 重庆医科大学附属第一医院口腔矫形科，重庆 400016； 2 解放军后勤工程学院 400016）提 要： 目的 建立简化的微型种植体骨三维有限元模型，研究不同植入方向下微型种植体骨界面的生物力学变化，为微型种植体的临床应用提供理论依据。方法 利用 I-DEAS 有限元分析软件， 在保持加载力方向、种植体与植入表面夹角不变的情况下，以植入点为圆心，微型种植体在骨平面上的投影线为半径水平旋转 180，设定出 0、45、90、135、180五种不同情况，分析微型种植体骨界面应力分布及位移变化
2、。结果 各组微型种植体植入区、皮质骨区应力相对集中，各组拉应力、压应力、Von-mises 应力分布变化总体一致，应力曲线整体呈递减趋势。0、45 组应力值小于其它组， 0组应力值最小；90组的位移值及根尖处位移值最小。 结论 微型种植体可以比较安全承载 200g 正畸力，各组骨皮质、骨松质处的应力值远低于强度极限，应力值及位移值的变化均符合临床生理要求。选择微型种植体植入方向时，尽量保证加载力对微型种植体有压入的作用，才更有利于微型种植体的初期稳定。同时应综合微型种植体设计、植入区条件、临床操作等多方面因素，根据实际情况，选择合适的微型种植体植入方向。 关键词 ： 微型种植体；三维有限元分析
3、；生物力学；植入方向中图法分类号：R783.5Three dimensional FEM analysis of anchorage micro-implant with different embedded directionWANG Han-si1 ,LI Xiao-zhi1 ,LI Kang-ning2 , ZENG Ming-hui1 ，HE Yan1 (1Department of Stomatology, the First Affiliated Hospital , Chongqing Medical University, Chongqing 400016 ； 2Logisti
4、cal Engineering University, Chongqing 400016,China)Abstract： Objective To establish a three-dimensional finite element model of orthodontic anchorage micro-implant, and to study the influence of different embedded direction on the biomechanical characteristics of orthodontic anchorage implant-bone 2
5、interface. Method I-DEAS software was used to setup the finite element model of the micro-implant with 5 different embedded directions ,including 0、45 、90、135and180.The stress and displacement distribution on implant-bone interface were analyzed. Results The embedded region and the cortical bone wer
6、e stress-focused area. Every group has the same tendency of stress distribution. The stress of group 0and the displacement around group 90are smaller than other groups. Conclusion The micro-implant can safely loaded with 200g force in different embedded directionsWith the proper force, the change of
7、 stress and displacement on the groups are in the rational range. The compressive effect of force can enhance the stability of micro-implant. Multiple factors just like implant design, embedded condition and clinical operation must be considered. The clinicians should choose the suitable embedded di
8、rection on the basis of practical condition. Key words: micro-implant; three dimensional finite element analysis; biomechanics; embed direction微型种植体具有体积小、术式简单、创伤小、植入部位灵活、可即刻加力、患者易耐受、疗程短、价格经济等优点，作为一种新兴的支抗方式越来越受到临床正畸医师的关注。微型种植体植入后获得了最初的机械固位，因此，充足的初期稳定性对提高成功率是必要的。微型种植体的受力应看作是力与扭转力矩联合作用的结果，而以往实验均是在二维方向上
9、考虑微型种植体植入与加载力的关系1、2 ，有关微型种植体植入方向与加载力方向的相关变化对支抗效果的影响少见报道。运用有限元法进行生物力学分析是研究种植体支抗的重要手段，本实验应用 I-DEAS 有限元软件，通过建立微型种植体骨模型，分析微型种植体骨界面的应力及位移情况，以期为其临床应用提供理论依据。1 材料与方法1.1 材料1.1.1 微型种植体的选用 本实验参考了韩国ORLUS系列专用正畸支抗微型种植体的外形设计， 设定为刃状螺纹圆柱型钛钉，全长8.0 mm，螺纹部分长5.0 mm位于骨块内，螺纹部直径1.4 mm，螺纹深度0.2 mm,螺纹间距0.3 mm。1.1.2 简化骨模型的设计 将
10、骨模型简化为骨皮质、骨松质的长方体骨块，将骨皮质的平均厚度设定为1.0 mm，骨松质在垂直方向上比微型种植体根尖高出2.0 3mm。1.2 实验方法1.2.1 微型种植体骨三维有限元模型 应用I-DEAS软件，按照所选用的微型种植体外形参数、简化骨块的设计方案，分别建立三维模型。通过布尔加运算，将微型种植体及简化骨块的各自模型按照两实体界面各节点连接，形成微型种植体骨的三维实体模型。微型种植体模拟30角倾斜植入骨块，正畸力加载于种植体顶部，方向恒定、始终与植入处骨块表面平行。设定第一次加载时，正畸力方向与微型种植体在骨表面的投影线方向相同，此时投影线与正畸力方向一致为0。在保持加力方式、种植体
11、与植入表面夹角不变的情况下，将微型种植体在水平方向上旋转180 ，其投影线在骨表面上形成以植入点为圆心，投影线为半径的半圆。投影线与正畸力方向相同时为0，投影线与正畸力方向相反时为180 。四等分半圆，投影线方向依次为0、45 、90、135、180，即代表五种不同的微型种植体植入方向。1.2.2 材料力学参数 本实验所涉及材料设置为连续、均质、各向同性的线弹性体。微型种植体材料为钛，其弹性模量为103 400MPa 、泊松比0.35，骨皮质弹性模量为13 700MPa、泊松比0.30，骨松质弹性模量为 1 370MPa、泊松比0.30。1.2.3 定义单元属性 I-DEAS软件支持建模及对几
12、何体直接进行有限元网格划分，对几何元素直接施加边界条件，本实验采用四面体单元划分几何模型。1.2.4 网格划分 利用 I-DEAS 有限元分析功能对模型进行智能尺寸网格划分，生成三维有限元模型。模型节点总数为 28 018，单元总数为 16 691。1.2.5 设定边界约束 除微型种植体植入面外，其余五个面全部施加约束，固定6个自由度。1.2.6 实验力的加载 在微型种植体顶部施加载荷，加载力与植入区骨块表面平行，方向恒定、始终设定为 0，力值为 200g。1.2.7 数据的采集和处理 沿微型种植体长轴，从微型种植体植入区（颈部螺纹处）开始，于骨块内每隔 0.3 mm，采集微型种植体 骨界面的
13、拉应力、压应力、Von-mises 应力值及位移值。并根据所采集数据作出拉应力 、压应力、Von-mises应力值及位移值分布图。图 1 微型种植体投影线代表五种不同的植入方向（箭头为加载力方向）4090135451802 结 果2.1 不同植入方向下微型种植体拉应力的分布（图 2）05101520253035403.0 3.3 3.6 3.9 4.2 4.5 4.8 5.1 5.4 5.7 6.0 6.3 6.6 6.9 7.2 7.5 7.8 8.1微 型 种 植 体 长 度 (mm)拉应力值(Mpa)04590135180图 2 不同植入方向下微型种植体拉应力分布图2.2 不同植入方向下
14、微型种植体压应力的分布（图 3）0510152025303540453.0 3.3 3.6 3.9 4.2 4.5 4.8 5.1 5.4 5.7 6.0 6.3 6.6 6.9 7.2 7.5 7.8 8.1微 型 种 植 体 长 度 （ mm）压应力值（Mpa）045901351805图 3 不同植入方向下微型种植体压应力分布图 2.3 不同植入方向下微型种植体 Von-mises 应力的分布（图 4）0510152025303.0 3.3 3.6 3.9 4.2 4.5 4.8 5.1 5.4 5.7 6.0 6.3 6.6 6.9 7.2 7.5 7.8 8.1微 型 种 植 体 长
15、度 （ mm）Vonmises应力值（Mpa）04590135180图 4 不同植入方向下微型种植体 Von-mises 应力分布图总体上各组拉应力、压应力、Von-mises 应力分布变化趋势一致，应力变化曲线整体上递减。并且各组皮质骨内的应力变化较松质骨区显著。.微型种植体植入区：0 组的拉应力、压应力、 Von-mises 应力值始终最小。 .骨皮质、骨松质交界区：各组压应力值接近，135、180 组拉应力及 Von-mises 值较大。 .根尖区：135 、180 组根尖处应力值大于其它组，其它三组的根尖处应力值接近。本实验，种植体植入区、皮质骨区应力相对集中。与国内外有关牙用种植体、
16、微型种植体应力分析的结果相似 2、3 。 2.4 不同植入方向下微型种植体位移的分布（图 5） 601234567893.0 3.3 3.6 3.9 4.2 4.5 4.8 5.1 5.4 5.7 6.0 6.3 6.6 6.9 7.2 7.5 7.8 8.1微 型 种 植 体 长 度 （ mm）位移值（m）04590135180图 5 不同植入方向下微型种植体位移分布图 五组曲线的位移值在根尖区均显著下降。0、45 组位移值明显高于其它组，根尖区下降亦最为明显。90组的位移值较小、根尖区位移值最小。3 讨 论利用三维有限元模拟实体建模进行生物力学分析是目前口腔生物力学研究中最先进有效的方法。有限元建模法具有良好的生物相似性、几何相似性及力学相似性，其可通过自由设定模型及材料参数，实现多用途
