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1、1不同螺纹深度微小种植体的生物力学三 维有限元研究作者：林东，林珊，陈江，郭金泉【摘要】 目的 分析不同螺纹深度微小种植体 骨界面的生物力学变化，为微小种植体的设计和临床应用提供科学的理论依据。 方法 采用 ANSYSWorkbench 有限元软件，建立不同螺距深度的六个三维有限元模型，分别在模型上计算出不同螺纹深度的微小种植体 骨界面的 Von Mises 应力及位移分布状况。 结果 不同螺纹深度的微小种植体 Von Mises 应力及位移的分布均集中于种植体颈部骨皮质区，种植体的 Von Mises 应力值及位移值均较小。螺纹深度的不同对微小种植体 骨界面 Von Mises 应力值、位移
2、值有影响，螺纹深度为 0.2 mm 的微小种植体 Von Mises 应力峰值、位移峰值最小。 结论 本实验建立的微小种植体 骨组织三维有限元模型具有良好的几何相似性，可对微小种植体及其支持骨组织进行精确的生物力学分析，螺纹深度为 0.2 mm 的微小种植体具有较好生物力学特性。 【关键词】 模型,解剖学; 牙应力分析; 生物力学; 牙种植; 牙种植体; 有限元分析A Three Dimensional Finite Element Analysis on the Influence of Different Depth of Thread on Biomechanical Propertie
3、s of Micro Implant Bone InterfaceLIN Dong， LIN Shan， CHEN Jiang,GUO Jinquan1. Department of Stomatology, Fujian Provincial Frontier Defense Corps Hospital, Fuzhou 350003, China;2. Department of Stomatology，The First Affiliated Hospital，Fujian Medical University, Fuzhou 350005, China;3. Department of
4、 Stomatology，The Affiliated Stomatological Hospital, Fujian 2Medical University, Fuzhou 350002, China; 4. College of Mechanical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350108, ChinaABSTRACT: Objective To establish three dimensional finite element models for micro implant bone and to an
5、alyze the influence of different depth of thread on the biomechanical characteristics of micro implant bone interface, with the purpose of providing scientific theoretical basis for the design and clinical application of micro implants. Methods By using the commercial code of ANSYSWorkbench software
6、, three dimensional finite element models of micro implant bone complex were built up to analyze the influence of thread of different depth on the biomechanical properties of micro implant bone interface. Results In all the cases, both the Von Mises and displacement focused on the cortical area of c
7、ervix of the micro implants. The values of Von Mises stress and displacement were very small. Different depth of thread influenced the values of Von Mises stress and displacement. The depth of the threaded implant of 0.2 mm resulted in the minimum stress and displacement values. Conclusion The three
8、 dimensional finite element models for micro implant bone established in the study show favourable geometrical similarity, which can help to make a detailed biomechanical analysis of micro implants and their supporting bone tissue. The micro implant with thread of the depth of 0.2 mm would have bett
9、er biomechanical properties.KEY WORDS: models, anatomic； dental stress analysis； biomechanics； dental implantation； dental implants; finite element analysis目前临床上使用的微小种植体多为螺纹型种植体，对于微小种植体螺纹形态的研究较少。本文运用三维有限元法探讨不同螺纹深度微小种植体 骨界面的Von Mises 应力和位移分布的特点，以期寻找出微小种植体适宜的螺纹深度，为种植体的设计和临床应用做参考。1 材料和方法1.1 微小种植体 骨组织三维
10、有限元模型建立1.1.1 微小种植体三维实体模型建立3参照文献1 设定微小种植体外形：微小种植体为外径 1.5 mm，长度 11 mm，螺纹顶角 60，螺距 1.0 mm 的刃状螺纹圆柱形螺钉，设定种植体植入骨组织长度为 8 mm。按照上述尺寸，以螺纹深度为变量，利用 SOLIDWORKS 画图软件绘出螺纹深度为 0.1 mm、0.15 mm、0.20 mm、0.25 mm、0.3 mm、0.35 mm6 个微小种植体三维实体模型。1.1.2 骨组织三维实体模型建立骨组织外形的设定将其简化为长方体骨块尺寸：长度 10 mm，宽度 10 mm，高度 15 mm。长方体骨块上部设置为皮质骨层,下部
11、设置为松质骨层，皮质骨层厚度为 1.6 mm、松质骨层厚度为 13.4 mm。按照上述尺寸，利用 SOLIDWORKS 画图软件绘出骨块三维立体几何模型。并在骨块中以六个微小种植体实体模型的螺纹形态分别绘制出包含不同螺纹形态的种植窝的 6 个骨组织三维实体模型。1.1.3 微小种植体 骨组织三维实体模型的建立 微小种植体的实体模型与骨实体模型在SOLIDWORKS 软件内装配形成微小种植体 骨组织的三维实体模型，利用ANSYS 软件的 CAD 数据接口，将 SOLIDWORKS 软件生成的实体模型文件直接导入 ANSYSWorkbench 有限元软件进行有限元分析。1.2 实验设计微小种植体及
12、骨皮质材料均设置为线性、弹性、各向同性的均质连续材料,材料受力变形为小变形,种植体和骨组织之间为 100%的骨结合。1.3 材料力学参数4微小种植体材料设为钛，其弹性模量为 103 400 MPa，泊松比为 0.34，骨皮质弹性量为 13 700 MPa，泊松比为 0.33，骨松质弹性模量为 1 500 MPa，泊松比为0.30。 1.4 边界条件在简化的模型上设定边界条件，由于微小种植体周围硬组织设定为连续体，所以在约束中，除了微小种植体植入的 1 个面以外，骨模型长方体的其余 5 个面节点全部约束。1.5 定义单元属性及网格划分种植体及骨的单元类型均设置为 solid187。用 ANSYS
13、 自适应网格划分功能对模型进行智能尺寸网格划分，结合手动调节单元大小数值，使种植体、骨块几何尺寸不受单元划分的影响，生成微小种植体 骨组织三维有限元模型。1.6 载荷条件在距微小种植体头部 1.25 mm 处加载载荷为 150 g，与微小种植体长轴夹角为 60的斜向下的力。2 结 果2.1 微小种植体应力值微小种植体的 Von Mises 应力主要集中在种植体 骨界面的颈部 1.6 mm 骨皮质处，Von Mises 应力值较大，应力衰减明显，在松质骨区内应力值很小，应力衰减缓慢，螺纹深度为 0.2 mm 的微小种植体 Von Mises 应力峰值最小（表 1）。5表 1 不同螺纹深度微小种植
14、体 骨界面 Von Mises 应力值（略）2.2 微小种植体位移值微小种植体颈部骨皮质区有较大的位移值，位移值衰减明显，在松质骨区位移值较小，位移值衰减缓慢, 螺纹深度为 0.2 mm 的微小种植体位移峰值最小（表 2）。表 2 不同螺纹深度微小种植体骨界面位移值（略）3 讨 论国内外学者围绕着何种形态结构的种植体才具有最佳的生物力学效应做了较多研究，大部分学者倾向于选择螺纹型种植体1 3。与传统的柱状种植体相比，螺纹型种植体具有机械锁结固位作用、表面积大的特点，有利于骨愈合。对已发生骨结合的种植体，螺纹设计能将轴向的拉或压应力载荷，通过螺纹斜面以压应力方式传递到周围骨质，有利于骨结合界面的
15、长期维持稳定4。Hurson 等对螺纹种植体进行了工程力学分析，系统阐述了螺纹设计原则、材料强度、力学疲劳分析并提出了螺纹的设计标准5。兰则栋等认为刃状螺纹种植体的骨界面应力最小，刃状螺纹型种植体比较适合做口腔支抗种植体6。研究表明，种植体的螺纹形态对种植体 骨界面应力分布有较大的影响。以往的研究多以牙种植体作为研究对象，牙种植体的直径 35 mm、长度 718 mm，微小种植体临床应用直径一般在1.22.3 mm、长度 514 mm，两者在直径上存在巨大差异，在载荷方面牙种植体承载的是咀嚼力，力值较大，而微小种植体多为持续水平向力和斜向力，力值较小。本组结果提示，随着微小种植体螺纹深度的增大
16、，种植体的 Von Mises 应力峰值未呈明显的线性递增趋势。但最大应力峰值与最小应力峰值相差 1.296 倍，说6明不同的螺纹深度对微小种植体 骨界面 Von Mises 应力有影响。以螺纹深度0.2 mm 种植体的 Von Mises 应力峰值为最低。随着微小种植体螺纹深度的增大，种植体的位移峰值未呈明显的线性递增趋势，但最大位移峰值与最小位移峰值相差 1.17 倍，说明螺纹深度的不同对微小种植体 骨界面位移值有影响。以螺纹深度 0.2 mm 的位移峰值为最低点。临床上种植体松动、脱落是种植失败的常见结果。微小种植体与牙种植体相比种植失败最大的不同是折断，这是由于微小种植体体积小，应力集中所造成的。从机械力学的角度来看，微小种植体在直径不变的情况下，随着种植体螺纹深度的增大，种植体的内径将减少，其抗折性就减小。从实验结果上看，微小种植体螺纹深度的改变对微小种植体 骨界面 Von Mises 应力值和位移值有影响。由此可见无论从生物力学还是从机械力学的角度上看，临床上不宜选用螺纹深度过大的微小种植体。但
