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三维有限元在嵌体修复中的研究进展

2019-04-26 00:00:58
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作者:黄璐,钱捷,昆明医科大学附属口腔医院修复科

嵌体是嵌入牙体内部用以恢复缺损牙体形态和功能的修复体,其中部分嵌入牙冠内、部分高于牙面的称为高嵌体。(高)嵌体通过微创甚至无创的牙体预备,以尽可能地实现牙体缺损的类天然牙复制,加之树脂或全瓷材料的运用,被誉为仿生、仿真修复。嵌体的洞型设计、材料的选择等因素对嵌体及剩余牙体的应力分布、防止修复体折裂及脱粘接、延长其使用寿命都有着重要影响。

有限元分析(finite element analysis,FEA)是力学分析与计算机技术相结合的方法,其特点在于被分析的结构不受形状和材料所限制,建模后可通过变更不同的加载条件分析研究不同的受力情况,比以往其他应力测量方法更直观、精确。自1973年一些学者将FEA引用到口腔医学领域以来,随着技术和时间的沉淀,其优势越显著,现已广泛应用于口腔各学科中来分析解决生物力学问题。随着嵌体的广泛应用以及有限元分析法技术的不断进步,学者们对这些影响因素的有限元分析也越来越多,这些研究对设计方案的最优化提供了理论依据。本文就近年来有限元分析法在嵌体修复中的研究进展作一综述。

1. 对嵌体抗力形的研究

抗力形是指修复体或牙体能抵抗牙合力而不致被破坏或折裂的形状,评估嵌体抗力的因素包括嵌体的厚度和宽度、有无覆盖牙尖、有无垫底层及厚度等。抗力形的准确设计,有利于嵌体长期、有效的发挥功能。

1.1 关于嵌体的厚度及宽度

Ona等通过建立上颌第一前磨牙缺损后用不同厚度(1、2、3 mm)及宽度(1.5~5.0 mm)的近中-牙合面-远中(mesio-occluso-distal,MOD)洞型瓷嵌体修复的有限元模型发现:厚度为2、3 mm的嵌体应力值相近,且均小于厚度为1 mm的嵌体应力值。他们认为:嵌体应有一定的厚度,过薄易形成应力集中。Durand等也得出了相同的结论,即随着嵌体厚度增加,应力集中情况得以改善。Ona等还发现:嵌体宽度越小,在嵌体及牙体接触面产生的拉应力及剪切力越大,增加了嵌体内表面折裂以及脱粘接的概率。

杨欣谕等通过设计不同的髓壁与龈壁高度差,研究其对上颌前磨牙MOD洞型瓷嵌体应力分布的影响后发现:应力水平在高度差为1 mm时最小,此时嵌体厚度适中;高度差在2、0.5 mm时,即嵌体过薄或过厚时应力明显增大。所以,他们认为:嵌体的厚度与嵌体的应力分布有很大关系。而Holberg等通过研究(0.7~2.0 mm)14组不同厚度瓷嵌体修复下颌第一磨牙的应力分布情况后发现:瓷嵌体厚度与拉应力水平无明显相关关系。他们还同时分析了不同深度、宽度的嵌体的应力分布情况,结果显示:全瓷嵌体体积大小并不是影响应力大小的重要因素;支持较窄、较薄的全瓷嵌体不会增加折裂风险,适合微创修复的观点。

Mei等则认为:增加嵌体宽度,则增大了嵌体的应力水平。以上的研究对于合适的嵌体大小还存在争议,原因可能是研究的洞型、载荷大小及所附材料参数的不同。目前,临床上或者实验中比较常用的嵌体的厚度为1.5~2 mm,设计时还应考虑患牙缺损的大小,在保证嵌体有足够的强度下尽量保存剩余健康牙体,并控制与髓腔的距离。

1.2 关于嵌体覆盖牙尖的数目

王慧媛等分析覆盖不同数目牙尖的高嵌体应力情况后发现:垂直载荷下,覆盖全部牙尖组的牙釉质出现一个应力集中区,覆盖全部和部分功能尖组出现2个应力集中区,说明功能尖和非功能尖都覆盖的高嵌体可以将力更好地向根方传导。文成超分析下颌第一磨牙不同剩余颊侧壁厚度MOD洞型全瓷嵌体修复的应力情况后发现:颊侧壁越厚,嵌体及牙体组织的应力越分散,此时做牙尖覆盖的高嵌体应力水平反而更高,这就说明保留健康的牙本质能有效降低应力水平;且剩余颊侧壁量越大(>2 mm),越不适合做单侧牙尖覆盖的高嵌体修复。

Mei等在比较不同宽度树脂嵌体和高嵌体的应力大小后发现:宽度<4 mm时,嵌体最大主应力值小于高嵌体;宽度≥4 mm时,嵌体应力值明显大于高嵌体。这就提示:在临床上,当剩余牙体较少时应该制备高嵌体防止牙体折裂。侯波等发现:对根管治疗后MOD洞型缺损的牙体修复采用高嵌体的修复方式,可以提高缺损牙体的抗力。因此,建议活髓牙单侧牙体壁<2 mm时,需进行该侧牙尖覆盖的高嵌体修复;根管治疗后剩余单侧牙体壁厚度<3 mm时,需覆盖该侧牙尖行高嵌体修复。

1.3 关于嵌体的垫底厚度

临床上,对剩余牙体进行垫底能填除倒凹,增加修复体边缘密合性且能使修复体厚度适中,改善应力分布。Durand等在全瓷嵌体修复上颌前磨牙的洞底用不同厚度的树脂垫底,进行应力分析后发现:垫底厚度增加,应力值增大,嵌体应力集中水平越高。冯娟等通过对不同厚度玻璃离子垫底后的全瓷嵌体冠进行应力分析,结果显示:垫底厚度1 mm时,嵌体及牙体应力水平最小,低于垫底厚度为0、2、5 mm的应力。因此,他们均认为:牙合垫底的厚度以薄为宜。

一些学者也发现:随着垫底厚度的增加,嵌体的最大拉应力逐渐增加;而不同垫底材料相比较,弹性模量较低的垫底材料其厚度的变化对嵌体应力改变的影响更明显。因此,进行全瓷嵌体修复时,当洞型较浅、缺损较少时,用较薄的、弹性模量较低的玻璃离子垫底;而当牙体缺损较大,洞底部牙本质较薄弱时,用较厚的、弹性模量较高的树脂垫底,以起到对洞底牙本质的保护作用。

1.4 关于嵌体的肩台类型

缪羽等通过建立3种不同边缘设计的聚合瓷高嵌体的有限元模型后发现:对其进行垂直加载时,90°肩台和135°肩台应力集中于轴髓线角处,而内线角圆钝的直角肩台在此处应力分布均匀;斜向加载时,应力水平最小的也是内线角圆钝的直角肩台。由此,建议在临床上,可预备内线角圆钝的直角肩台,以提高树脂高嵌体的成功率。

2. 对嵌体材料及其性能的研究

近年来,全瓷材料以其美观性及足够的力学强度逐渐代替金属烤瓷材料及树脂,常用的全瓷嵌体材料包括长石质类(Mark Ⅱ)、白榴石类(EmpressⅠ)、氧化锂基类(Empress Ⅱ,IPSe.max)、氧化锆基类(LAVA)等。不同成分的瓷材料在不同的工艺下产生不同大小的弹性模量,其与树脂材料相比时弹性模量较高,因而,在最佳材料的选择上尚有争议。

2.1 不同陶瓷材料的比较

Trindade等对不同弹性模量的2种二硅酸锂材料(IPS e.max Press、IPS e.max CAD)和3种长石质瓷(Vita PM9、Vita Mark Ⅱ、Vita VM7)进行比较后发现:Vita PM9长石质瓷以其较低的弹性模量,在分散 力和避免应力集中方面效果最好,IPS e.max CAD应力集中最明显。研究显示:弹性模量受到材料本身成分及制造工艺的影响,嵌体材料弹性模量越低,修复体牙体界面的应力水平越小,牙体应力分布越合理。

陆晓丰等也发现:高弹性模量的嵌体较低弹性模量的嵌体修复的牙体组织有明显的应力集中现象。但长石质瓷强度仅为50~130 MPa,二硅酸锂类能达到300~400 MPa,因此,建议医生在临床上选择全瓷材料时除了考虑弹性模量,也应该考虑抗压强度。Ma等发现:二硅酸锂玻璃陶瓷虽在挠曲强度上不及氧化锆陶瓷,但在有牙釉质支持的情况下,其载荷能力能达到氧化锆的75%;当为牙本质支持时,二硅酸锂玻璃陶瓷高嵌体载荷能力为氧化锆的一半。鉴于患者对美观的要求,二硅酸锂能提供嵌体修复所需的强度外,加之美学和粘接性能上的优势,使其在美学及微创修复中比氧化锆更具优势。

2.2 树脂材料与陶瓷材料的比较

刘小嘉等对金合金、复合树脂、陶瓷等不同材料的MOD嵌体修复下颌第一磨牙的应力进行分析后发现:复合树脂的应力最小。因此,他们建议当牙体缺损较大时,选择弹性模量较小的复合树脂来进行嵌体修复。张珑等也认为:树脂嵌体的弹性模量与牙体组织相近,更适合缺损牙体的修复。Soares等通过研究延迟光敏作用对不同树脂水门汀弹性模量、努氏硬度、收缩率的影响以及进一步研究残余收缩应力对后牙瓷嵌体应力分布的影响情况后发现:聚合收缩率在水门汀混合3 min后,光敏作用比即刻光敏作用降低15%~34%;在5 min后,光敏作用收缩率可降低22%~42%;但其对弹性模量和努氏硬度没有影响。延迟光敏作用是通过降低水门汀的聚合收缩率来增加瓷嵌体粘接界面的密合性,减少微渗漏及继发龋的发生。

2.3 关于嵌体材料的热力学性能的研究

Cornacchia等的研究发现:冷热循环会造成材料的热力学性能疲劳;在热力学载荷下,树脂嵌体因其热膨胀系数较高而比瓷嵌体产生更高的应力水平,因此,瓷嵌体不易造成热力学疲劳。在温度变化时,嵌体的拉应力主要在载荷区域,这就提示圆钝、光滑的外表面对于防止应力集中及嵌体折裂很有必要。Çelik Köycü等通过改变加载温度模拟口腔摄入冷热食物对金合金、复合树脂、全瓷3种材料修复的后牙嵌体进行应力分析后发现:温度改变时的应力水平明显大于仅对嵌体给予200 N加载条件的应力。当分别在4 ℃和60 ℃给予200 N的载荷,复合树脂嵌体的拉应力最大,但所受剪切力最小。拉应力是造成嵌体折裂的主要因素,较大剪切力会造成脱粘接,因而,为了避免嵌体折裂及防止脱粘接,应考虑材料的热力学性能和粘接性能等。

综上所述,树脂嵌体弹性模量更接近牙体组织,但瓷嵌体具有更高的抗压强度、美观性和抗热力学疲劳性能,并在粘接时可以通过延迟光敏作用降低粘接剂残余应力对瓷嵌体的影响。由此,建议临床上较浅的窝洞及美观要求较高的区域可考虑弹性模量较高的陶瓷材料,以更好地保护薄弱牙尖及获得更优越的美观效果;当窝洞较深时,可考虑弹性模量较小的树脂材料修复,改善洞底部应力集中。

3. 对嵌体粘接层的研究

现代粘接技术被认为是“沉默的革命”,无疑是牙体修复领域的突破性进展。学者们对不同弹性模量粘接剂及粘接剂厚度进行了研究,Pishevar等的研究发现:当粘接剂厚度由100 μm增加到300 μm,应力水平明显增大。这就提示:粘接剂厚度不宜过厚。他们还发现:洞型预备后,在印模前用玻璃离子水门汀即刻封闭牙本质,明显减小了嵌体粘接界面的应力集中水平。Rocca等也认为牙本质即刻封闭对嵌体使用寿命是有积极影响的。这就提示:临床可以通过牙本质即刻封闭来减小聚合收缩产生的应力。

一些学者发现:树脂水门汀聚合收缩的过程会在牙体轴髓线角产生较大的拉应力,并将导致粘接界面水门汀的疲劳失效。一些研究显示:垫底厚度越厚,粘接层的剪切应力越大,越易造成脱粘接。因此,为了创造良好的粘接界面,可以在洞型预备后进行牙本质即刻封闭,使用聚合收缩率低的水门汀,粘接剂厚度以薄为宜,牙体预备时轴髓线角应尽量圆钝。

4. 有限元分析法现状以及对未来的展望

目前,多数研究采用锥形束计算机断层扫描(cone beam computed tomography,CBCT)、图像处理后建立三维有限元模型。CBCT建模自2011年已广泛应用于有限元分析法中。这种建模方法准确、简单,并且模型无损害,将图像边界转变为简单的线条图形,这是三维坐标仪无法实现的。传统片切技术建模属于破坏性建模。与螺旋CT相比,CBCT空间分辨率高,无放大失真,且放射剂量小。采用CBCT建模使有限元模型更具可靠性与真实性。但CBCT建模对内部细微结构的单元划分仍欠精准。

三维有限元在口腔修复的力学研究中已有很长的历史,也是一项成熟的技术,在很多方面具有实验生物力学无法比拟的优越性,但也存在着以下不足:1)建模过程中,多将所有材料假设为连续、均质、线弹性和各向同性,材料负荷变形为小变形,这些简化过程可能对模型的几何相似性和力学相似性造成影响;2)受力加载时,大多只考虑了咀嚼过程中主要力的方向,而咀嚼时力是不断变化和循环的;3)牙体组织力学性能的测定方法和测量结果尚有争议。

有限元分析是通过数学计算进行的理论分析,在运算中有理论和假设成分的存在,忽略了个体差异,与口腔实际的力学环境及受力结果有较大差异,研究结果的意义有一定的局限性。因此,在今后研究中,应充分考虑牙体及牙周组织完全非线性、黏弹性、载荷以及口腔咬合的情况,真实地反映口腔组织的生物力学特性,才能为生物力学研究提供更有益的帮助,为临床修复体最优化设计开拓广阔的前景。

来源:黄璐,钱捷.三维有限元在嵌体修复中的研究进展[J].国际口腔医学杂志,2018,45(06):728-733.


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