咬合力对不同附着水平后牙牙周组织改建过程影响.doc

咬合力对不同附着水平后牙牙周组织改建过程影响 　　[摘要] 目的 将基于应变能密度（SED）的骨组织改建理论与有限元方法相结合，研究不同牙周附着水平下颌后牙在咬合力作用下，牙槽骨组织功能性改建的过程及其规律。方法 构建不同牙周附着水平的下颌第一磨牙及其牙周组织的三维有限元模型，结合基于SED的骨组织改建理论，通过自主开发的ABAQUS有限元分析软件中的用户材料子程序（UMAT），建立能够模拟牙槽骨组织改建过程的生物力学模型，分析不同咬合力作用下牙槽骨组织应 力及密度的变化情况，揭示咬合力对不同附着水平下颌第一磨牙牙槽骨组织改建过程的影响。结果 下颌后牙牙槽骨Von Mises应力分布主要集中在颊舌侧颈部及根尖区。随着载荷的增加，牙槽骨所受应力值逐渐增大。牙槽骨密度在应力较大的区域随着载荷的增大先增加，随后出现下降。当牙周附着水平从正常降至根长1/2时，引起牙槽骨密度下降的载荷也由420 N降至240 N，同时牙槽骨组织的改建速度加快。结论 随着牙周附着水平的降低，牙周组织承受咬合力的能力明显下降，牙槽骨组织密度的降低也会在较早的时间出现。在牙槽骨组织改建的过程中，咬合力与骨组织密度变化的关系密切，适当降低咬合力有利于临床牙周病患者的治疗和预后。 [关键词] 牙槽骨组织改建； 牙周附着水平； 咬合力； 骨密度； 应变能密度； 有限元分析 [中图分类号] R 78 [文献标志码] A [doi] 10.7518/hxkq.2013.03.022 骨组织作为一种生物活性材料，具有功能适应性特点，可以通过不断地重建去适应变化了的力学环境，以便实现其生理功能[1]。牙槽骨内感应器在 外部施加的机械刺激下活化相关骨细胞，引起骨吸收或骨形成的过程称为牙槽骨组织改建，是骨通过改变自身形态以适应外部载荷变化的缓慢过程[2]。龋 病、牙周病和生理性组织退缩等多种原因都会造成牙槽骨高度降低、密度变化和牙周附着水平的丧失，此时牙齿与牙周组织所能承担的咬合力将发生变化，牙周组织也将随之发生功能性改建[3-5]。不当的咬合力会对牙周组织造成伤害，导致牙槽骨进一步吸收，甚至牙齿松动。因此，在临床工作中迫切需要认识牙周组织功能性改建的规律及其影响因素。本研究结合应用于骨改建数值模拟中的应变能密度（strain energy density，SED）骨改建理论，自主开发了用户材料子程序（user material subroutine，UMAT），用ABAQUS有限元分析软件调用UMAT，建立了模拟天然牙齿与牙周组织功能性改建的生物力学模型，分析咬合力作用下不同牙周附着水平牙槽骨的改建过程，并预测不同附着水平牙周组织所能承受的咬合力大小及其与咬合力的关系，以期指导临床上牙周病的诊断与治疗。 1 材料和方法 1.1 下颌第一磨牙及牙周组织有限元模型的建立 将牙列完整、标准的正常人的下颌三维锥体束CT（cone beam CT，CBCT）（Sirona公司，德国）扫描数据导入Mimics 10.01软件（Materialise公司，比利时），获得下颌第一磨牙及其牙槽骨的三维表面形态，利用Geo-magic Studio 11.0软件（Raindrop公司，美国）对生成的模型进行表面修整后转化为非均匀有理B样条（non-uniform rational B-splires，NURBS）曲面，最后在CATIA V5R19软件（达索Falcon公司，法国）中实体化，通过裁剪、修整等功能模块，根据牙齿、牙槽骨断面表面外形分别构建牙周膜（0.2 mm）、密质骨（2 mm）及松质骨的实体部件。将构建的实体模型导入ABAQUS/CAE 6.10（达索Simulia公司，美国）， 对各实体部件采用4节点四面体单元进行网格划分，最终获得3组牙周附着水平不同的三维有限元（three dimensional finite element，3D FE）模型（图1），包括附着水平正常（N组）、附着丧失达根长1/3（T1）组、附着丧失达根长1/2（T2）组，其节点数、单元数分别为43 451、183 791（图1A）；28 234、118 740（图1B）；26 589、111 633（图1C）。 1.2 实验假设、加载条件和材料参数 模型中不同组织界面采用绑定接触关系（Tie），在z轴方向上对牙槽骨两端进行位移约束（图2A）。根据典型的牙尖交错咬合接触情况[6]，沿牙体长轴采用 8点均匀分布咬合力的加载方式（图2B）[7-8]，载荷为下颌第一磨牙正常的咀嚼力（180～480 N）。将模型中牙 齿、牙槽骨及牙周膜组织简化为连续均质、各向同性的线弹性材料，其材料力学参数见表1。 1.3 数值模拟 本