种植体基桩界面结构的三维有限元应力分析第三军医大学学报

种植体基桩界面结构的三维有限元应力分析【摘要】 目的 研究连接方式对种植体基桩界面受力的影响。方法 利用三维有限元方法，分析比较Spline、外六边、内六边及Morse Taper连接方式的种植体、基桩及中央螺钉在预负荷、垂直载荷200N、垂直载荷500N及斜向载荷100N作用下的应力分布情况。结果 中央螺钉的最大应力值位于螺钉头部与螺杆交接处；Spline种植体的最大应力值位于突起根部，该连接方式的中央螺钉的应力值高于种植体和基桩；侧向载荷使种植体基桩连接各部件的应力明显增大。结论 Spline连接方式的中央螺钉可以起到弱连接的作用；临床上应尽可能减小种植义齿受到的侧向力以保证种植体基桩界面的长期稳定性。【关键词】 种植体；应力分析；接触分析；三维有限元Three dimensional finite element analysis of stress distribution of implant-abutment interfaces【Abstract】 Objective To investigate the effect of interface on stress distribution of implant-abutment joint. Methods Three-dimensional finite element analysis was used to determine stress distribution of the implant, abutment and screw of different interfaces under preload, 200N and 500N vertical load, and 100N oblique load. Result Maximum Von Mises stress of screw concentrated at the joint of the screw head and the screw shank. Maximum Von Mises stress of the Spline implant locates at the root of the projections. Lateral load causes dramatically increase of the stress of the implant-abutment joint. Conclusion Central screw of the Spline system plays a role of weak link. It is recommened to diminish the lateral stress of the implant restoration in order to ensure the stability of the implant-abutment joint.【Key word】finite element analysis；stress；implant-abutment interface；contact analysis种植体一基桩的连接方式决定着其就位、连接强度、抗旋转性等，该界面的稳定性是影响种植义齿成功的一个重要因素1。Spline连接方式是通过植入体向冠方延伸的六个突起插入基桩相应的凹入部位而结合，该连接方式在引入口腔领域以前，主要应用于航天工业中，实践证明该连接方式具有良好的抗旋转作用2。但是目前尚没有Spline与其他连接方式的深入对比研究，另外，Spline连接方式在外载荷作用下的受力情况也尚未见报道。本实验通过三维有限元方法，分析比较Spline和其他三种常见的连接方式（即外六边、内六边及Morse Taper）在不同载荷下的应力分布情况。目前国内有限元方法主要为线性分析2，本实验通过有限元方法中的接触分析（非线性）对种植体基桩界面的应力分布进行研究，为国内在有限元分析中开展非线性分析进行探索。1. 材料和方法1.1 建模 根据相关数据3，在三维建模软件Pro/Engineer Wildfire 2.0中建立Spline种植体（长10Cm，直径3.75mm）、相应粘固型基桩、中央螺钉及一个均匀厚度0.5mm的帽状冠模型（相当于烤瓷牙底层冠）。在Spline模型界面的基础上修改，获得外六边、内六边和Morse Taper连接方式的种植体基桩模型（图1）。将不同连接方式的模型从Pro/E完整导入有限元软件Ansys Workbench 9.04。 Spline 外六边 内六边 Morse Taper图1 四种连接方式种植体基桩模型1.2 材料参数、假设、边界条件 四种连接方式的种植体、基桩及中央螺钉均设为钛合金材料，即Ti-6A1-4V（杨氏模量110GPa，泊松比0.35）5，帽状冠设为金合金材料（杨氏模量100GPa，泊松比0.3）。假设模型材料为连续、均匀、各向同性、线弹性材料。根据相关文献，对种植体外螺纹所有节点施加刚性约束6。1.3 接触区域的设置 本实验研究种植体-基桩界面的问题，涉及有限元分析中的接触分析7，因此在种植体-基桩、种植体内螺纹-螺钉螺纹以及螺钉头部-基桩接触区引入接触对，设定其摩擦系数为0.36；对于基桩-帽状冠接触区，不考虑界面问题，设定其为紧密接触无相对滑动。1.4 网格划分 网格划分均采用四面体单元，划分结果如表1所示。表1 网格划分结果模型单元数节点数Spline5655791816外六边6027295942内六边5238087164Morse Taper625431010071.5 加载条件 Spline种植体系的中央螺钉的推荐拧紧力矩为28.2NCm，根据拧紧力矩和预紧力的关系8，求得预紧力为405N，该力施于螺杆上，为轴向使螺杆缩紧的力。在预紧力基础上，于帽状冠顶面施加三种载荷9：垂直200N、垂直500N、斜向100N（45°）。2. 结果四种连接方式的种植体、基桩及中央螺钉在不同载荷下的最大Von Mises应力值如表2所示。表2 不同载荷下种植体基桩连接各部件的最大Von Mises应力值(MPa)SplineExt-hexInt-hexMorse TaperIASIASIASIAS预紧力405N8811234117114134068142343247213431垂直200N115159396164153351145137356172160290垂直500N154360362130389325195342310172400160斜向100N320210519324262485407284405426487389I=种植体，A=基桩，S=中央螺钉四种连接方式的中央螺钉在不同载荷下的最大应力值均位于螺钉头部与螺杆交接处。斜向载荷下螺钉应力分布较轴向时不均匀，螺杆中部也是应力明显增加的一个区域（图2）。 a.预负荷 b.斜向载荷图2 Spline中央螺钉应力分布图预负荷及垂直载荷作用下，Spline连接方式的种植体最大应力值位于突起根部，而其他三种连接方式的最大应力值位于种植体第一内螺纹处（图3）。 a. Spline种植体 b. 外六边种植体 c. 内六边种植体 d. Morse Taper种植体图3 200N垂直载荷下种植体应力分布图斜向载荷作用下，Spline种植体的最大应力值仍然位于突起根部，其他三种连接方式的最大应力值位于界面边缘（图4）。 a. Spline种植体 b. 外六边种植体 c. 内六边种植体 d. Morse Taper种植体图4 斜向载荷下种植体应力分布图3. 讨论3.1 中央螺钉的应力情况研究表明，螺钉的疲劳失败通常发生在两个部位10，一是螺钉头部与螺杆交接处，主要是因为两部分之间曲率半径和直径变化所产生的应力集中，本实验中中央螺钉最大应力值发生的部位正与此相符；另一处是第一螺纹根部，主要是螺纹几何外形所导致的应力集中，本实验中对于螺纹部分，第一螺纹应力较其他螺纹更大。有文献中6直接利用外载荷下中央螺钉Von Mises应力的变化来说明螺钉松动的问题，认为外载荷下Von Mises应力的减小可能增加螺钉松动的几率。但是螺钉的松动是究其根本原因是预负荷的丧失8，预负荷是螺钉所受的张力11，而Von Mises应力是研究材料破坏时考虑的一个应力值，二者有不同的概念，因此不能简单的通过Von Mises应力的变化来断定螺钉松动与否。3.2 种植体和基桩的应力情况Spline种植体在不同载荷下的最大应力值都位于突起根部，这一结果与Binon的研究结果是相符的3。有学者指出Spline突起可能发生折断，但本实验中Spline种植体的应力值远远小于材料的屈服强度，关于Spline突起是否会折断以及在何种情况下会出现这种情况，尚需要进一步实验。对于外六边、内六边和Morse Taper连接方式的种植体，在预负荷及垂直载荷下，其最大应力值都位于第一内螺纹处，该处是这几种连接方式的种植体应力集中的一个部位，这可能与中央螺钉第一螺纹根部常是应力集中的部位是相对应的，主要是由于螺纹几何外形所导致的结果10。本实验中斜向载荷的作用使种植体-基桩连接各部件的应力值显著增大。应力的增大可能使材料发生屈服，因此临床上在进行种植义齿修复时，应尽量减小种植义齿所受到的侧向力，如降低牙尖斜度、减小义齿的倾斜度等，以保证种植体-基桩连接的长期稳定性。比较Spline连接方式各部件的应力可以发现，不同载荷下中央螺钉的应力值高于种植体和基桩，因此可以起到弱连接12的作用，即中央螺钉在其他部件破坏之前发生屈服或折断，从而达到保护其他部件的目的。本实验对四种连接方式的模型施加了相同的实验条件（如尺寸、材料、载荷等），区别只在于连接界面的不同，其目的是为了更好的说明界面设计对种植体-基桩连接受力的影响。但是临床应用中不同种植体系统可能使用不同的拧紧力矩和材料等，因此在进一步的研究中需要考虑这些因素的影响。参考文献1. Martin WC, Woody RD, Miller BH etc. Implant abutment screw rotations and preloads for four different screw materials and surfaces. J Prosthet Dent. 2001, 86（1）: 24-322. 金鼎综述，三维有限元方法在口腔种植修复领域的应用及展望。辽宁医学院学报，2008，29（5）3. Binon PP. The Spline implant: design, engineering, and evaluation. Int J Prosthodont, 1996, 9: 416-4334. 慧光艳，真实种植体三维