单侧游离端缺失设计图_单侧游离端附着体义齿的应力中断设计及其力学传导分析...

弹性附着体义齿是一种高效的可摘局部义齿修复形式[，在修复远中游离端缺失时可以显著减少基牙受到的不良扭转力[。然而，由于弹性附着体的缓冲作用，基牙承受的咬牙合力向远中基托转移导致基托下方黏膜组织负担增加[，严重时可以加重缺牙区牙槽嵴萎缩，并使基牙承受的非轴向扭力渐进性增加[。为克服上述不足，本研究设计并制作了一种新型附着体义齿，通过应力中断作用将基托承受的咬牙合力传递至基牙近中并沿基牙长轴传导。为证实其应力传导方式的有效性，本研究构建了应力中断式义齿的三维有限元模型，初步分析功能载荷下的应力分布，并为其临床应用奠定理论基础。

1 材料与方法

1.1 应力中断式附着体义齿的设计

应用于单侧游离端缺失的应力中断式附着体义齿和传统弹性附着体义齿均由基牙、弹性冠外附着体(easy resilient attachment, ERA)、舌侧固位臂及近中连接体、人工牙和基托等部件构成(

A：传统弹性附着体义齿基托受力后沿舌侧辅助固位臂横向传递至基牙，基牙承受远中的扭转力；B：应力中断式附着体义齿基托受力后沿舌侧连接体传递至基牙，基牙承受沿长轴方向的力

图 1

两种附着体义齿的结构示意图及其应力传递(舌面观)

传统弹性附着体采用双基牙支持，基牙舌侧放置舌侧对抗臂以抵抗冠外附着体在侧向力作用下的旋转与摆动(

1.2 应力中断式附着体义齿的制作

男性志愿者1名，26岁，口内为个别正常牙合，上下牙列完整，咬合关系良好，前牙覆牙合覆盖正常，无明显牙周疾病及牙槽骨吸收，无颞下颌关节疾患。制取该志愿者全口牙列印模并灌注模型。在人造石模型上平齐牙颈缘磨除右下颌第一、二磨牙，修整剩余牙槽嵴及黏膜形态，以模拟右侧下颌远中游离端缺失患者的口内情况。

按附着体义齿基牙要求在人造石模型上预备右下颌第一、二前磨牙，制作基牙代型。制作附着体基底冠蜡型，在研磨仪工作台上于右下颌第二前磨牙蜡型研磨辅助固位壁与栓道，平行转移杆放置附着体阴性部件(ERA-RV, Sterngold公司，美国)。常规完成修复体支架蜡型，制作舌侧辅助固位臂及近中连接体，包埋铸造。喷砂、研磨抛光后在修复体基托放置附着体阳性结构，完成应力中断式附着体义齿制作(

A：模拟的右下游离端缺失模型及附着体基牙预备；B：基底冠蜡型制作及附着体放置；C：附着体义齿活动部分支架蜡型的制作；D：完成的附着体义齿

图 2

应力中断式附着体义齿的技工室制作流程和步骤

1.3 应力中断式附着体义齿的三维有限元模型构建

1.3.1 采集牙颌数据

同一志愿者用CBCT (KaVo 3D eXam i，卡瓦公司，德国)扫描上下颌牙列及牙槽骨形态。志愿者取坐位，固定头部，口内戴用厚度为2 mm自制咬合蜡板，确定咬合平面使之尽可能与牙齿长轴垂直。CBCT校准后进行颌面容积扫描，扫描范围上至上颌牙根，下至颏部下缘，进行连续无间隔扫描。扫描参数：电压120 kV，电流37.07 mA，层距、层厚0.2 mm。共获取400幅图，以DICOM格式输出并保存。

1.3.2 建立牙颌曲面模型

将DICOM格式数据导入Mimics 15.0软件(Materialise公司，比利时)进行下颌骨及牙列的三维重建, 逆向工程软件Geomagic Studio 12 (Raindrop公司，美国)对模型进行删除、修补、光滑等细化处理，得到下颌骨和牙列的曲面模型。

1.3.3 建立修复体曲面模型

齿科高精度的三维激光扫描仪(AutoScan-DS100，先临三维公司，中国)分段扫描弹性冠外附着体的阳极和阴极部件，导入数据至Geomagic Studio，细化处理后得到修复体的曲面模型。

1.3.4 建立三维实体模型

在UG NX 10.0(Siemens PLM Software公司，美国)中合并牙颌曲面模型及修复体曲面模型，布尔运算后获得松质骨、皮质骨、黏膜、牙周膜、基牙、烤瓷冠及附着体阴极结构、活动义齿及附着体阳极结构等各部分的三维实体模型。

1.3.5 网格划分和力学参数赋予

在Ansys 13.0(Ansys公司，美国)软件中导入实体模型数据，网格划分；赋予各组织和材料相关的力学属性[(

表 1 相关材料的力学参数

材料

弹性模量(MPa)

泊松比

牙本质

18 600

0.31

牙周膜

0.689

0.45

皮质骨

13 700

0.30

松质骨

1 370

0.30

黏膜

1.0

0.45

钴铬钼合金

210 000

0.30

尼龙

2 400

0.39

基托

4 500

0.35

1.4 边界约束及应力传导分析

弹性冠外附着体阳性部件和阴性部件间的缓冲间隙设置为0.4 mm，摩擦系数为0.3；基托组织面和牙槽嵴黏膜摩擦系数为0.1[；约束牙槽骨底部边缘，其位移设定为0。本研究采用静力面加载的方法，施加恒定载荷量100 N于第一、二磨牙(人工牙)的咬牙合功能接触面，即颊尖斜面，加载方向与牙长轴呈45°角，方向分别为垂直向、颊舌向和近远中向。观察各组成部分的应力分布及相对大小。

2 结果

2.1 应力中断式附着体义齿三维有限元模型

制作了标准尺寸下应力中断式附着体义齿，包括基牙、弹性冠外附着体、舌侧固位臂及近中连接体、人工牙和基托等部分。以此为基础结合CBCT、三维激光扫描和逆向工程技术成功建立了该附着体义齿修复单侧游离端缺失的三维有限元模型，共得到42 880个单元，81 039个节点(

A：整体三维有限元模型；B：基牙、烤瓷冠和附着体阴极；C：舌侧固位臂及近中连接体、人工牙和基托

图 3

应力中断式附着体义齿三维有限元模型

2.2 应力中断式附着体义齿垂直向载荷下的应力传导

对应力中断式附着体义齿的有限元模型加载垂直向载荷后进行分析，得到应力分布云图(

A：舌侧观；B：近远中剖面舌侧观

图 4

应力中断式附着体义齿垂直向载荷下应力分布云图

2.3 应力中断式附着体义齿侧向载荷下的应力传导

对应力中断式附着体义齿的有限元模型加载颊舌向载荷和近远中向载荷后分别进行分析，得到应力分布云图(

A：颊舌向载荷下舌侧观；B：颊舌向载荷下远中基牙颊舌剖面远中观；C：颊舌向载荷下近中基牙颊舌剖面近中观；D：近远中向载荷下舌侧观；E：近远中向载荷下近远中剖面舌侧观

图 5

应力中断式附着体义齿侧向载荷下应力分布云图

3 讨论

应力中断通过优化设计以调整修复体牙合力传导方式从而减小末端基牙受到的扭力，促进基牙和缺牙区牙槽嵴健康的重要方式。目前临床常用的应力中断有回力卡环[与分裂基托[等设计形式。本研究中，通过中断舌侧辅助固位臂和远中基托的连接处来设计分裂基托，并结合近中连接体设计和制作了一种应力中断式附着体义齿，以期改变功能负荷中传统修复体承受牙合力的应力传递途径，引导牙合力沿基牙长轴传导，以减少传统弹性附着体义齿修复时基牙承担的不利转矩，增加义齿稳定性，同时减小缺牙区牙槽嵴的负荷，维护和促进基牙及缺牙区牙槽嵴组织的健康。

为进一步分析应力中断式附着体义齿在功能负荷下的应力传导方式，本研究构建了标准尺寸下的应力中断式附着体义齿的三维有限元模型。附着体是建模结构中最复杂的一部分，不同于传统的软件绘制附着体几何模型的建模方式[。本研究结合CBCT、三维激光扫描及逆向工程技术，通过对修复体的基牙和牙槽嵴黏膜、附着体阳性部件和阴性部件及分裂基托义齿进行分段扫描，采集高精度和完整性数据建立缺牙区和附着体的数字化模型，充分保证了三维有限元模型的精确性和几何相似性，具有各部分结构完整、提取方便等优点，利于单独和组合后的三维有限元力学分析和观察。

应力载荷分析表明：本研究中应力中断设计可以较好地阻断功能性载荷下牙合力由远中义齿基托向基牙的直接传导，改变了传统弹性附着体义齿的应力传递方式，理论上减少了基牙的扭力。缺牙区人工牙承担的牙合力除由缺牙区牙槽嵴黏膜承担外，更多的牙合力可以通过近中连接体传递至基牙并沿长轴方向传导，同时减轻缺牙区牙槽嵴的负担。由于近中基牙的存在和双基牙的联合支持，避免了不利转矩作用于基牙所产生的侧向扭力，尤其是在侧向加载时更加显著，这有助于维护和促进基牙的健康。

本研究中附着体义齿的基托支架采用具有高弹性极限的高性能齿科铸造合金Vitallium 2000 plus制作。该合金为高钴铬钼合金，其中钴约占60%，铬占28%~32%，钼占5%~7%，锰低于0.75%，硅低于0.6%。与传统钴铬合金比较，高钴铬钼合金具有更高的延展系数和维氏硬度，临床上使用时支架变形较小，适用于复杂牙列缺损的分裂基托设计[。本研究观察到，近中连接体是缺牙区基托向基牙传递应力的主要途径，因此，近中连接体与舌侧固位臂联结处应力最为集中，采用高钴铬钼合金有助于减少应力中断式附着体义齿基托折断的可能性。

本研究设计的应力中断式附着体义齿可以有效地改变功能载荷下单侧游离端义齿基托向基牙传递的应力方向，实现应力中断效应，从应力传导方式的角度为改善常规弹性附着体义齿的应力分布奠定了基础。但在不同载荷条件下，应力中断式附着体义齿与常规弹性附着体义齿在各部分结构的应力分布差异仍有待于进一步研究。