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摘 要： 摘要：采用有限元分析法探討了兩段式種植體在下頜骨實體模型中受咀嚼力的生物力學特性.使用Mimics軟件對下頜骨(無牙列)CBCT圖像進行逆向建模，對建立的三維實體模型應用Geomagic軟件進行優化;使用SolidWorks建立兩段式種植體三維實體模型;利用Hypermesh軟件
摘要：采用有限元分析法探討了兩段式種植體在下頜骨實體模型中受咀嚼力的生物力學特性.使用Mimics軟件對下頜骨(無牙列)CBCT圖像進行逆向建模，對建立的三維實體模型應用Geomagic軟件進行優化;使用SolidWorks建立兩段式種植體三維實體模型;利用Hypermesh軟件對有限元模型設置材料屬性、劃分網格、定義約束和接觸、施加載荷;在Abaqus軟件中分析兩段式種植體在兩種不同咬合力作用下的應力分布，探究了兩段式種植體的生物力學特性.研究結果表明，兩段式種植體在咀嚼力的作用下具有良好的力學特性，但種植體頂部受力過大，建議加強此處的材料強度，并在結構上進行優化.
關鍵詞：種植體;三維建模;有限元分析;生物力學
作為缺牙修復的一種先進技術，口腔種植術目前已在醫學領域得到廣泛應用，它通過將種植體植入至頜骨中，使人工牙根的功能被種植體取代，最終使牙齒缺失得以修復[1-2].近年來，種植體的結構不斷推陳出新，但頜骨中的種植體是否能夠承擔咀嚼的工作需要進一步探究.對種植體進行生物力學的有限元分析可以解決人體試驗帶來的弊端[3]，而模型的還原度是有限元分析準確性的關鍵指標[4].當前，對兩段式種植體并未有相關學者做出高還原度的裝配模型來進行分析，其生物力學特性有待進一步探究.本文建立了兩段式種植體和下頜骨三維有限元實體模型，并對兩段式種植體在不同咬合力作用下的生物力學特性進行了分析.
1三維實體模型的建立
針對下頜骨模型不規則且突觸較多的特點，參考種植體與下頜骨的結合方式，對兩段式種植體采用SolidWorks正向建模，下頜骨則采用錐形束CT所掃描圖像，即CBCT圖片進行逆向建模，并對逆向建模的圖1種植體模型與原物對比下頜骨進行進一步的修復，最終建立了兩段式種植體與人體下頜骨(無牙列)三維實體模型.
1.1zimmer種植體實體模型的建立
運用SolidWorks建模軟件建立種植體三維實體模型.種植體總長25mm，其中基臺長9mm，固位體直徑3.3mm.兩段式種植體將與牙齦部分結合的固位體以及與人工牙冠結合的基臺分開，并通過中央螺絲鏈接.建立的種植體模型如圖1所示.人工牙冠只起到力的傳導作用，對種植體生物力學的影響不大，故省略.
1.2人體下頜骨(無牙列)三維實體模型的建立
下頜骨屬于人類頭骨，位于頭骨下部，對面部有支撐作用，其特點有：整體表面極為不規則、能活動、突觸較多.模型的建立還需考慮位于下頜骨內部的下頜神經管，利用正向建模方法無法建立精確的三維模型，因此建立下頜骨模型時采用逆向建模的方法.
1.2.1樣本的選取
為保證所建立下頜骨模型的完整性，選取的樣本為無牙列患者的掃描圖片.在征求患者同意后，首先清理患者口腔，之后使用NewTomGiANO頭骨錐形束掃描系統對患者整個頭部進行掃描，最終形成634張CBCT掃描斷層圖像，掃描的各項參數如表1所示.
1.2.2下頜骨模型的建立
將上述樣本導入至Mimics軟件中，導入圖像后，通過調節灰度值、去除圖像噪點等方法進行圖像的增強處理，以確保能夠清晰觀察到骨組織.分析兩段式種植體在下頜骨中的受力情況，剪裁所建立的頭骨模型的下頜骨部分，以便后續進行精準優化.
1.2.3模型的優化
上述建立的頜骨模型為stl格式，需進一步對模型進行優化，將其導入到Geomagic軟件中，進行光順處理，使模型表面更加平滑.處理前后的模型對比如圖2所示.將構造形成的下頜骨三角面片格式更改為曲面片格式，通過構造格柵、擬合曲面、偏差分析和曲面化對所產生的曲面進行曲率檢測，并調整控制點使其更加光順.
1.3下頜骨種植體裝配模型的建立
網格的精細程度影響著有限元分析的準確性，但對不規則的下頜骨全部進行劃分會產生網格過多的情況，致使計算量增大且容易出錯.為滿足網格的精細程度同時保證計算的準確性和快速性，對制作的下頜骨模型進行剪裁處理，僅保留與種植體結合的部分.種植體的固位體采用螺紋植入下頜骨中，因此進行模型裝配時需使下頜骨模型中具有相應的內螺紋，而后再將兩段式種植體裝配好，種植體與下頜骨裝配模型如圖3所示.
2兩段式種植體的有限元分析
2.1定義材料屬性
頜骨部分由密質骨和松質骨組成，根據密質骨和松質骨的特性分別賦予不同的材料屬性.將頜骨模型分割為密質骨(上部分)和松質骨(下部分)，分割位置在距離頜骨模型上端2～3mm的部位.分割完畢后再進行網格劃分.鈦合金是Zimmer種植體系統使用的材料，要求各項材料連續均勻且性質相同.種植體及下頜骨的彈性模量、泊松比如表2所示[5].
2.2定義約束和接觸
利用Hypermesh進行網格劃分后，使用者在咀嚼食物時，牙齒與食物之間產生相對運動，需要對頜骨加以固定和約束，進而對種植體施加載荷.實際使用時，截斷的下頜骨兩側會承受更多的力，因此需要在頜骨模型的兩側施加固定約束.
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兩段式種植體的中央螺絲與固位體螺紋連接處設置為摩擦接觸;基臺與中央螺絲頭部端面設置為剛體接觸;另外，由于中央螺絲螺紋體的非螺紋部分與基臺上的光孔之間，以及固位體末端與下頜骨之間存在空隙，可能出現形變，所以分別設置為可能接觸面和剛體接觸，其它設置與復合基臺種植體相同，具體情況如圖4所示.
2.3定義載荷
將上述軟件定義后的模型導入至Abaqus軟件，而后定義載荷，常態應力是202.2N，分解為水平方向30N向上的力和垂直方向200N向下的力.最大咀嚼力是600.7N[6]，分解為垂直方向600N向上的力和水平方向30N向下的力.
3結果分析
由2.3定義荷載可知，咬合力為600.7N和202.2N.兩段式種植體在上述咬合力的作用下，整體及主要部分的應力分布云圖分別如圖5至圖7所示;種植體各部分的最大應力如表3所示.可以看出：在咬合力的作用下，基臺的底部是兩段式種植體受到最大應力的位置，定義為種植體頸部.同時，種植體頸部也是種植體植入密質骨的部位.該結論與其他學者的結論相同[7].
在202.2N力作用下，中央螺絲的受力分布會更加均勻;但是，隨著力的逐漸增大，可能會出現兩個問題，分別是：
(1)在600.7N的力作用下受力的位置主要集中在螺紋部位，容易出現兩段式種植體的螺紋松動;
(2)固位體所受的較大應力集中在螺紋部位，同樣容易出現螺絲松動.在臨床上，上述兩個問題會造成種植體的損壞，表現為中央螺絲松動或斷裂.因此，截取中央螺絲螺紋部位的上、中、下三點和固位體螺紋部位的上、中、下三點，對其應力進行重點分析，位置選擇如圖8、圖9所示，所得結果如表4所示.
由表4可以看出，兩段式種植體在合力為202.2N的咀嚼力(即正常咀嚼力)的作用下，中央螺絲螺紋上端會出現最大應力，且自上而下依次遞減，詳情參照圖5至圖9.Von-Mises應力值在合力為202.2N的條件下比在合力為600.7N的條件下大，螺紋處的應力自上而下呈現無規則的增加.固位體載荷202.2N和載荷600.7N時，螺紋中部應力值較小，自中部向底部和頂部逐漸增加，也就是說，螺紋頂部和底部的Von-Mises應力值較大.
4、結束語
從仿真結果來看，在受較大的咬合力的條件下，中央螺絲受力分布均勻，但在正常咀嚼食物時(咀嚼力在200N左右)，頂部受力較大，建議加強此處的材料強度，并在結構上進行優化.固位體在兩種環境中受力均比較均勻.整體上看，兩段式種植體在不同載荷條件下均體現了較好的力學特性.——論文作者：張浩1，徐婧涵2
