三维有限元分析在牙周夹板研究中的应用

那颖旭 段春红

三维有限元分析法是生物力学研究中的重要手段之一，目前已广泛应用于口腔领域，该方法因具有强大的建模功能和接口工具，可逼真地建立三维口腔组织结构的模型，并对每种组织的属性赋值，进而研究在不同修复材料、不同加载条件下牙体及牙周组织的应力分布特点，为临床治疗提供生物力学参考[1,2]。

牙周夹板是固定松动牙齿的有效方法，它可将松动牙齿与稳固健康的邻牙连接成一个单位，实现力的重新分配，减轻对牙周组织的损伤[3]。三维有限元法可将牙体、牙周组织及牙周夹板等进行三维重建，并模拟牙周炎的临床现象及牙周夹板的固定方法，探究牙周组织的生物力学特性，是分析牙周夹板治疗效果较为可靠的体外研究方法。现就三维有限元法在不同类型、不同材料以及不同牙周状态下牙周夹板中的应用及研究进展进行综述。

1.三维有限元法在暂时性牙周夹板研究中的应用

暂时性牙周夹板是用不同类型的材料将患牙与健康邻牙固定的一种方法，根据材料可分为不锈钢丝夹板、纤维加强复合树脂夹板，树脂类夹板及可摘式夹板[4]。

1.1 三维有限元法在不锈钢丝夹板中的应用不锈钢丝是较早应用于临床的夹板材料，多与树脂联合应用，是一种有效的固定材料。Geramy.A[5]对不锈钢丝+复合树脂固定前牙三维有限元分析显示，牙槽骨的状态和咬合力的大小是影响牙周夹板疗效的重要因素。对于前牙的垂直吸收和多个牙牙槽骨水平吸收的情况，夹板的使用意义不大；而对于较少的牙槽骨吸收，咬合力大小成为了影响夹板疗效的主要因素，较小的咬合力是金属夹板的优势体现。提示使用夹板时，必须评估患者的牙周状况，对于骨缺损较大者，夹板的使用会影响其余患牙，应慎用金属丝+复合树脂夹板；对于有牙合创伤的患者，应该及早给予调牙合，必要时行正畸治疗，使患牙的咬合力降到最低。

1.2 三维有限元法在纤维加强复合树脂夹板中的应用 纤维材料因其超高的弹性，可更好地与牙面贴合，增加患者的舒适度等优点被广泛应用于临床[6]。Amid R[7]对用纤维加强复合树脂夹板固定的下前牙模型进行有限元分析，结果显示纤维夹板的使用降低了中切牙的应力，增加了尖牙的应力，可有效的分散牙合力，这是弹力纤维的优势；但该固定方法也存在限制条件，使用弹性纤维必须保证尖牙有足够的骨支撑，可最大限度的降低牙周膜及牙槽骨的应力，延长牙齿的使用寿命；该实验还证实牙周膜虽然结构小，但它的低弹性模量会吸收部分应力。因此在有限元建模时必须体现牙周膜的结构，方可更好的模拟临床操作，确保实验数据的准确性[8]。

不同材料的夹板，因其力学性能不同其适应症也不尽相同。学者们[9,10]对不同程度牙槽骨吸收的下前牙，分别使用不锈钢丝、强力纤维和复合树脂三种材料固定，三维有限元分析结果显示：三种夹板均能降低牙周膜的应力并转移载荷，牙槽骨吸收小于40%时，不锈钢丝夹板因刚度显著高于其余两种夹板，可吸收更多的应力使牙齿的受力降低，应力分布也优于其他两种材料；当牙槽骨吸收超过40%时，使用不锈钢丝夹板后，尖牙所承受的负荷过大，可造成尖牙的继发性损伤，应用弹性模量低的纤维夹板或复合树脂是较好的选择。

暂时性牙周夹板的疗效不仅受材料的影响，也与存留牙槽骨高度、骨缺损的类型及牙齿松动度密切相关。多项有限元研究表明，牙周膜等效应力随牙槽骨破坏程度的增加而增大[11,12]。郑立娟等[13]探讨了不同牙周状况下，纤维加强复合树脂夹板固定下前牙前后的应力分布特点，结果显示，牙槽骨吸收根长的1/2 是应力变化节点，吸收超过根长1/2患牙应力值急剧增大；使用牙周夹板后，可有效的分散力。此外，牙槽骨的吸收方式也会影响牙周夹板的力学特性，陈倩柔[14]的研究结果表明牙槽骨垂直吸收时，不锈钢丝易产生弹性形变，在轴向外力下钢丝会吸收部分应力，使牙周组织的应力减小；但加载45°侧向力时，不锈钢丝的弹性不足以抵抗牙齿的唇舌向动度，百强纤维更有优势。根据上述研究，临床上在进行牙周固定时，应根据患牙的牙周状况决定使用夹板的种类及时机，以免造成不必要的损伤，对于牙槽骨吸收≥根长的1/2、牙周组织缓冲能力显著降低者，应及时固定以分散咬合力；对于牙槽骨水平吸收者，可采用低弹性模量的固定材料；对于垂直吸收者，侧向力对牙周组织的影响更大，高弹性的固定材料则是最佳选择。

1.3 三维有限元法在树脂类夹板中的应用 近年来,Super-bond C&B 粘接剂制作的牙周夹板因操作简便、美观舒适，能与牙釉质形成良好的机械结合，具备良好的刚性和密合性,也广泛应用于临床[15]。丁成水[16]比较了百强纤维和Super-bond C&B 两种材料固定不同松动度下前牙的应力分布特点后发现，随着松动度的增加，松动牙所受的最大应力呈线性增加，两种夹板固定下的每个牙齿的位移云图效果相似，但Super-bond C&B 夹板固定下的位移云图颜色过度更自然，受力更分散，故Super-bond C&B 夹板更占优势。李丹等[17]的临床研究却发现，和弹性纤维相比，Super-bond C&B更易发生断裂，原因可能为粘接剂与牙面之间的应力集中和对侧向力的抵抗较差，由此看来，控制和分散咬合力仍为保证夹板存留率的重要因素。

everStick 是一种新型的高强度、高硬度及耐腐蚀复合树脂纤维材料，因其结构轻薄、外形美观、操作简便等优点已被广泛应用于牙周夹板，种植牙的过渡性义齿以及小间隙的修复等。陈敏[18]对everStick PERIO 牙周夹板的有限元研究显示，牙周炎患牙受力后唇侧颈部存在明显的应力集中区，使用夹板后应力从牙颈部转移到根尖区并逐渐降低，应力分布更均匀，减轻了患牙的负担，是一种较好的夹板材料，这与多数临床研究结果[19,20]相一致。everStick 芬力粘接桥是基于马里兰桥的新一代微创粘接桥，常用于因牙周炎造成牙齿缺失的修复，同时具有牙周夹板的作用。有学者[21,22]通过比较纤维增强复合树脂、金属材料作为粘接桥的生物力学特点，表明纤维增强复合树脂制作的粘接桥更能减少应力集中，防止桥体断裂。但目前尚无对everStick C&B 作为牙周夹板的三维有限元研究，仍需对其力学性能进行进一步探讨。

2.三维有限元法在永久性牙周夹板研究中的应用

永久性牙周夹板是修复缺失牙并固定松动牙的方法，主要分为固定式夹板、可摘式夹板和套筒冠式夹板三种，种植体参与的牙周夹板也得到了广泛应用。随着三维有限元模型构建技术的提升，已实现了永久性夹板的整体模型构建、力学分析、性能比较及定律验证，可以更好的指导临床工作[23,24]。

2.1 三维有限元法在固定式夹板中的应用 固定式夹板是一种常用的牙周夹板，具有体积小、固位好及可改善患牙松动度等优点。有研究[25]显示牙周受损的基牙即使在较小的咬合力下，也会使牙周负荷增加；而固定夹板可以降低基牙的应力,加之牙周膜的缓冲作用，可建立稳定的咬合。张理红[26]的结果显示牙槽骨吸收1/3 的上颌前牙随着联冠跨度的增加，牙体及牙槽骨的应力峰值降低，应力分布也更均匀。Li[27]的有限元分析结果提示，对于单侧末端游离缺失的患者，当基牙的牙周组织吸收超过根长的1/3 时，选择三个基牙比两个基牙更能减轻侧向力对其的影响，但由于增加基牙的数量可使整个固定桥的支点前移，过大的负荷会使基牙受到不可逆的损害，因此中重度牙周炎的患牙应慎选做基牙。

牙槽骨的破坏程度和牙齿松动度也是固定式夹板设计中需要考虑的因素，刘建平[28]研究了基牙三侧骨缺损对固定夹板的影响，结果显示三侧骨缺损的患牙较单侧、双侧缺损应力更为集中，且缺损程度越大，患牙所受的应力越大，提示我们在对伴有骨缺损基牙的固定义齿设计时，要考虑牙槽骨吸收的程度。张光建[29]对基牙Ⅰ°、Ⅱ°松动时固定义齿作为牙周夹板的有限元分析显示，多根基牙较单根基牙对牙周组织的损害小，因此临床上在设计固定义齿夹板时，应在牙周储备力不足的单根基牙侧，适当增加基牙以维持牙周状况的稳定。

2.2 三维有限元法在可摘式夹板中的应用 可摘式夹板便于摘戴清洁，有利于菌斑控制和牙周维护，也是修复牙列缺损固定松动牙的简便方法。Geramy.A[30]对基牙牙周受损的可摘式夹板进行生物力学分析显示，可摘式夹板可以将应力分散到根尖区，防止牙槽骨应力的增加；随着基牙牙槽骨的吸收，其临床冠根比可接受的最大范围为1.65～2，冠根比例越大对基牙的损伤越大。Sasaki H[31]对仅剩前牙区的双侧末端游离缺失的模型进行有限元分析后认为，牙槽骨吸收大于3mm 时，对于咬合力较大者，选择6 个前牙做夹板与选择2 个、4 个相比，更能减少基牙的扭转力及侧向力，有利于基牙牙周状况的维护。因此，可摘式夹板虽然也具备分散咬合力，基牙受限小，适应症相对广泛的优点，但对于重度牙周炎的患者，仍需通过增加基牙，增加牙周夹板的弧度，加大旋转轴距基牙的距离，以对抗各向咬合力。

2.3 三维有限元法在套筒冠式夹板中的应用圆锥型套筒冠义齿修复牙列缺损时，可通过外冠将牙合力传递给基牙，使基牙能够对抗侧向力，并对牙周组织产生生理性刺激，也具有牙周夹板的作用[32]。曲玮玮[33]对中度牙周炎患者用套筒冠式牙周夹板修复的三维有限元研究认为，这类夹板可减小中度牙周炎患牙的咬合创伤，有利于牙周炎的长期维护。李风兰[34]比较了金属烤瓷联冠和套筒冠两种方法修复因牙周炎造成扇形移位的上前牙的修复效果，发现二者产生相似的应力效果，而套筒冠式夹板不仅具有分散咬合力的作用，而且对于牙槽骨吸收较多者，能更好的保护基牙，因此对于牙槽骨吸收严重、松动度大的患牙，套筒冠更有优势。

李德利[35]比较了牙列缺损状态下，使用固定、可摘及套筒冠三种牙周夹板的生物力学特征后发现：固定夹板修复时，基牙应力增加，尤以近缺隙侧的基牙明显；可摘式夹板修复时，应力则沿大连接体传向尖牙，使尖牙应力显著增大，且随着牙槽骨的吸收，尖牙的应力可能超过自身负荷。故从生物力学的角度而言，在设计固定式夹板时，对于牙槽骨吸收明显的病例需增加基牙，以保护余留牙的健康，在设计可摘式夹板时则必须考虑尖牙的情况，必要时增加小连接体的数量，以分散咬合力；牙周条件相同的情况下，应优先考虑使用固定夹板或套筒冠夹板，但不能将生物力学理论作为临床选择的唯一依据，还需结合患者自身口腔状况、费用及预后等方面。

2.4 三维有限元法在种植体参与的牙周夹板中的应用 种植体的广泛应用为缺失牙的修复提供了更多选择，种植体参与的牙周夹板也成为慢性牙周炎松牙固定的一种方式，然而，对于种植体是否可以做为松牙固定的基牙是有争议的。有学者指出[36]，种植体与天然牙的生物力学特征不同，天然牙具有生理动度，而种植体的动度较小，受力时可能会形成杠杆作用或产生扭矩，因此利用植体和天然牙联合修复作为夹板的条件是受限的。

近年来，随着种植技术的进步种植体的适应症逐步扩大，越来越多的学者提倡种植体-天然牙联合修复的方式，认为这种设计方式不仅可以固定松动牙，增加牙列整体的负重能力，而且具有避免悬臂、减少治疗费用等优点，为更多患者的治疗提供可能。Toniollo MB[37]对种植牙与天然牙联合夹板的有限元分析认为，夹板的使用降低了骨应力，比单一植体具有更好的稳定性，为牙齿缺失并伴有牙周炎的种植夹板提供了理论基础。Lin CL[38]对比分析了不同牙周状况、夹板牙数量及载荷类型下种植体-天然牙固定义齿的生物力学规律认为：影响修复体应力分布的主要因素是载荷条件，过大的咬合力和侧向力均会导致种植失败；冠根比为1∶1的患牙仍是连接种植体的有效基牙，但对于冠根比过度失调的患牙是否可以作为基牙还有待考量。因此，合理的修复设计是影响夹板成功与否的关键，基牙的牙周状况、过大的载荷均会影响夹板的使用寿命，在临床工作中，可通过缩短桥体的跨度，减少咬合接触面积及降低牙尖斜度等方法，减少咬合力的影响，将失败风险降到最低。

3.小结

无论是暂时性夹板还是永久性夹板，牙周状况和咬合力是影响其固定效果的主要因素，在临床工作中，我们应全面评估患牙的条件，设计个性化的治疗方案，尽量引导外力沿天然牙或种植体长轴传导，同时，需加强对患者的口腔卫生宣教，提高其口腔保健意识，避免咀嚼坚硬食物加重咬合创伤。

综上所述，三维有限元分析法是研究牙周夹板生物力学的重要手段，可帮助我们了解牙周组织的应力分布特点，检验材料的机械性能，比较不同设计方案的优劣，模拟分析牙周夹板的固定效果。随着计算机技术、材料力学及临床治疗学的发展，三维有限元分析法也将不断改进，可望为牙周夹板的应用提供更加科学准确的生物力学数据，更好地指导临床工作。