TM种植体骨界面的光弹性力学实验研究

发布时间：2018-05-26 06:15

  本文选题：生物力学 + TM种植体　； 参考：《南方医科大学》2014年硕士论文

【摘要】：研究背景： 临床上应用的不同系统种植体,功能负载后均出现一定程度边缘性骨吸收,导致种植体松动、脱落。边缘性骨吸收病因尚未十分清楚,目前认为咬合过载和种植体周围炎是造成其主要原因。 Murat Cehreli经研究表明：边缘骨吸收可能由于种植体颈部设计不合理,剪切力不能沿种植体向周围骨组织有效传递而产生的局部应力集中所致。许多学者通过改良种植体外形设计,尤其颈部设计,以优化种植体与骨组织的生物力学相容性,降低边缘骨吸收。 TM (Tension More)种植体是一种力求获得较大界面张力的种植体,体部冠端直径较根端缩窄1mm,形成独特的倒锥形颈部设计。这种缩窄颈部设计符合人体牙槽骨的生理解剖形态,尽可能保存了皮质骨宽度；为种植体早期骨结合提供有利的骨愈合间隙；把种植体骨界面的剪应力转变为张应力,确保种植体骨界面合理的应力分布。本课题组早期研究发现经粗化表面处理的TM种植体在冠部间隙存在的情况下取得了良好骨整合。经动物实验研究证明,喷砂酸蚀表面处理的TM种植体颈部楔形骨缺损能自主骨修复,且比圆柱螺纹种植体更有利于骨结合,更有效保存颈部皮质骨。通过三维有限元分析比较2种不同锥度TM种植体骨界面的应力分布特征,结果表明：垂直荷载下,锥度长度5mm的TM种植体骨界面具有较好的生物力学表现。 生物力学研究法广泛应用于种植体骨界面应力分布特征的研究,为优化种植体设计提供力学理论依据,对维持种植体长期稳定性以及提高远期成功率具有重要意义。ADA(American Dental Association)规定新型种植体研发的相关序列性实验中,力学研究实验应包括理论力学分析和实验应力分析两个方面。TM种植体的研发严格遵守ADA对种植体的检测程序。本实验组早期对TM种植体力学研究应用的三维有限元法,属于计算机虚拟的理论分析法,需要实验应力分析法重现虚拟原型,验证其有效性。光弹应力分析法具有全场性、直观性等优点,是种植体力学研究中十分成熟的实验应力分析技术。有学者认为三维有限元法与光弹应力分析法相结合是最合理的口腔力学行为研究方法。 目的： 本课题利用不同的光弹材料模拟颌骨的皮质骨-松质骨结构,建立包含种植体的复合光弹模型,运用准三维光弹应力分析法,研究不同锥度设计的TM种植体对种植体骨界面应力分布的影响。 方法： 1.种植体制备及分组 医用纯钛制作5组种植体,对照组为圆柱状螺纹种植体；实验组为4种不同锥度TM种植体,分别为：锥度长度3mm TM种植体、锥度长度为5mm TM种植体、锥度长度7mm TM种植体、锥度长度10mm TM种植体。 2.复合光弹模型制作 本次实验采用的光弹材料为改性环氧树脂,固特邦结构加固特种材料,分为A,B两组份。在A、B组份允许的配比范围内,配制出5种不同的环氧树脂。通过压缩实验测量5种环氧树脂试件的弹性模量和屈服应力。根据光弹实验相似性原则,参照实体颌骨皮质骨、松质骨弹性模量比,最后,选取A：B重量比为100：40作为拟皮质骨层光弹材料,A：B重量比为100：55作为拟松质骨层光弹材料。 按材料配比后,对皮质骨光弹材料、松质骨光弹材料进行光学性能测定。2种光弹材料分别制作成纯弯梁模型,置于光弹仪中,测量2种光弹材料的材料条纹值。 复合光弹模型的制备。种植体垂直倒置于5Omm×50mm×10mm硅胶模具中心,确保种植体颈部与皮质骨层良好关系,使皮质骨-松质骨界面位于种植体第一螺纹处并固定。皮质骨、松质骨两部分光弹材料需分层浇铸固化。首先,按比例混合皮质骨层光弹材料,并充分搅拌后,注入模具内,室温固化后脱模,皮质骨与松质骨接触界面利用砂纸研磨修整,使1mm皮质骨层厚度均匀,并模拟皮质骨-松质骨之间的生理性机械微嵌合。然后,将种植体-皮质骨模块再置回模具内进行松质骨光弹材料的灌注,最后得出包含种植体的复合光弹模型。5种种植体各自包埋于由松质骨及皮质骨构成的仿生颌骨模型中,共建立5个复合光弹模型。确保模型中无留有气泡,种植体与光弹材料为完全接触。 3.TM种植体光弹应力分析 利用前面的实验所测得的皮质骨、松质骨材料的弹性模量、屈服应力以及材料条纹值,通过公式进行理论换算得出材料的条纹级数极限。将包含种植体的复合光弹模型置于光弹仪中,分别在垂直、斜向45°方向下,逐步缓慢增大载荷力,观察皮质骨、松质骨条纹级数变化。当皮质骨或松质骨条纹级数一方达到其条纹级数极限值,此时的加载力大小为复合模型垂直/斜向力的载荷极限。结合正常人咬合力范围,确定加载力方向与大小分别是：垂直向力150N、300N、450N；斜向(45°)力100N、200N、300N。垂直加载时,模型底部固定在水平载台上,种植体的纵轴与载荷方向重合。斜向加载时,模型底部固定在45°的角度载台上,使种植体的纵轴与载荷方向呈45°夹角。 本次实验为准三维光弹分析实验,制作三维的光弹性模型,置于光弹仪圆偏振光场中,使用白光为光源入射,采集不同载荷下产生的平面应力条纹图。每一模型先后分别予以不同的垂直及斜向静态加载力。每次加载,待模型受载5分钟后,通过CCD(Charge-coupled Device)图像传感器拍摄等色应力条纹分布图,计算机处理。最后通过数字光弹图像处理法得出应力条纹级数。 结果： 1.等色应力条纹图观察 从等色条纹图可得出种植体骨界面应力集中的总体分布状况。在垂直荷载下,5组种植体骨界面应力集中部位均发生在种植体根端,种植体颈部周围皮质骨区以及皮质骨—松质骨结合界面；在斜向力加载下,得出非对称型等色应力条纹分布图。应力集中区位于种植体非加载侧的根端部、皮质骨区以及皮质骨-松质骨结合界面。 2.应力条纹级数分析 皮质骨区、松质骨区的最大条纹级数值越大,表明该区局部承受的集中应力越大。 垂直载荷下,除锥度长度10mmTM种植体外,锥度长度3mm TM种植体、锥度长度5mm、锥度长度7mmTM种植体在皮质骨区、松质骨区产生的最大条纹级数比圆柱状种植体低,局部承受的集中应力较小。 斜向载荷下,5组种植体皮质骨区产生的条纹级数值明显高于松质骨区,皮质骨区为主要应力集中区。TM种植体组皮质骨区的条纹级数均低于圆柱状种植体,且TM种植体锥度长度越小,皮质骨区条纹级数越低,局部应力集中越小。然而,5组种植体松质骨区产生的条纹级数无明显差异,松质骨区内应力集中状况相似。 无论在垂直、斜向加载下,锥度长度3mm TM种植体皮质骨区承受局部应力集中均最小。 结论： 1.本实验配得2种不同弹性模量的光弹材料分别模拟皮质骨、松质骨,2种光弹材料均具有良好的光学、力学性能,很好地满足光弹实验要求。 2.建立与实物几何形态相似、物理参数相近的复合光弹模型,皮质骨-松质骨双层颌骨结构增加了颌骨模型的真实性,准确反映由外载荷下种植体骨界面产生的真实应力及其分布。 3.成功运用准三维光弹应力分析法,定性分析、评价不同锥度设计TM种植体骨界面的应力集中特征,所得结果与三维有限元法吻合,二者相互印证、相互补充。 4.从等色条纹图可看出,TM种植体与圆柱种植体骨界面应力集中整体趋势相似,应力集中部位均发生在种植体根端,种植体颈部周围皮质骨区以及皮质骨—松质骨结合界面。 5.应力条纹级数分析表明：无论垂直加载或斜向加载下,除锥度长度10mmTM种植体外,其余TM种植体组骨界面比圆柱种植体具有较好的生物力学表现。表面积较小的TM种植体比表面积较大的圆柱状种植体更有利于界面应力分布,提示TM种植体独特的外形设计可降低种植体周围支持组织内应力分布水平。 6.合理锥度设计的TM种植体,独特的倒锥形颈部形成了应力缓冲斜面,改变颈部骨皮质受力类型,有效均匀传递分散应力,改善种植体周皮质骨的应力集中。 7.在垂直、斜向载荷下,锥度长度为3mm的TM种植体应力分布最均匀,皮质骨区应力集中最小,提示临床上应用该种植体可预防边缘骨吸收。
[Abstract]:Research background:
There is a certain degree of marginal bone resorption after the functional load of different systemic implants used in clinical application, which leads to the loosening and abscission of the implant. The cause of the marginal bone absorption is not clear. At present, the main reason is the occlusal overload and the periimplant inflammation.
Murat Cehreli has shown that the edge bone absorption may be due to the unreasonable design of the implant neck, and the shear force can not be caused by the effective transfer of the implant to the surrounding bone tissue. Many scholars have improved the implant shape design, especially the neck design, to optimize the biomechanical compatibility of the implant and bone tissue. Sex, reduce the edge of bone absorption.
TM (Tension More) implants are a kind of implants which strive to obtain greater interfacial tension. The diameter of the crown end of the body is narrower than the root end of 1mm to form a unique inverted conical neck design. This necking neck design conforms to the physiological anatomy of the human alveolar bone and preserves the width of the cortical bone as much as possible; it is beneficial to the early bone binding of the implant. Bone healing gap; change the shear stress of the implant bone interface into tensile stress to ensure the rational stress distribution of the implant bone interface. In the early study, we found that the TM implants treated by rough surface obtained good bone integration in the presence of the gap between the crowns. The implant neck wedge bone defect can be repaired autonomously, and it is more beneficial to bone union and more effective preservation of the neck cortical bone. The stress distribution characteristics of the bone interface of 2 different taper TM implants are compared by three-dimensional finite element analysis. The results show that the TM implant bone interface with the length of 5mm is better under vertical load. Biomechanical performance.
The biomechanical research method is widely used in the study of stress distribution characteristics of implant bone interface, which provides a theoretical basis for optimizing implant design, and is of great significance for maintaining long-term stability and improving the long-term success rate of implants..ADA (American Dental Association) Regulation of new plant research and development related sequential experiments, The mechanical research experiment should include the two aspects of the theoretical mechanics analysis and the experimental stress analysis. The.TM implants are strictly observed by the ADA implant testing program. The three dimensional finite element method used in the early stage of the study of the TM cultivation in the experimental group is a virtual computer theory analysis method, and the experimental stress analysis method is needed to reproduce the virtual prototype. To verify its effectiveness, the photoelastic stress analysis method has the advantages of full field and intuition. It is a mature experimental stress analysis technique in the study of physical education. Some scholars believe that the combination of three-dimensional finite element method and photoelastic stress analysis is the most reasonable method of oral mechanical behavior.
Objective:
In this study, different photoelastic materials were used to simulate the structure of the cortical bone - cancellous bone of the jaw, and a composite photoelastic model containing implants was established. The effect of TM implants on the stress distribution of implant bone interface was studied by using the quasi three-dimensional photoelastic stress analysis method.
Method锛，

本文编号：1936243