微種植體支抗宏觀結(jié)構(gòu)的生物力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)和分析.pdf

1、在正畸治療過程中，支抗裝置的設(shè)計(jì)、選擇、應(yīng)用至關(guān)重要。隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，微型種植體逐漸取代了傳統(tǒng)的支抗裝置，在種植體的大家族里扮演越來越重要的角色。微型種植體的優(yōu)點(diǎn)顯而易見：它體積小、植入過程簡便，術(shù)中創(chuàng)傷小，術(shù)后易于恢復(fù)，無需病人配合，植入部位靈活多變，臨床效果顯著。同時(shí)，它的缺點(diǎn)也不容忽視。種植體的松動(dòng)、脫落、周圍炎癥、價(jià)格昂貴，年齡限制等問題急待解決。在這些問題中，尤以種植體周圍骨吸收所造成的種植體脫落的臨床病例更為突出，這

2、與種植體的外形設(shè)計(jì)密切相關(guān)，合理的設(shè)計(jì)能夠更好使微型種植體進(jìn)行生物力學(xué)的傳導(dǎo)，從而降低種植體的脫落率。
　　國內(nèi)目前對(duì)帶有詳盡參數(shù)的個(gè)性化種植體的研究尚處于探索階斷，以往國內(nèi)外此方面的相關(guān)報(bào)道主要以單變量、離散的研究為主，在實(shí)際運(yùn)用過程中，不能更真實(shí)的模擬、描述具體情況。本課題目的在于，借助當(dāng)前最先近的機(jī)械工程優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，利用Pro/E和AnsysWorkbench做為設(shè)計(jì)平臺(tái)，研究Ⅲ類骨質(zhì)中的種植體的宏觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。為臨床提

3、供更為詳盡的種植體的宏觀結(jié)構(gòu)參數(shù)，生產(chǎn)出更具合理性的種值體，提高國產(chǎn)種植體的市場競爭力。
　　實(shí)驗(yàn)一：首先應(yīng)用Pro/E軟件建立包括微種植體、皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨的實(shí)體模型。然后利用Pro/E和AnsysWorkbench的雙向無縫參數(shù)傳遞功能，將上頜和微種植體模型導(dǎo)入AnsysWorkbench中，進(jìn)行單元?jiǎng)澐?，從而建立自適應(yīng)改變的微種植體和上頜骨三維有限元模型。進(jìn)行力學(xué)加載檢測模型的準(zhǔn)確性。該模型為微種植體的生物力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)和分析提

4、供技術(shù)平臺(tái)。
　　實(shí)驗(yàn)二：設(shè)定微種植體的直徑(D)和長度(L)為變量，D取值范圍為1.0－2.0mm，L取值范圍為6.0－16.0mm，以垂直于微種植體長軸2N的力加載于微種植體頭部。設(shè)定皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、微種植體平均主應(yīng)力峰值和微種植體平均位移峰值為目標(biāo)函數(shù)，比較分析直徑和長度對(duì)頜骨、微種植體應(yīng)力以及微種植體位移分布的影響。同時(shí)對(duì)這兩個(gè)參數(shù)對(duì)目標(biāo)函數(shù)的敏感度進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著微種植體直徑和長度的增加，皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨和微種

5、植體平均主應(yīng)力峰值分別下降80.94％、91.84％和86.11％。隨著D的增加，目標(biāo)函數(shù)顯著減小。而隨著L的增加，目標(biāo)函數(shù)的變化幅度則較小。當(dāng)直徑大于1.5mm，長度大于11.0mm時(shí)，目標(biāo)函數(shù)變化穩(wěn)定且取值最低。敏感度分析結(jié)果顯示微種植體直徑對(duì)目標(biāo)函數(shù)的影響遠(yuǎn)大于長度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了直徑對(duì)于頜骨應(yīng)力和微種植體穩(wěn)定性的重要作用。直徑大于1.5mm的長微種植體更適合上頜磨牙區(qū)。
　　實(shí)驗(yàn)三：設(shè)定微種植體螺紋形態(tài)為變量，包括V形、矩

6、形、支撐形和反支撐形。微種植體力學(xué)加載及目標(biāo)函數(shù)設(shè)定同實(shí)驗(yàn)二。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，支撐形螺紋可將皮質(zhì)骨平均主應(yīng)力峰值降至最低，V形螺紋可將松質(zhì)骨平均主應(yīng)力峰值降至最低。V形和矩形螺紋可以獲得較小的微種植體平均主應(yīng)力峰值。四種螺紋形態(tài)對(duì)微種植體平均位移峰值的影響不顯著，反支撐形螺紋略低于其他三種。結(jié)果表明支撐形螺紋可以顯著減小微種植體植入后頜骨內(nèi)應(yīng)力，同時(shí)具有較低的微種植體位移，因此，更適合于微種植體的設(shè)計(jì)。
　　實(shí)驗(yàn)四：設(shè)定微種植體的螺

7、紋數(shù)量為變量，包括單螺紋微種植體、雙螺紋微種植體和三螺紋微種植體。微種植體力學(xué)加載及目標(biāo)函數(shù)設(shè)定同實(shí)驗(yàn)二。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，單螺紋微種植體在正畸力加載條件下對(duì)皮質(zhì)骨造成的平均主應(yīng)力峰值較小。單螺紋和雙螺紋微種植體對(duì)松質(zhì)骨造成的平均主應(yīng)力峰值較小。三螺紋設(shè)計(jì)可以減小微種植體平均主應(yīng)力峰值。三種螺紋規(guī)格對(duì)微種植體位移峰值的影響無顯著性差異，單螺紋略低于其他兩種。結(jié)果表明單螺紋設(shè)計(jì)可以顯著減小皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨應(yīng)力和微種植體位移，微種植體位移也較小，

8、更加適合于正畸微種植體。
　　實(shí)驗(yàn)五：按照優(yōu)化結(jié)果加工制造微種植體。將優(yōu)化微種植體和常規(guī)微種植體分為四個(gè)組，進(jìn)行軸向拔除實(shí)驗(yàn)和旋出扭矩實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，經(jīng)過優(yōu)化的微種植體最大軸向拔出力和最大旋出扭矩大于常規(guī)微種植體。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明對(duì)微種植體的直徑、長度、螺紋形態(tài)和規(guī)格的優(yōu)化，可以顯著提高微種植體在離體骨中的生物力學(xué)性能，增加微種植體的即刻穩(wěn)定性。
　　綜上所述，宏觀結(jié)構(gòu)的優(yōu)化可以顯著提高微種植體的生物力學(xué)性能。直徑大于1.5