摘要：采用有限元分析法探讨了两段式种植体在下颌骨实体模型中受咀嚼力的生物力学特性.使用Mimics软件对下颌骨(无牙列)CBCT图像进行逆向建模，对建立的三维实体模型应用Geomagic软件进行优化;使用SolidWorks建立两段式种植体三维实体模型;利用Hypermesh软件对有限元模型设置材料属性、划分网格、定义约束和接触、施加载荷;在Abaqus软件中分析两段式种植体在两种不同咬合力作用下的应力分布，探究了两段式种植体的生物力学特性.研究结果表明，两段式种植体在咀嚼力的作用下具有良好的力学特性，但种植体顶部受力过大，建议加强此处的材料强度，并在结构上进行优化.
关键词：种植体;三维建模;有限元分析;生物力学
作为缺牙修复的一种先进技术，口腔种植术目前已在医学领域得到广泛应用，它通过将种植体植入至颌骨中，使人工牙根的功能被种植体取代，最终使牙齿缺失得以修复[1-2].近年来，种植体的结构不断推陈出新，但颌骨中的种植体是否能够承担咀嚼的工作需要进一步探究.对种植体进行生物力学的有限元分析可以解决人体试验带来的弊端[3]，而模型的还原度是有限元分析准确性的关键指标[4].当前，对两段式种植体并未有相关学者做出高还原度的装配模型来进行分析，其生物力学特性有待进一步探究.本文建立了两段式种植体和下颌骨三维有限元实体模型，并对两段式种植体在不同咬合力作用下的生物力学特性进行了分析.
1三维实体模型的建立
针对下颌骨模型不规则且突触较多的特点，参考种植体与下颌骨的结合方式，对两段式种植体采用SolidWorks正向建模，下颌骨则采用锥形束CT所扫描图像，即CBCT图片进行逆向建模，并对逆向建模的图1种植体模型与原物对比下颌骨进行进一步的修复，最终建立了两段式种植体与人体下颌骨(无牙列)三维实体模型.
1.1zimmer种植体实体模型的建立
运用SolidWorks建模软件建立种植体三维实体模型.种植体总长25mm，其中基台长9mm，固位体直径3.3mm.两段式种植体将与牙龈部分结合的固位体以及与人工牙冠结合的基台分开，并通过中央螺丝链接.建立的种植体模型如图1所示.人工牙冠只起到力的传导作用，对种植体生物力学的影响不大，故省略.
1.2人体下颌骨(无牙列)三维实体模型的建立
下颌骨属于人类头骨，位于头骨下部，对面部有支撑作用，其特点有：整体表面极为不规则、能活动、突触较多.模型的建立还需考虑位于下颌骨内部的下颌神经管，利用正向建模方法无法建立精确的三维模型，因此建立下颌骨模型时采用逆向建模的方法.
1.2.1样本的选取
为保证所建立下颌骨模型的完整性，选取的样本为无牙列患者的扫描图片.在征求患者同意后，首先清理患者口腔，之后使用NewTomGiANO头骨锥形束扫描系统对患者整个头部进行扫描，最终形成634张CBCT扫描断层图像，扫描的各项参数如表1所示.
1.2.2下颌骨模型的建立
将上述样本导入至Mimics软件中，导入图像后，通过调节灰度值、去除图像噪点等方法进行图像的增强处理，以确保能够清晰观察到骨组织.分析两段式种植体在下颌骨中的受力情况，剪裁所建立的头骨模型的下颌骨部分，以便后续进行精准优化.
1.2.3模型的优化
上述建立的颌骨模型为stl格式，需进一步对模型进行优化，将其导入到Geomagic软件中，进行光顺处理，使模型表面更加平滑.处理前后的模型对比如图2所示.将构造形成的下颌骨三角面片格式更改为曲面片格式，通过构造格栅、拟合曲面、偏差分析和曲面化对所产生的曲面进行曲率检测，并调整控制点使其更加光顺.
1.3下颌骨种植体装配模型的建立
网格的精细程度影响着有限元分析的准确性，但对不规则的下颌骨全部进行划分会产生网格过多的情况，致使计算量增大且容易出错.为满足网格的精细程度同时保证计算的准确性和快速性，对制作的下颌骨模型进行剪裁处理，仅保留与种植体结合的部分.种植体的固位体采用螺纹植入下颌骨中，因此进行模型装配时需使下颌骨模型中具有相应的内螺纹，而后再将两段式种植体装配好，种植体与下颌骨装配模型如图3所示.
2两段式种植体的有限元分析
2.1定义材料属性
颌骨部分由密质骨和松质骨组成，根据密质骨和松质骨的特性分别赋予不同的材料属性.将颌骨模型分割为密质骨(上部分)和松质骨(下部分)，分割位置在距离颌骨模型上端2～3mm的部位.分割完毕后再进行网格划分.钛合金是Zimmer种植体系统使用的材料，要求各项材料连续均匀且性质相同.种植体及下颌骨的弹性模量、泊松比如表2所示[5].
2.2定义约束和接触
利用Hypermesh进行网格划分后，使用者在咀嚼食物时，牙齿与食物之间产生相对运动，需要对颌骨加以固定和约束，进而对种植体施加载荷.实际使用时，截断的下颌骨两侧会承受更多的力，因此需要在颌骨模型的两侧施加固定约束.
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两段式种植体的中央螺丝与固位体螺纹连接处设置为摩擦接触;基台与中央螺丝头部端面设置为刚体接触;另外，由于中央螺丝螺纹体的非螺纹部分与基台上的光孔之间，以及固位体末端与下颌骨之间存在空隙，可能出现形变，所以分别设置为可能接触面和刚体接触，其它设置与复合基台种植体相同，具体情况如图4所示.
2.3定义载荷
将上述软件定义后的模型导入至Abaqus软件，而后定义载荷，常态应力是202.2N，分解为水平方向30N向上的力和垂直方向200N向下的力.最大咀嚼力是600.7N[6]，分解为垂直方向600N向上的力和水平方向30N向下的力.
3结果分析
由2.3定义荷载可知，咬合力为600.7N和202.2N.两段式种植体在上述咬合力的作用下，整体及主要部分的应力分布云图分别如图5至图7所示;种植体各部分的最大应力如表3所示.可以看出：在咬合力的作用下，基台的底部是两段式种植体受到最大应力的位置，定义为种植体颈部.同时，种植体颈部也是种植体植入密质骨的部位.该结论与其他学者的结论相同[7].
在202.2N力作用下，中央螺丝的受力分布会更加均匀;但是，随着力的逐渐增大，可能会出现两个问题，分别是：
(1)在600.7N的力作用下受力的位置主要集中在螺纹部位，容易出现两段式种植体的螺纹松动;
(2)固位体所受的较大应力集中在螺纹部位，同样容易出现螺丝松动.在临床上，上述两个问题会造成种植体的损坏，表现为中央螺丝松动或断裂.因此，截取中央螺丝螺纹部位的上、中、下三点和固位体螺纹部位的上、中、下三点，对其应力进行重点分析，位置选择如图8、图9所示，所得结果如表4所示.
由表4可以看出，两段式种植体在合力为202.2N的咀嚼力(即正常咀嚼力)的作用下，中央螺丝螺纹上端会出现最大应力，且自上而下依次递减，详情参照图5至图9.Von-Mises应力值在合力为202.2N的条件下比在合力为600.7N的条件下大，螺纹处的应力自上而下呈现无规则的增加.固位体载荷202.2N和载荷600.7N时，螺纹中部应力值较小，自中部向底部和顶部逐渐增加，也就是说，螺纹顶部和底部的Von-Mises应力值较大.
4、结束语
从仿真结果来看，在受较大的咬合力的条件下，中央螺丝受力分布均匀，但在正常咀嚼食物时(咀嚼力在200N左右)，顶部受力较大，建议加强此处的材料强度，并在结构上进行优化.固位体在两种环境中受力均比较均匀.整体上看，两段式种植体在不同载荷条件下均体现了较好的力学特性.——论文作者：张浩1，徐婧涵2
