不同弹性模量的基台-种植体组合对周围成骨性能的影响

工程科学学报，第41卷，第6期：781-787,2019年6月 Chinese Journal of Engineering,Vol.41,No.6:781-787,June 2019 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.010:http://journals.ustb.edu.cn 不同弹性模量的基台一种植体组合对周围成骨性能的 影响 林逸凌”，邢挥2)，董安平12)区，佘欢》，杜大帆”，许浩”，汪东红2 黄海军”，疏达2，祝国梁12》，孙宝德2) 1)上海交通大学材料科学与工程学院，上海2002402)上海市先进高温材料及其精密成形重点实验室，上海200240 3)中国科学院上海应用物理研究所，上海2018004)上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室，上海200240 区通信作者，E-mail:apdong@ju.cdu.cn 摘要利用有限元分析软件计算了不同静力作用下的多种基台一种植体周围骨组织的应力分布.模拟结果显示，基台一种 植体组合中T6A4V钛合金一聚醚醚酮(TC4PEEK)相对于其他实验组其应力集中程度现象可以有效降低，周围骨组织的应 力分布较为均匀，最大应力值为40~60MP.在轴向加载条件下，不同基台一种植体系统中PEEK种植体的应力水平较小，而 周围骨组织应力水平较大：在斜向45°加载条件下，相对于其他两种基台-种植体系统，TC4-PEEK的应力水平更低，其周围骨 组织中的皮质骨承受的最大应力值为55MPa,松质骨承受的最大应力值为5MP,综合来看的应力水平最小，有助于骨沉积和 成骨量增加，从而有效提高种植体的界面稳定性. 关键词弹性模量：牙种植体：聚醚醚酮：基台：应力分布 分类号TG146.2 Effects of abutment-implant combinations with different elastic moduli on osteogenic performance LIN Yi-ling,XING Hui,DONG An-ping),SHE Huan),DU Da-fan,XU Hao,WANG Dong-hong 2),HUANG Hai- jun,SHU Da,ZHU Guo-liang,SUN Bao-de) 1)School of Materials Science and Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China 2)Shanghai Key Lab of Advanced High-temperature Materials and Precision Forming,Shanghai 200240,China 3)Shanghai Institute of Applied Physics,Chinese Academy of Sciences,Shanghai 201800,China 4)State Key Laboratory of Metal Matrix Composites,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China Corresponding author,E-mail:apdong@sjtu.edu.cn ABSTRACT Many factors affect the success of dental implant surgery,such as surgical trauma,excessive chewing pressure,materi- al performance mismatch,and improper abutment-implant connection.Among these factors,stress shielding caused by the mismatch of elastic modulus of the material is a major problem affecting the biomechanical compatibility of the implant.Also,the elastic modulus of the dental implant directly affects its binding to the surrounding support bone and stress distribution.Presently,most of the abutment- implant systems on the market use the same material,with TC4 being popular because of its good biocompatibility.However,the elas- tic modulus of titanium implants is quite different from that of surrounding bone tissue;this difference can cause stress shielding.Addi- tionally,stress concentration may cause implant surgery to fail.The abutment-implant with materials of different elastic modulus direct- ly affect the stability and stress distribution of the bone tissue around the implant;thus,understanding the stress distribution under 收稿日期：2018-0604 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51831011,51871152)

工程科学学报，第 41 卷，第 6 期: 781--787，2019 年 6 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 41，No． 6: 781--787，June 2019 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2019． 06． 010; http: / /journals． ustb． edu． cn 不同弹性模量的基台--种植体组合对周围成骨性能的 影响 林逸凌1) ，邢 辉1，2) ，董安平1，2) ，佘 欢3) ，杜大帆1) ，许 浩1) ，汪东红1，2) ， 黄海军1) ，疏 达1，2) ，祝国梁1，2) ，孙宝德1，2，4) 1) 上海交通大学材料科学与工程学院，上海 200240 2) 上海市先进高温材料及其精密成形重点实验室，上海 200240 3) 中国科学院上海应用物理研究所，上海 201800 4) 上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室，上海 200240  通信作者，E-mail: apdong@ sjtu． edu． cn 摘 要 利用有限元分析软件计算了不同静力作用下的多种基台--种植体周围骨组织的应力分布． 模拟结果显示，基台--种 植体组合中 Ti6Al4V 钛合金--聚醚醚酮( TC4--PEEK) 相对于其他实验组其应力集中程度现象可以有效降低，周围骨组织的应 力分布较为均匀，最大应力值为 40 ～ 60 MPa． 在轴向加载条件下，不同基台--种植体系统中 PEEK 种植体的应力水平较小，而 周围骨组织应力水平较大; 在斜向 45°加载条件下，相对于其他两种基台--种植体系统，TC4--PEEK 的应力水平更低，其周围骨 组织中的皮质骨承受的最大应力值为 55 MPa，松质骨承受的最大应力值为 5 MPa，综合来看的应力水平最小，有助于骨沉积和 成骨量增加，从而有效提高种植体的界面稳定性． 关键词 弹性模量; 牙种植体; 聚醚醚酮; 基台; 应力分布 分类号 TG146. 2 收稿日期: 2018--06--04 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 51831011，51871152) Effects of abutment-implant combinations with different elastic moduli on osteogenic performance LIN Yi-ling1) ，XING Hui1，2) ，DONG An-ping1，2)  ，SHE Huan3) ，DU Da-fan1) ，XU Hao1) ，WANG Dong-hong1，2) ，HUANG Hai￾jun1) ，SHU Da1，2) ，ZHU Guo-liang1，2) ，SUN Bao-de1，2，4) 1) School of Materials Science and Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China 2) Shanghai Key Lab of Advanced High-temperature Materials and Precision Forming，Shanghai 200240，China 3) Shanghai Institute of Applied Physics，Chinese Academy of Sciences，Shanghai 201800，China 4) State Key Laboratory of Metal Matrix Composites，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China  Corresponding author，E-mail: apdong@ sjtu． edu． cn ABSTＲACT Many factors affect the success of dental implant surgery，such as surgical trauma，excessive chewing pressure，materi￾al performance mismatch，and improper abutment-implant connection． Among these factors，stress shielding caused by the mismatch of elastic modulus of the material is a major problem affecting the biomechanical compatibility of the implant． Also，the elastic modulus of the dental implant directly affects its binding to the surrounding support bone and stress distribution． Presently，most of the abutment￾implant systems on the market use the same material，with TC4 being popular because of its good biocompatibility． However，the elas￾tic modulus of titanium implants is quite different from that of surrounding bone tissue; this difference can cause stress shielding． Addi￾tionally，stress concentration may cause implant surgery to fail． The abutment-implant with materials of different elastic modulus direct￾ly affect the stability and stress distribution of the bone tissue around the implant; thus，understanding the stress distribution under

·782 工程科学学报，第41卷，第6期 loading will help to establish a better elastic modulus combination of the dental implant system.In this paper,finite element analysis software was used to calculate the stress distribution of various abutments-implants under different loading conditions.Compared to oth- er experimental abutment-implant systems,the simulation results show that Ti6Al4V abutment-(poly-ether-ether-ketone)(TC4- PEEK)can effectively reduce stress concentration,resulting in uniform stress distribution of surrounding bone tissue whose maximum stress value is 40-60 MPa.The stress level of PEEK implants in different abutment-implant systems is smaller under axial loading con- dition,whereas the stress level of surrounding bone tissue is larger.In the oblique direction of 45 loading condition,compared to two other abutment-implant systems,the stress level of the TC4-PEEK is lower,and the maximum stress value of the cortical and the can- cellous bones in the surrounding bone tissue is 55 and 5 MPa,respectively,and the stress level is the smallest;such conditions contrib- ute to the increase of bone deposition and bone formation,effectively improving the interface stability of the implant. KEY WORDS elastic modulus;dental implant:poly-ether-ether-ketone:abutment:stress distribution 牙种植体被称为人类的“第三副牙齿”，具有良 材料组合下的种植牙系统的生物力学问题仍有待进 好的骨结合性和生物相容性的同时，还要求具有良 一步研究。 好的生物力学相容性性能，能够将牙冠传递过来的 有限元模拟可以快速进行不同材料应用于种植 咀嚼压力均匀地传递给支撑骨组织，使得骨内的应 体的效果预测和评估的同时也有一定局限，例如，皮 力分布均匀，相对位移小，并保持应力水平在合适范 质骨并非均匀和各向同性的，其弹性模量会因骨质 围内，从而有助于增强牙种植体的初期稳定性，提高 量的不同而在13.0±1.0GPa与22.2±4.1GPa间 牙种植手术的成功率.事实上，影响牙种植体手术 波动，而有限元分析中假定材料均匀、各向同性和线 成功的因素有很多，例如手术创伤、咀嚼压力过大、 弹性，这会造成与实际结果约20%~30%的应力差 材料性能不匹配以及基台一种植体连接方式不当 异圆.但是，对于定性研究种植体周围应力分布来 等四.为提高种植成功率，植入手术后一般会有3 说，有限元得出的结果是有一定借鉴意义的 ~6个月的无功能负载愈合期，以便于修复手术创 因此，本研究利用有限元模拟的方法，建立了 伤和增强种植体与周围骨的稳定结合回.咀嚼压力 第一前磨牙的种植牙系统一支撑骨组织模型，通过 大小因病人的咀嚼习惯和口腔条件的不同而不 对比PEEK、TC4和两者组合的基台一种植体系统 同向，一般而言，正常人类最低的咬合力约为157.9 在静力载荷作用下其自身和周围骨应力分布的不 ±82.4N,最高的咬合力约为358.9±100N0.咀嚼 同，从而提出种植牙系统弹性模量组合的改进 压力过大容易导致种植牙疲劳失效甚至断裂.其 方法. 中，材料的弹性模量不匹配导致的应力屏蔽是影响 种植牙良好生物力学相容性的最大问题.牙种植体 1材料和方法 的弹性模量也直接影响其与周围支撑骨的结合和应 1.1种植牙模型的建立 力分布.目前，大多数种植材料的弹性模量均高 采用圆柱状二段式种植体，参考意大利LEAD- 于支撑骨组织，例如，最常用的TC4(Ti6Al-4V)的 ER公司的种植牙产品的具体参数，利用UG10.0软 弹性模量为110GPa,而人下颚骨的皮质骨的弹性 件建立种植系统的简化三维几何模型，如图1~2所 模量约为9~15GPa,松质骨的弹性模量约为1.5~ 示.该模型自上而下可分为基台、中央螺丝、种植体 2.5GPa).在咀嚼压力的作用下，高弹性模量的种 3个部分，采用平齐连接设计，种植体直径为4mm, 植体会由于应力遮蔽而承受更大的循环应力，从而 长度为11mm:外露的基台高度为8mm,最大直径为 容易疲劳破坏.因此，有必要分析低弹性模量种植 4mm,锥度为5°；中央螺丝长度为11mm. 牙在载荷作用下的应力分布，探讨其是否能够有效 1.2支撑骨组织模型的建立 减轻应力屏蔽效应对种植体及其周围骨组织稳定性 人的第一前磨牙骨质量可以通过ABV(absolute 的负面影响.Schwitalla曾利用有限元模拟，对纯 body volume)指数进行表征，ABV指数为松质骨与 钛、低弹性模量材料聚醚醚酮(PEEK)和可种植性 支撑骨组织的体积比值，健康的前磨牙ABV指数应 碳纤维增强聚醚醚酮(CFR-PEEK)进行了研究，发 在38.4%~62%之间，而应力集中区域一般位于种 现相同大小的载荷作用下，低弹性模量的PEEK种 植体颈部及其相邻皮质骨的小范围区域回.据此， 植体相对于其他两种材料表现出较好的生物力学相 仿照图1人体下颚骨组织形式建立简化的支撑骨组 容性.但是，对于低弹性模量材料与高弹性模量 织模型，该模型包含厚度为2mm的外部皮质骨和内

工程科学学报，第 41 卷，第 6 期 loading will help to establish a better elastic modulus combination of the dental implant system． In this paper，finite element analysis software was used to calculate the stress distribution of various abutments-implants under different loading conditions． Compared to oth￾er experimental abutment-implant systems，the simulation results show that Ti6Al4V abutment-( poly-ether-ether-ketone) ( TC4-- PEEK) can effectively reduce stress concentration，resulting in uniform stress distribution of surrounding bone tissue whose maximum stress value is 40--60 MPa． The stress level of PEEK implants in different abutment-implant systems is smaller under axial loading con￾dition，whereas the stress level of surrounding bone tissue is larger． In the oblique direction of 45° loading condition，compared to two other abutment-implant systems，the stress level of the TC4--PEEK is lower，and the maximum stress value of the cortical and the can￾cellous bones in the surrounding bone tissue is 55 and 5 MPa，respectively，and the stress level is the smallest; such conditions contrib￾ute to the increase of bone deposition and bone formation，effectively improving the interface stability of the implant． KEY WOＲDS elastic modulus; dental implant; poly-ether-ether-ketone; abutment; stress distribution 牙种植体被称为人类的“第三副牙齿”，具有良 好的骨结合性和生物相容性的同时，还要求具有良 好的生物力学相容性性能，能够将牙冠传递过来的 咀嚼压力均匀地传递给支撑骨组织，使得骨内的应 力分布均匀，相对位移小，并保持应力水平在合适范 围内，从而有助于增强牙种植体的初期稳定性，提高 牙种植手术的成功率． 事实上，影响牙种植体手术 成功的因素有很多，例如手术创伤、咀嚼压力过大、 材料性能不匹配以及基台--种植体连接方式不当 等［1］． 为提高种植成功率，植入手术后一般会有 3 ～ 6 个月的无功能负载愈合期，以便于修复手术创 伤和增强种植体与周围骨的稳定结合［2］． 咀嚼压力 大小因病人的咀嚼习惯和口腔条件的不同而不 同［3］，一般而言，正常人类最低的咬合力约为 157. 9 ± 82. 4 N，最高的咬合力约为358. 9 ± 100 N［4］． 咀嚼 压力过大容易导致种植牙疲劳失效甚至断裂． 其 中，材料的弹性模量不匹配导致的应力屏蔽是影响 种植牙良好生物力学相容性的最大问题． 牙种植体 的弹性模量也直接影响其与周围支撑骨的结合和应 力分布［5］． 目前，大多数种植材料的弹性模量均高 于支撑骨组织，例如，最常用的 TC4( Ti--6Al--4V) 的 弹性模量为110 GPa［6］，而人下颚骨的皮质骨的弹性 模量约为 9 ～ 15 GPa，松质骨的弹性模量约为 1. 5 ～ 2. 5 GPa［7］． 在咀嚼压力的作用下，高弹性模量的种 植体会由于应力遮蔽而承受更大的循环应力，从而 容易疲劳破坏． 因此，有必要分析低弹性模量种植 牙在载荷作用下的应力分布，探讨其是否能够有效 减轻应力屏蔽效应对种植体及其周围骨组织稳定性 的负面影响． Schwitalla 曾利用有限元模拟，对纯 钛、低弹性模量材料聚醚醚酮( PEEK) 和可种植性 碳纤维增强聚醚醚酮( CFＲ--PEEK) 进行了研究，发 现相同大小的载荷作用下，低弹性模量的 PEEK 种 植体相对于其他两种材料表现出较好的生物力学相 容性［6］． 但是，对于低弹性模量材料与高弹性模量 材料组合下的种植牙系统的生物力学问题仍有待进 一步研究． 有限元模拟可以快速进行不同材料应用于种植 体的效果预测和评估的同时也有一定局限，例如，皮 质骨并非均匀和各向同性的，其弹性模量会因骨质 量的不同而在 13. 0 ± 1. 0 GPa 与 22. 2 ± 4. 1 GPa 间 波动，而有限元分析中假定材料均匀、各向同性和线 弹性，这会造成与实际结果约 20% ～ 30% 的应力差 异［8］． 但是，对于定性研究种植体周围应力分布来 说，有限元得出的结果是有一定借鉴意义的． 因此，本研究利用有限元模拟的方法，建立了 第一前磨牙的种植牙系统--支撑骨组织模型，通过 对比 PEEK、TC4 和两者组合的基台--种植体系统 在静力载荷作用下其自身和周围骨应力分布的不 同，从而提出种植牙系统弹性模量组合的改进 方法． 1 材料和方法 1. 1 种植牙模型的建立 采用圆柱状二段式种植体，参考意大利 LEAD￾EＲ 公司的种植牙产品的具体参数，利用 UG10. 0 软 件建立种植系统的简化三维几何模型，如图 1 ～ 2 所 示． 该模型自上而下可分为基台、中央螺丝、种植体 3 个部分，采用平齐连接设计，种植体直径为 4 mm， 长度为 11 mm; 外露的基台高度为 8 mm，最大直径为 4 mm，锥度为 5°; 中央螺丝长度为 11 mm． 1. 2 支撑骨组织模型的建立 人的第一前磨牙骨质量可以通过 ABV( absolute body volume) 指数进行表征，ABV 指数为松质骨与 支撑骨组织的体积比值，健康的前磨牙 ABV 指数应 在 38. 4% ～ 62% 之间，而应力集中区域一般位于种 植体颈部及其相邻皮质骨的小范围区域［9］． 据此， 仿照图 1 人体下颚骨组织形式建立简化的支撑骨组 织模型，该模型包含厚度为 2 mm 的外部皮质骨和内 · 287 ·

林逸凌等：不同弹性模量的基台一种植体组合对周围成骨性能的影响 ·783· 部疏松松质骨，整个骨块宽度为10mm,高度为15 积为764.41mm3,支撑骨体积为1631.53mm3),分 mm,支撑骨组织的ABV指数为46.85%（松质骨体 别如图1~2所示. (b) (c) 基台 中央螺丝 种植体 松质骨 皮质骨 图1种植牙一支撑骨组织(a)、三维几何模型(b)及内部构造(c) Fig.I Dental implant-supporting bone tissue (a),three-dimensional geometric model (b)and its internal structure (c) ( 4 10 4 图2支撑骨组织模型(a)、(b)和牙种植体模型(c)(单位：mm) Fig.2 Supporting bone tissue model (a)and (b)and dental implant model (c)(unit:mm) 1.3网格划分 利用UG10.0导出种植牙一支撑骨组织模型的 各部分模型文件，格式为stp;再导入ABAQUS6.14 (Simulia,法国)，以C3D8R四面体单元类型对基 台、中央螺丝、种植体划分网格，以C3D4和C3D10 四面体单元类型分别对周围皮质骨和松质骨模型划 分网格（如图3），种植牙一支撑骨组织模型的总节点 数为81064，总网格数为77579 1.4材料属性和接触面条件 本研究中的种植牙一支撑骨组织系统模型相关 参数分别列于表1一30四.作为可选的非金属材 料，PEEK是一种性能优异的热塑性高分子材料，具 有耐高温、耐化学腐蚀、耐辐射、易于加工成型等优 异性能，其弹性模量仅为4.1GPa,可以有效减小应 力屏蔽效应0，有助于种植体周围骨结合和骨沉 积，提高种植体一骨界面的初期稳定性四，因此在本 图3种植牙一支撑骨组织模型网格划分情况 模拟中采用了钛合金与PEEK作为种植牙各部件的 Fig.3 Mesh distribution of the dental implant-supporting bone tis- 材料.该模型的材料均为线弹性、均质和各向同性 sue model

林逸凌等: 不同弹性模量的基台--种植体组合对周围成骨性能的影响 部疏松松质骨，整个骨块宽度为 10 mm，高度为 15 mm，支撑骨组织的 ABV 指数为 46. 85% ( 松质骨体 积为 764. 41 mm3 ，支撑骨体积为 1631. 53 mm3 ) ，分 别如图 1 ～ 2 所示． 图 1 种植牙--支撑骨组织( a) 、三维几何模型( b) 及内部构造( c) Fig． 1 Dental implant--supporting bone tissue ( a) ，three-dimensional geometric model ( b) and its internal structure ( c) 图 2 支撑骨组织模型( a) 、( b) 和牙种植体模型( c) ( 单位: mm) Fig． 2 Supporting bone tissue model ( a) and ( b) and dental implant model ( c) ( unit: mm) 1. 3 网格划分 利用 UG10. 0 导出种植牙--支撑骨组织模型的 各部分模型文件，格式为 stp; 再导入 ABAQUS6. 14 ( Simulia，法国) ，以 C3D8Ｒ 四面体单元类型对 基 台、中央螺丝、种植体划分网格，以 C3D4 和 C3D10 四面体单元类型分别对周围皮质骨和松质骨模型划 分网格( 如图 3) ，种植牙--支撑骨组织模型的总节点 数为 81064，总网格数为 77579． 1. 4 材料属性和接触面条件 本研究中的种植牙--支撑骨组织系统模型相关 参数分别列于表 1 ～ 3［10--12］． 作为可选的非金属材 料，PEEK 是一种性能优异的热塑性高分子材料，具 有耐高温、耐化学腐蚀、耐辐射、易于加工成型等优 异性能，其弹性模量仅为 4. 1 GPa，可以有效减小应 力屏蔽效应［13--14］，有助于种植体周围骨结合和骨沉 积，提高种植体--骨界面的初期稳定性［4］，因此在本 模拟中采用了钛合金与 PEEK 作为种植牙各部件的 材料． 该模型的材料均为线弹性、均质和各向同性 图 3 种植牙--支撑骨组织模型网格划分情况 Fig． 3 Mesh distribution of the dental implant--supporting bone tis￾sue model · 387 ·

·784· 工程科学学报，第41卷，第6期 的小变形弹性材料，种植牙与支撑骨组织界面假设 为理想骨性结合，且种植体初始螺纹位于皮质骨顶 面以下0.5mm处.骨组织侧面、底面施加完全约 束，并扩展到相应节点.根据实验需要，模型不变， RP-1 只需改变相应的种植牙材料属性，就可以对PEEK 和TC4进行比较分析. 颊舌侧 表1种植牙一支撑骨组织模型各部分接触类型 Table 1 Contact type of each part of the dental implant-supporting bone tissue model 连接对 接触类型 基台中央螺丝 绑定 基台/种植体 摩擦接触 中央螺丝/种植体 摩擦接触 种植体/周围骨组织 绑定 皮质骨/松质骨 绑定(Tie) 图4种植体的两种静力加载条件 表2种植牙一支撑骨模型各部分材料属性 Fig.4 Two types of loading conditions of the dental implant Table 2 Material properties of each part of the implant-support bone model TC4-TC4、PEEK-PEEK、TC4PEEK(如表3所示). 材料 弹性模量，E/MPa 泊松比，， 在轴向静力加载的条件下，基台的最大应力值均相 钛合金TC4 110000 0.33 近，没有显著差异；种植体B组的最大应力值最小， PEEK 4100 0.40 且与C组的最大应力值相近，仅8MPa,A组(TC4- 皮质骨 13400 0.30 TC4)的种植体最大受力是24MPa,是前两者的3倍 松质骨 1370 0.31 左右：三种类型的种植牙系统传递到周围皮质骨上 表3种植牙各部件的材料类型 的最大应力依次是8、10和13MPa,差异在5MPa以 Table 3 Material type of each part of the dental implant 内；传到周围松质骨上的最大应力都是3MPa 试样组合 基台 中央螺丝 种植体 表4轴向静力加载100N种植体的最大应力值 A TC4 TC4 TC4 Table 4 Maximum stress value of implants with axial load of 100 N PEEK PEEK PEEK MPa C TC4 TC4 PEEK 试样组和 基台 种植体 皮质骨 松质骨 A 24 24 8 3 1.5载荷施加方式 21 8 10 3 在图4中，种植牙一支撑骨组织模型受力的加 22 13 3 载点RP-1在相距支撑骨组织底面22mm处，且与 基台上表面完全耦合，以模拟正常牙冠与基台的连 在斜向静力加载的条件下（表5），基台上最大 接及其力的传递5-.日常咀嚼食物所需的咀嚼 应力值从高到低依次是A>C>B,TC4基台承受的 力约为30~300N7,模拟采用ABAQUS6.14有限 应力相对于PEEK基台更大，但是在基台一种植体材 元软件，对受力点分别加载轴向力(F,)和颊舌斜向 料是TC4PEEK的体系中，基台虽然同样是TC4,但 力(F2),轴向力与种植体轴向平行，大小为100N: 是应力峰值较A有所降低：3种种植体所受最大应 颊舌斜向力与种植体轴向成45°角，大小为100N. 力差异较大，由高到低依次是A>B>C:传递给周 对中央螺丝施加适当的预紧力，大小为84N因， 围皮质骨的最大应力从高到低依次是B>A>C;A 2应力模拟结果分析 组的TC4种植体传递给周围松质骨的最大应力是 12MPa,是类型B、C的2倍以上.与轴向加载相比， 2.1种植体静力加载结果分析 斜向咀嚼力对种植体、周围皮质骨和松质骨的影响 该种植牙一支撑骨组织模型在静力加载下的应 更大，剪切效果较明显，应力峰值上普遍高于对应的 力值见表4.A组、B组、C组基台一种植体材料分为 轴向加载

工程科学学报，第 41 卷，第 6 期 的小变形弹性材料，种植牙与支撑骨组织界面假设 为理想骨性结合，且种植体初始螺纹位于皮质骨顶 面以下 0. 5 mm 处． 骨组织侧面、底面施加完全约 束，并扩展到相应节点． 根据实验需要，模型不变， 只需改变相应的种植牙材料属性，就可以对 PEEK 和 TC4 进行比较分析． 表 1 种植牙--支撑骨组织模型各部分接触类型 Table 1 Contact type of each part of the dental implant--supporting bone tissue model 连接对 接触类型 基台/中央螺丝 绑定 基台/种植体 摩擦接触 中央螺丝/种植体 摩擦接触 种植体/周围骨组织 绑定 皮质骨/松质骨 绑定( Tie) 表 2 种植牙--支撑骨模型各部分材料属性 Table 2 Material properties of each part of the implant--support bone model 材料 弹性模量，E/MPa 泊松比，v 钛合金 TC4 110000 0. 33 PEEK 4100 0. 40 皮质骨 13400 0. 30 松质骨 1370 0. 31 表 3 种植牙各部件的材料类型 Table 3 Material type of each part of the dental implant 试样组合 基台 中央螺丝 种植体 A TC4 TC4 TC4 B PEEK PEEK PEEK C TC4 TC4 PEEK 1. 5 载荷施加方式 在图 4 中，种植牙--支撑骨组织模型受力的加 载点 ＲP--1 在相距支撑骨组织底面 22 mm 处，且与 基台上表面完全耦合，以模拟正常牙冠与基台的连 接及其力的传递［15--16］． 日常咀嚼食物所需的咀嚼 力约为 30 ～ 300 N［17］，模拟采用 ABAQUS6. 14 有限 元软件，对受力点分别加载轴向力( F1 ) 和颊舌斜向 力( F2 ) ，轴向力与种植体轴向平行，大小为 100 N; 颊舌斜向力与种植体轴向成 45°角，大小为 100 N． 对中央螺丝施加适当的预紧力，大小为 84 N［5］． 2 应力模拟结果分析 2. 1 种植体静力加载结果分析 该种植牙--支撑骨组织模型在静力加载下的应 力值见表 4． A 组、B 组、C 组基台--种植体材料分为 图 4 种植体的两种静力加载条件 Fig． 4 Two types of loading conditions of the dental implant TC4--TC4、PEEK--PEEK、TC4--PEEK ( 如表 3 所示) ． 在轴向静力加载的条件下，基台的最大应力值均相 近，没有显著差异; 种植体 B 组的最大应力值最小， 且与 C 组的最大应力值相近，仅 8 MPa，A 组( TC4-- TC4) 的种植体最大受力是 24 MPa，是前两者的 3 倍 左右; 三种类型的种植牙系统传递到周围皮质骨上 的最大应力依次是 8、10 和 13 MPa，差异在 5 MPa 以 内; 传到周围松质骨上的最大应力都是 3 MPa． 表 4 轴向静力加载 100 N 种植体的最大应力值 Table 4 Maximum stress value of implants with axial load of 100 N MPa 试样组和 基台 种植体 皮质骨 松质骨 A 24 24 8 3 B 21 8 10 3 C 22 9 13 3 在斜向静力加载的条件下( 表 5) ，基台上最大 应力值从高到低依次是 A ＞ C ＞ B，TC4 基台承受的 应力相对于 PEEK 基台更大，但是在基台--种植体材 料是 TC4--PEEK 的体系中，基台虽然同样是 TC4，但 是应力峰值较 A 有所降低; 3 种种植体所受最大应 力差异较大，由高到低依次是 A ＞ B ＞ C; 传递给周 围皮质骨的最大应力从高到低依次是 B ＞ A ＞ C; A 组的 TC4 种植体传递给周围松质骨的最大应力是 12 MPa，是类型 B、C 的 2 倍以上． 与轴向加载相比， 斜向咀嚼力对种植体、周围皮质骨和松质骨的影响 更大，剪切效果较明显，应力峰值上普遍高于对应的 轴向加载． · 487 ·

林逸凌等：不同弹性模量的基台一种植体组合对周围成骨性能的影响 ·785· 表5斜向静力加载100N种植体的最大应力值 集中，集中分布在围绕种植体颈部的骨床区域，该区 Table 5 Maximum stress value of implants with oblique load of 100 N 域为一环形区域，内径为2mm,外径为3mm. MPa 2.3讨论 试样组和 基台 种植体 皮质骨 松质骨 目前，市面上大部分基台一种植体系统均采用 A 100 117 12 Q 同一材料，而TC4因其良好的生物相容性而较为流 B 8 20 120 y 行，但钛种植体与周围骨组织弹性模量差异较大，容 11 55 易造成应力遮挡和应力集中，可能导致植入手术失 2.2周围骨组织应力分布分析 败.在本实验中，无论是轴向载荷还是斜向载荷条 该种植牙一支撑骨组织模型在静力加载下的应 件下（如图7），A组的基台和种植体所承受的应力 力云图示于图5和图6.在轴向加载条件下，A组的 均比其他两组要大，特别是斜向条件下TC4种植体 应力主要集中在种植体颈部，而B组、C组的应力传 应力峰值是117MPa,是B组的约6倍和C组的10 递到种植体的中部，表现为应力向下偏移、应力集中 倍，而从图5知应力集中于斜向力方向对侧第一与 程度降低.斜向加载条件下，A组的应力集中范围 第二螺纹间的小区域内，在正常咀嚼条件下容易导 较大，但其应力集中程度不及B组，C组的应力水平 致种植体疲劳破坏.B组的PEEK基台一种植体相 最低且种植体的应力集中不明显，但所有的种植体 对A组而言，应力集中程度较小，不容易产生疲劳 类型应力均集中于种植体颈部，对应于有螺纹真实 破坏，但是传递给周围骨组织的应力为120MPa,超 种植体的第一和第二螺纹处 过120MPa的应力就会造成正常皮质骨的断裂回， 在轴向加载条件下，A、B组的周围皮质骨的应 虽然本研究采用简化模型会使最终模拟结果偏大而 力水平较低，应力集中不明显，C组周围皮质骨的应 造成数据一定程度上的不准确，但是可以看出皮质 力均匀分布于种植体颈部周围.在斜向加载条件 骨承受的应力较大，这与其他实验中提到的结果大 下，A组和B组的周围皮质骨的应力分布较为相似， 致吻合8-刘，而相对较大的应力水平会导致周围骨 呈唇片状于频舌侧及其对向集中分布：C组的应力 组织一定程度的病理性损伤.取代单一材料的基 分布较为均匀，应力峰值最小，相对于轴向加载更为 台一种植体体系，TC4基台和PEEK种植体的组合在 (a) (b) (c) 等效应力值/MPa 等效应力值MP: 等效应力值MP T120 110 100 9 -8 轴向加载 70 42 +60 +50 30 20 0 (d e 等效应力值MPa 等效应力值MPa 等效应力值/MPa 120 110 08 100 -90 0 斜向加截 70 +6 65320 5 4 20 图5轴向加载和斜向加载不同种植体组合的应力分布云图.(a,d)A:(b,c)B:(c,f)C Fig.5 Stress distribution of dental implant under axial and oblique loading for different abutment-implant systems:(a,d)A:(b,e)B:(c,f)C

林逸凌等: 不同弹性模量的基台--种植体组合对周围成骨性能的影响 表 5 斜向静力加载 100 N 种植体的最大应力值 Table 5 Maximum stress value of implants with oblique load of 100 N MPa 试样组和 基台 种植体 皮质骨 松质骨 A 100 117 74 12 B 84 20 120 5 C 88 11 55 5 2. 2 周围骨组织应力分布分析 该种植牙--支撑骨组织模型在静力加载下的应 力云图示于图 5 和图 6． 在轴向加载条件下，A 组的 应力主要集中在种植体颈部，而 B 组、C 组的应力传 递到种植体的中部，表现为应力向下偏移、应力集中 程度降低． 斜向加载条件下，A 组的应力集中范围 较大，但其应力集中程度不及 B 组，C 组的应力水平 最低且种植体的应力集中不明显，但所有的种植体 类型应力均集中于种植体颈部，对应于有螺纹真实 种植体的第一和第二螺纹处． 图 5 轴向加载和斜向加载不同种植体组合的应力分布云图 . ( a，d) A; ( b，e) B; ( c，f) C Fig． 5 Stress distribution of dental implant under axial and oblique loading for different abutment-implant systems: ( a，d) A; ( b，e) B; ( c，f) C 在轴向加载条件下，A、B 组的周围皮质骨的应 力水平较低，应力集中不明显，C 组周围皮质骨的应 力均匀分布于种植体颈部周围． 在斜向加载条件 下，A 组和 B 组的周围皮质骨的应力分布较为相似， 呈唇片状于颊舌侧及其对向集中分布; C 组的应力 分布较为均匀，应力峰值最小，相对于轴向加载更为 集中，集中分布在围绕种植体颈部的骨床区域，该区 域为一环形区域，内径为 2 mm，外径为 3 mm． 2. 3 讨论 目前，市面上大部分基台--种植体系统均采用 同一材料，而 TC4 因其良好的生物相容性而较为流 行，但钛种植体与周围骨组织弹性模量差异较大，容 易造成应力遮挡和应力集中，可能导致植入手术失 败． 在本实验中，无论是轴向载荷还是斜向载荷条 件下( 如图 7) ，A 组的基台和种植体所承受的应力 均比其他两组要大，特别是斜向条件下 TC4 种植体 应力峰值是 117 MPa，是 B 组的约 6 倍和 C 组的 10 倍，而从图 5 知应力集中于斜向力方向对侧第一与 第二螺纹间的小区域内，在正常咀嚼条件下容易导 致种植体疲劳破坏． B 组的 PEEK 基台--种植体相 对 A 组而言，应力集中程度较小，不容易产生疲劳 破坏，但是传递给周围骨组织的应力为 120 MPa，超 过 120 MPa 的应力就会造成正常皮质骨的断裂［4］， 虽然本研究采用简化模型会使最终模拟结果偏大而 造成数据一定程度上的不准确，但是可以看出皮质 骨承受的应力较大，这与其他实验中提到的结果大 致吻合［18--20］，而相对较大的应力水平会导致周围骨 组织一定程度的病理性损伤． 取代单一材料的基 台--种植体体系，TC4 基台和 PEEK 种植体的组合在 · 587 ·

·786 工程科学学报，第41卷，第6期 轴向加载 斜向加载 (a) (b) 等效应力值NMPa 等效应力值/NMPa 厚20 110 100 I00 8 020 0 e 等效应力值MPa 等效应力值/MPa 100 90 70 0000000 (e) ) 等效应力值MPa 等效应力值MPa 图6轴向加截和斜向加载不同种植体组合周围骨应力分布云图.(a,b)A:(c,d)B:(e,f)C Fig.6 Stress distribution of the surrounding bone tissue under axial and oblique loading for different abutment-implant systems:(a,b)A:(c,d)B: (e,f)C 30 1406) ■A组 ■A组 9 ■B组 120 ■B组 ■C组 10 C组 050 5 20 基台 种植体皮质骨松质骨 基台 种植体皮质骨 松质骨 组成部分 组成部分 图7轴向()与斜向(b6)加载不同类型基台一种植体及周围骨最大应力对比 Fig.7 Comparison of the maximum stresses of different types of abutment-implants and the surrounding bone tissue under axial (a)and oblique (b) loading 轴向加载条件下相对于其他两类型并无明显优势. 较小，而且皮质骨应力峰值仅55MPa.根据Mecha- 然而，在斜向加载条件下，基台、种植体、皮质骨和松 nostat理论，20~60MPa的应力水平对于皮质骨而 质骨的应力水平均得到改善，种植体应力峰值仅11 言是一个较为合适的范围，有助于骨沉积和骨量增 MPa,是周围皮质骨应力峰值的15，应力集中程度 加，避免因低应力水平造成的骨吸收和骨量下降，增

工程科学学报，第 41 卷，第 6 期 图 6 轴向加载和斜向加载不同种植体组合周围骨应力分布云图 . ( a，b) A; ( c，d) B; ( e，f) C Fig． 6 Stress distribution of the surrounding bone tissue under axial and oblique loading for different abutment-implant systems: ( a，b) A; ( c，d) B; ( e，f) C 图 7 轴向( a) 与斜向( b) 加载不同类型基台--种植体及周围骨最大应力对比 Fig． 7 Comparison of the maximum stresses of different types of abutment--implants and the surrounding bone tissue under axial ( a) and oblique ( b) loading 轴向加载条件下相对于其他两类型并无明显优势． 然而，在斜向加载条件下，基台、种植体、皮质骨和松 质骨的应力水平均得到改善，种植体应力峰值仅 11 MPa，是周围皮质骨应力峰值的 1 /5，应力集中程度 较小，而且皮质骨应力峰值仅 55 MPa． 根据 Mecha￾nostat 理论，20 ～ 60 MPa 的应力水平对于皮质骨而 言是一个较为合适的范围，有助于骨沉积和骨量增 加，避免因低应力水平造成的骨吸收和骨量下降，增 · 687 ·

林逸凌等：不同弹性模量的基台一种植体组合对周围成骨性能的影响 ·787· 强种植体的界面稳定性即.高弹性模量基台与低 ted implant materials.Ade Dent Res,1999,13 (1):21 弹性模量种植体的组合与功能梯度材料设计思想相 [8]Bodic F,Amourig Y,Gayet Delacroix M,et al.Relationships 接近四，利用不同材料的优点，最大程度地提高种 between bone mass and micro-architecture at the mandible and ili- ac bone in edentulous subjects:a dual X-ray absorptiometry,com- 植体一周围骨组织界面的稳定性.相对于制造复杂 puterised tomography and microcomputed tomography study.Ger- 的功能梯度材料，在满足种植体本身足够力学性能 odontology,2012,29(2):e585 和避免周围骨组织废用性骨萎缩和骨吸收的前提 9]Jaffee R I.The physical metallurgy of titanium alloys.Prog Mer 下，不同弹性模量的基台一种植体组合或许可以成 %s,1958,7:65 [10]Macedo J P,Pereira J,Faria J,et al.Finite element analysis of 为更易于临床应用的手段 stress extent at peri-implant bone surrounding external hexagon or 3结论 Morse taper implants.J Mech Behav Biomed Mater,2017,71: 441 (1)基台一种植体的组合中TC4-PEEK可以有 [11]Cook S D,Rust-Dawicki A M.Preliminary evaluation of titani- um-coated PEEK dental implants.J Oral Implantol,1995,21 效降低种植体的应力集中程度，周围骨的应力分布 (3):176 较为均匀，其应力水平在40~60MPa的合适范围 [12]Corvelli AA,Biermann PJ,Roberts J C.Design,analysis,and 内，有助于骨沉积和骨量增加，提高种植体的界面稳 fabrication of a composite segmental bone replacement implant. 定性. Ade Mater,1997,28(3):2 [13]Kurtz S M,Devine J N.PEEK biomaterials in trauma,orthope- (2)轴向加载条件下，不同基台一种植体系统中 dic,and spinal implants.Biomaterials,2007,28(32):4845 PEEK种植体的应力水平较小，相应的周围骨组织 [14]Han C M,Lee E J,Kim H E,et al.The electron beam deposi- 应力水平较大. tion of titanium on polyetheretherketone (PEEK)and the resul- (3)斜向加载条件下，相对于其他两种基台一种 ting enhanced biological properties.Biomaterials,2010,31 植体系统，TC4-PEEK组合的应力水平更低，其周围 (13):3465 [15]Strecha J,Jurkovic R,Siebert T,et al.Fixed bicortical screw 骨组织的应力水平最小 and blade implants as a non-tandard solution to an edentulous (toothless)mandible.Int J Oral Sci,2010,2:105 参考文献 16J Nissan J,Ghelfan O,Gross 0,et al.The effect of crown/im- plant ratio and crown height space on stress distribution in un- [Oh T J,Yoon J,Misch C E,et al.The causes of early implant splinted implant supporting restorations.Oral Maxillofac Surg, bone loss:myth or science J Periodontol,2002,73(3):322 2011,69(7):1934 2]Lin Y.Current dental implant design and its clinical importance. [17]Wang M Q,He S G.Oral Anatomy and Physiology.6th Ed. West China J Stomatol,2017,35 (1):18 Beijing:People's Medical Publishing House,2012 (林野.当代牙种植体设计进步与临床意义.华西口腔医学杂 (王美青，何三纲.口腔解剖生理学.6版.北京：人民卫生 志，2017,35(1)：18) 出版社，2012） B]Guan H L,Van Staden R C,Loo Y C,et al.Evaluation of multi- [18]Frost H M.A 2003 update of bone physiology and Wolff's law for ple implant bone parameters on stress characteristics in the mandi- clinicians.Angle Orthodontist,2004,74(1):3 ble under traumatic loading conditions.Int J Oral Maxillofac Impl, [19]Schwitalla A D,Spintig T,Kallage I,et al.Pressure behavior of 2010,25(3):461 different PEEK materials for dental implants.J Mech Behav Bi- [4]Perez-Pevida E.Brizuela-Velasco A,Chavarri-Prado D,et al.Bi- omed Mater,2016,54:295 omechanical consequences of the elastic properties of dental im- [20] Schwitalla A D,SpintigT,Kallage I,et al.Flexural behavior of plant alloys on the supporting bone:finite element analysis.Bi- PEEK materials for dental application.Dent Mater,2015,31 o.Med Res Int,2016,2016:1850401 (11):1377 [5]Lin C L,Chang S H,Wang JC.Finite element analysis of biome- 221]Sampaio M,Buciumaeanu M,Henriques B,et al.Comparison chanical interactions of a tooth-implant splinting system for various between PEEK and T6A4V conceming micro-scale abrasion bone qualities.Chang Gung Med J,2006,29(2):143 wear on dental application.Mech Behar Biomed Mater,2016, Schwitalla A D,Abou-Emara M,Spintig T,et al.Finite element 60:212 analysis of the biomechanical effects of PEEK dental implants on 22]Watari F,Yokoyama A,Omori M,et al.Biocompatibility of ma- the peri-implant bone.J Biomech,2015,48(1):1 terials and development to functionally graded implant for bio- 7]Lacefield W R.Material characteristics of uncoated/ceramic-coa- medical application.Compos Sci Technol,2004,64(6):893

林逸凌等: 不同弹性模量的基台--种植体组合对周围成骨性能的影响 强种植体的界面稳定性［21］． 高弹性模量基台与低 弹性模量种植体的组合与功能梯度材料设计思想相 接近［22］，利用不同材料的优点，最大程度地提高种 植体--周围骨组织界面的稳定性． 相对于制造复杂 的功能梯度材料，在满足种植体本身足够力学性能 和避免周围骨组织废用性骨萎缩和骨吸收的前提 下，不同弹性模量的基台--种植体组合或许可以成 为更易于临床应用的手段． 3 结论 ( 1) 基台--种植体的组合中 TC4--PEEK 可以有 效降低种植体的应力集中程度，周围骨的应力分布 较为均匀，其应力水平在 40 ～ 60 MPa 的合适范围 内，有助于骨沉积和骨量增加，提高种植体的界面稳 定性． ( 2) 轴向加载条件下，不同基台--种植体系统中 PEEK 种植体的应力水平较小，相应的周围骨组织 应力水平较大． ( 3) 斜向加载条件下，相对于其他两种基台--种 植体系统，TC4--PEEK 组合的应力水平更低，其周围 骨组织的应力水平最小． 参 考 文 献 ［1］ Oh T J，Yoon J，Misch C E，et al． The causes of early implant bone loss: myth or science ? J Periodontol，2002，73( 3) : 322 ［2］ Lin Y． Current dental implant design and its clinical importance． West China J Stomatol，2017，35( 1) : 18 ( 林野． 当代牙种植体设计进步与临床意义． 华西口腔医学杂 志，2017，35( 1) : 18) ［3］ Guan H L，Van Staden Ｒ C，Loo Y C，et al． Evaluation of multi￾ple implant bone parameters on stress characteristics in the mandi￾ble under traumatic loading conditions． Int J Oral Maxillofac Impl， 2010，25( 3) : 461 ［4］ Pérez-Pevida E，Brizuela-Velasco A，Chávarri-Prado D，et al． Bi￾omechanical consequences of the elastic properties of dental im￾plant alloys on the supporting bone: finite element analysis． Bi￾oMed Ｒes Int，2016，2016: 1850401 ［5］ Lin C L，Chang S H，Wang J C． Finite element analysis of biome￾chanical interactions of a tooth-implant splinting system for various bone qualities． Chang Gung Med J，2006，29( 2) : 143 ［6］ Schwitalla A D，Abou-Emara M，Spintig T，et al． Finite element analysis of the biomechanical effects of PEEK dental implants on the peri-implant bone． J Biomech，2015，48( 1) : 1 ［7］ Lacefield W Ｒ． Material characteristics of uncoated /ceramic-coa￾ted implant materials． Adv Dent Ｒes，1999，13( 1) : 21 ［8］ Bodic F，Amouriq Y，Gayet ‐ Delacroix M，et al． Ｒelationships between bone mass and micro-architecture at the mandible and ili￾ac bone in edentulous subjects: a dual X-ray absorptiometry，com￾puterised tomography and microcomputed tomography study． Ger￾odontology，2012，29( 2) : e585 ［9］ Jaffee Ｒ I． The physical metallurgy of titanium alloys． Prog Met Phys，1958，7: 65 ［10］ Macedo J P，Pereira J，Faria J，et al． Finite element analysis of stress extent at peri-implant bone surrounding external hexagon or Morse taper implants． J Mech Behav Biomed Mater，2017，71: 441 ［11］ Cook S D，Ｒust-Dawicki A M． Preliminary evaluation of titani￾um-coated PEEK dental implants． J Oral Implantol，1995，21 ( 3) : 176 ［12］ Corvelli A A，Biermann P J，Ｒoberts J C． Design，analysis，and fabrication of a composite segmental bone replacement implant． J Adv Mater，1997，28( 3) : 2 ［13］ Kurtz S M，Devine J N． PEEK biomaterials in trauma，orthope￾dic，and spinal implants． Biomaterials，2007，28( 32) : 4845 ［14］ Han C M，Lee E J，Kim H E，et al． The electron beam deposi￾tion of titanium on polyetheretherketone ( PEEK) and the resul￾ting enhanced biological properties． Biomaterials，2010，31 ( 13) : 3465 ［15］ Strecha J，Jurkovic Ｒ，Siebert T，et al． Fixed bicortical screw and blade implants as a non-standard solution to an edentulous ( toothless) mandible． Int J Oral Sci，2010，2: 105 ［16］ Nissan J，Ghelfan O，Gross O，et al． The effect of crown /im￾plant ratio and crown height space on stress distribution in un￾splinted implant supporting restorations． J Oral Maxillofac Surg， 2011，69( 7) : 1934 ［17］ Wang M Q，He S G． Oral Anatomy and Physiology． 6th Ed． Beijing: People's Medical Publishing House，2012 ( 王美青，何三纲． 口腔解剖生理学． 6 版． 北京: 人民卫生 出版社，2012) ［18］ Frost H M． A 2003 update of bone physiology and Wolff's law for clinicians． Angle Orthodontist，2004，74( 1) : 3 ［19］ Schwitalla A D，Spintig T，Kallage I，et al． Pressure behavior of different PEEK materials for dental implants． J Mech Behav Bi￾omed Mater，2016，54: 295 ［20］ Schwitalla A D，Spintig T，Kallage I，et al． Flexural behavior of PEEK materials for dental application． Dent Mater，2015，31 ( 11) : 1377 ［21］ Sampaio M，Buciumaeanu M，Henriques B，et al． Comparison between PEEK and Ti6Al4V concerning micro-scale abrasion wear on dental application． J Mech Behav Biomed Mater，2016， 60: 212 ［22］ Watari F，Yokoyama A，Omori M，et al． Biocompatibility of ma￾terials and development to functionally graded implant for bio￾medical application． Compos Sci Technol，2004，64( 6) : 893 · 787 ·