重庆医科大学：《种植修复工艺学》课程教学资源（讲义）第六章种植修复义齿的生物力学.pdf_大学文库

第六章种植修复义齿的生物力学将工程学原理应用于人体组织的生物医学工程学，开启了疾病诊断、治疗和康复的新纪元。作为生物医学工程分支学科之一，生物力学主要研究生物组织对力学负荷的反应，以及活体组织结构与功能的关系。基于生物力学在口腔医学中的应用，机械设计的“最优化”理论(optimization theory)推动了种植体系统和上部修复方式的发展。本章将着重论述与口腔种植义齿设计与长期成功率相关的口腔生物力学基本理论和原则。第一节种植义齿的生物力学概论一.种植义齿的力学负荷在口腔环境下，种植义齿的力学负荷主要包括：①矜力，咬合或咀嚼时对领牙直接施在种植义齿上的力：②口腔组织作用力，如：下颌骨屈曲、唇肌、颊肌、舌肌的运动，等：③种植系统的应力，外部或内部负荷在系统内不同组件间传递的力：④重力和气流压力，等。 (一)殆力口腔种植义齿行使功能时承受的咬合力。殆力在大小、频率和时程上都存在较大个体差异，主要取决于患者咀嚼肌力的大小、牙周健康情况以及咬合习惯。殆力是导致种植义齿发生远期机械并发症的重要力学风险因素，夜磨牙、紧咬牙习惯会使咬合力增大且作用时间更长，需要特别注意。在即刻修复或即刻负重的情况下，处于骨结合过程中的种植体若无可靠的初期稳定性，或缺乏上部修复体的刚性连接，则可能会在殆力影响下发生“宏动”(Macro-movement),从而增加种植体的失败几率。 (二)口腔组织作用力在种植体的骨结合期，由于临时修复体或愈合帽与唇、颊肌和舌体的接触，口腔的肌肉运动都会使其受到较小的高频负荷。此外，下颌骨的屈曲也会使种植体承受到周围骨组织的机械应力负荷，并在不同程度上影响骨结合的成功率。存在口腔功能不良习惯或舌肌肌力异常时，临时修复体、愈合帽和种植体受到周围组织的被动负荷将异常增大。此外，为了降低愈合帽松动、脱落的风险，建议选择种植体埋置式植入或放置齐龈高度的愈合帽。 (三)种植系统的应力

1 第六章种植修复义齿的生物力学将工程学原理应用于人体组织的生物医学工程学，开启了疾病诊断、治疗和康复的新纪元。作为生物医学工程分支学科之一，生物力学主要研究生物组织对力学负荷的反应，以及活体组织结构与功能的关系。基于生物力学在口腔医学中的应用，机械设计的“最优化”理论（optimization theory）推动了种植体系统和上部修复方式的发展。本章将着重论述与口腔种植义齿设计与长期成功率相关的口腔生物力学基本理论和原则。第一节种植义齿的生物力学概论一．种植义齿的力学负荷在口腔环境下，种植义齿的力学负荷主要包括：① 牙合力，咬合或咀嚼时对颌牙直接施在种植义齿上的力；② 口腔组织作用力，如：下颌骨屈曲、唇肌、颊肌、舌肌的运动，等；③ 种植系统的应力，外部或内部负荷在系统内不同组件间传递的力；④ 重力和气流压力，等。（一）牙合力口腔种植义齿行使功能时承受的咬合力。牙合力在大小、频率和时程上都存在较大个体差异，主要取决于患者咀嚼肌力的大小、牙周健康情况以及咬合习惯。牙合力是导致种植义齿发生远期机械并发症的重要力学风险因素，夜磨牙、紧咬牙习惯会使咬合力增大且作用时间更长，需要特别注意。在即刻修复或即刻负重的情况下，处于骨结合过程中的种植体若无可靠的初期稳定性，或缺乏上部修复体的刚性连接，则可能会在牙合力影响下发生“宏动”（Macro-movement），从而增加种植体的失败几率。（二）口腔组织作用力在种植体的骨结合期，由于临时修复体或愈合帽与唇、颊肌和舌体的接触，口腔的肌肉运动都会使其受到较小的高频负荷。此外，下颌骨的屈曲也会使种植体承受到周围骨组织的机械应力负荷，并在不同程度上影响骨结合的成功率。存在口腔功能不良习惯或舌肌肌力异常时，临时修复体、愈合帽和种植体受到周围组织的被动负荷将异常增大。此外，为了降低愈合帽松动、脱落的风险，建议选择种植体埋置式植入或放置齐龈高度的愈合帽。（三）种植系统的应力

构成种植义齿系统的各个机械部件，包括种植体、基台、中央螺丝、上部修复体等，在装配固位后可被视为一个复杂的机械构件整体。种植义齿受到外部或内部负荷后将发生形变，会在种植系统内各构件之间产生相互作用的应力 (Stress),且呈现不同的应力分布。系统内的应力按照产生原因的不同，可分为以下两种：外部受载时的应力传导和内部装配时的预应力。 1.外部受载的应力传导当系统内各组件进行机械装配并连接为一个整体后，外部负荷作用于上部修复体，借由各组件间的接触界面进行分散传导，最终全部传递到种植体周围的骨组织中，当外部负荷撤销后系统内无应力余留（表 6.1-a)。 2.内部装配时的预应力种植系统装配固位时的预应力是必须的（如：固位螺丝旋紧后产生的压应力)，系统内的预应力与是否受殆力无关，只要装配固位完成就会存在。然而，临床医生往往忽略由于精度误差在各组件间发生主动就位(active emplacement)而造成的预应力过载，后者将带来一系列危险。例如：螺丝固位桥体由于取模精度不足而发生主动就位，可能造成桥体与基台之间较大的弹性形变，从而产生在种植系统内部残留过大的预应力，即使没有外部负荷基台和种植体也会受到具有潜在破坏性的应力负荷（表6.1-b)。这种过载的预应力只有在组件发生塑性形变或机械性破坏后才会消失。但需要注意的是，存在预应力过载的系统内组件内部将出现应力集中。特别是疲劳受载的情况下，若合应力水平高于材料的强度极限，将会发生结构性的机械破坏，从而影响种植系统的疲劳寿命。 (四)重力和气流压力重力和气流压力会持续作用于种植义齿系统，在种植体骨结合后二者的影响会相对较小，但在骨结合过程中建议选择质量较轻的临时修复体。二，殆力的生物力学解析力的性质可以用从大小、方向、类型、持续时间以及增幅等方面来进行描述。作用于种植义齿的胎力均为矢量(vector),其兼具有大小和方向。因此在描述力的属性时，“作用于近中牙冠上的75N殆力”这样的描述是不准确的，应改为 “作用于近中牙冠上与种植体长轴方向一致的7N殆力”。成人牙齿的最大胎力与年龄、性别、饮食习惯、缺牙时间、缺牙情况、咬合位置及口腔异常功能等

2 构成种植义齿系统的各个机械部件，包括种植体、基台、中央螺丝、上部修复体等，在装配固位后可被视为一个复杂的机械构件整体。种植义齿受到外部或内部负荷后将发生形变，会在种植系统内各构件之间产生相互作用的应力（Stress），且呈现不同的应力分布。系统内的应力按照产生原因的不同，可分为以下两种：外部受载时的应力传导和内部装配时的预应力。 1. 外部受载的应力传导当系统内各组件进行机械装配并连接为一个整体后，外部负荷作用于上部修复体，借由各组件间的接触界面进行分散传导，最终全部传递到种植体周围的骨组织中，当外部负荷撤销后系统内无应力余留（表 6.1-a）。 2. 内部装配时的预应力种植系统装配固位时的预应力是必须的（如：固位螺丝旋紧后产生的压应力），系统内的预应力与是否受牙合力无关，只要装配固位完成就会存在。然而，临床医生往往忽略由于精度误差在各组件间发生主动就位（active emplacement）而造成的预应力过载，后者将带来一系列危险。例如：螺丝固位桥体由于取模精度不足而发生主动就位, 可能造成桥体与基台之间较大的弹性形变，从而产生在种植系统内部残留过大的预应力，即使没有外部负荷基台和种植体也会受到具有潜在破坏性的应力负荷（表 6.1-b）。这种过载的预应力只有在组件发生塑性形变或机械性破坏后才会消失。但需要注意的是，存在预应力过载的系统内组件内部将出现应力集中。特别是疲劳受载的情况下，若合应力水平高于材料的强度极限，将会发生结构性的机械破坏，从而影响种植系统的疲劳寿命。（四）重力和气流压力重力和气流压力会持续作用于种植义齿系统，在种植体骨结合后二者的影响会相对较小，但在骨结合过程中建议选择质量较轻的临时修复体。二．牙合力的生物力学解析力的性质可以用从大小、方向、类型、持续时间以及增幅等方面来进行描述。作用于种植义齿的牙合力均为矢量（vector），其兼具有大小和方向。因此在描述力的属性时，“作用于近中牙冠上的 75N 牙合力”这样的描述是不准确的，应改为 “作用于近中牙冠上与种植体长轴方向一致的 75N 牙合力”。成人牙齿的最大牙合力与年龄、性别、饮食习惯、缺牙时间、缺牙情况、咬合位置及口腔异常功能等

植体植入方案设计和基台、修复体设计中，经常会设法让矢量分解更加优化，增大轴向（垂直）负荷而减少横向（水平）负荷，从而有利于种植义齿、种植体和周围骨组织的长期稳定。具体方案如下： 1.修复为导向的种植体植入在种植体植入时，应尽量让种植体的方向与殆力的方向保持一致，可使种植体所受矜力更多沿种植体的长轴进行传递。对于骨量充足的病例而言，通过数字化专业软件设计种植方案和CAD-CAM种植外科导板的协助，达到以“修复为导向” 的种植体植入并不困难。所谓以修复为导向，即是以最终修复体的外形和轴向为参考，保证种植体轴向与牙冠（或殆力）的长轴方向一致。然而，对于牙槽骨严重萎缩或牙槽骨轴向与牙根严重不一致的病例，则很难保证以修复为导向的最佳植入位点和方向。 2.基台的合理选择当种植体植入轴向或位点不理想时，常会在功能状态下处于较大的横向负荷中。此时，为了保证修复体的就位道和美学修复问题，口腔技师常选择使用角度基台，这不但无法改变殆力的矢量分解，减小种植体受到的水平分力，反而会造成牙冠和基台的并发症。如：牙冠脱落、崩瓷、义齿折裂，乃至于发生基台的折裂。为了降低牙冠脱落和崩瓷的危险，可考虑采用直径较大的个性化基台或在后牙区采用螺丝固位基台。即便如此，也无法完全避免义齿折裂、基台折断和种植体周围骨的慢性吸收。 3.咬合设计对于种植体已完成植入的即刻或最终修复而言，咬合设计是决定种植体三维方向受力的最终关键因素。例如：若修复体的咬合设计导致较大的颊/舌向殆力分量（横向负荷），则种植体在颊舌方向上发生疲劳破坏的风险较高。因此，通过调整上部修复体的咬合接触位置，可以在一定程度上重新改变整个种植体系统的受力分配。通过在技工临床上设计种植体保护殆，或通过椅旁的调殆消除早接触，均能减小对种植体危害较大的水平向分力（具体见本章第二节）。 (二)殆力传导的三种形式殆力传导至种植义齿，会在其系统内产生三种类型的应力形式：压应力 (pressure stress)、张应力(tensile stress)和剪切应力(shear stress)

4 植体植入方案设计和基台、修复体设计中，经常会设法让矢量分解更加优化，增大轴向（垂直）负荷而减少横向（水平）负荷，从而有利于种植义齿、种植体和周围骨组织的长期稳定。具体方案如下： 1. 修复为导向的种植体植入在种植体植入时，应尽量让种植体的方向与牙合力的方向保持一致，可使种植体所受牙合力更多沿种植体的长轴进行传递。对于骨量充足的病例而言，通过数字化专业软件设计种植方案和 CAD-CAM 种植外科导板的协助，达到以“修复为导向” 的种植体植入并不困难。所谓以修复为导向，即是以最终修复体的外形和轴向为参考，保证种植体轴向与牙冠（或牙合力）的长轴方向一致。然而，对于牙槽骨严重萎缩或牙槽骨轴向与牙根严重不一致的病例，则很难保证以修复为导向的最佳植入位点和方向。 2. 基台的合理选择当种植体植入轴向或位点不理想时，常会在功能状态下处于较大的横向负荷中。此时，为了保证修复体的就位道和美学修复问题，口腔技师常选择使用角度基台，这不但无法改变牙合力的矢量分解，减小种植体受到的水平分力，反而会造成牙冠和基台的并发症。如：牙冠脱落、崩瓷、义齿折裂，乃至于发生基台的折裂。为了降低牙冠脱落和崩瓷的危险，可考虑采用直径较大的个性化基台或在后牙区采用螺丝固位基台。即便如此，也无法完全避免义齿折裂、基台折断和种植体周围骨的慢性吸收。 3. 咬合设计对于种植体已完成植入的即刻或最终修复而言，咬合设计是决定种植体三维方向受力的最终关键因素。例如：若修复体的咬合设计导致较大的颊/舌向牙合力分量（横向负荷），则种植体在颊舌方向上发生疲劳破坏的风险较高。因此，通过调整上部修复体的咬合接触位置，可以在一定程度上重新改变整个种植体系统的受力分配。通过在技工临床上设计种植体保护牙合，或通过椅旁的调牙合消除早接触，均能减小对种植体危害较大的水平向分力（具体见本章第二节）。（二）牙合力传导的三种形式牙合力传导至种植义齿，会在其系统内产生三种类型的应力形式：压应力（pressure stress）、张应力（tensile stress）和剪切应力（shear stress）

压应力使物体相互挤压，张应力使物体分开，而剪切应力作用于种植体可引起滑动错位。相对而言，剪切应力比其他应力形式更具破坏性。种植义齿系统对于压应力的适应性最强：皮质骨对压应力的抵抗力最强，而抵抗剪切力的能力明显弱于压应力。压应力对于维持种植体-骨界面的完整性而言最有利，而张应力和剪切应力则会起到破坏种植体-骨界面的作用。此外，水门汀、基台、中央螺丝、种植体、牙冠以及种植体-骨界面适应压应力的能力均明显强于张应力或剪切应力。例如：磷酸锌水门汀粘接剂的抗压强度为83103MPa(12,00015,000psi), 注：1兆帕(Pa)=145磅/英寸(psi),而其抗张强度和抗剪切强度则要低得多 (500psi)(图6.2)。纵观整个种植体系统，各个组成组件对抗压应力的能力均强于张力和剪切应力。因此，应将殆力更多地转化为压应力，减少张应力和剪切应力，可以更好地保护整个种植体系统。 F=力 Fx=法线方向分力 F。=剪切分力图6.2物体所受之力下在一个给定平面中可被分解为法线方向分力和剪切分力，不同方向的F力所产生的效果取决于力的作用方向对于单牙位或多单位的种植修复体而言，偏离种植体轴向的胎力会导致弯曲性的负荷，这通常会导致拉应力和剪切力的增高。尤其当存在牙冠或修复体的悬臂梁时，上部修复体和种植体-骨界面的受力情况则更为复杂。在进行临床方案设计时，应该综合考虑种植体植入的位置和方向、上部修复体种类以及修复体的咬合设计，必要时增加种植体的数目以达到分散殆力的目的，并使压应力成为种植体骨结合界面的主要负荷。三。种植义齿的生物力学并发症种植义齿在循环负荷过程中，由于力学因素可导致各种生物力学并发症，临床上常见以下几种：

5 压应力使物体相互挤压，张应力使物体分开，而剪切应力作用于种植体可引起滑动错位。相对而言，剪切应力比其他应力形式更具破坏性。种植义齿系统对于压应力的适应性最强；皮质骨对压应力的抵抗力最强，而抵抗剪切力的能力明显弱于压应力。压应力对于维持种植体-骨界面的完整性而言最有利，而张应力和剪切应力则会起到破坏种植体-骨界面的作用。此外，水门汀、基台、中央螺丝、种植体、牙冠以及种植体-骨界面适应压应力的能力均明显强于张应力或剪切应力。例如：磷酸锌水门汀粘接剂的抗压强度为 83~103 MPa（12,000~15,000 psi）, 注：1 兆帕(MPa)=145 磅/英寸 2 (psi), 而其抗张强度和抗剪切强度则要低得多（500psi）（图 6.2）。纵观整个种植体系统，各个组成组件对抗压应力的能力均强于张力和剪切应力。因此，应将牙合力更多地转化为压应力，减少张应力和剪切应力，可以更好地保护整个种植体系统。图 6.2 物体所受之力 F 在一个给定平面中可被分解为法线方向分力和剪切分力，不同方向的 F 力所产生的效果取决于力的作用方向对于单牙位或多单位的种植修复体而言，偏离种植体轴向的牙合力会导致弯曲性的负荷，这通常会导致拉应力和剪切力的增高。尤其当存在牙冠或修复体的悬臂梁时，上部修复体和种植体-骨界面的受力情况则更为复杂。在进行临床方案设计时，应该综合考虑种植体植入的位置和方向、上部修复体种类以及修复体的咬合设计，必要时增加种植体的数目以达到分散牙合力的目的，并使压应力成为种植体骨结合界面的主要负荷。三．种植义齿的生物力学并发症种植义齿在循环负荷过程中，由于力学因素可导致各种生物力学并发症，临床上常见以下几种：

位于种植体颈部，多由于种植体颈部的应力集中，导致种植体的应变远小于周围骨的应变，种植体与周围骨组织相分离，导致种植体边缘骨吸收，多为角形吸收。第二节种植体-骨结合界面的生物力学一，骨组织的应力负荷当物体由于外因（如：力场、湿度或温度的变化等）发生形变时，在物体内各部分之间产生的相互内作用力。物体的应力起到抵抗变形的外因，并试图使物体各部分的空间位置恢复到变形前的作用。在所考察物体的截面某一点上，单位面积受到的内力称为机械应力(o)。应力的常用公式表达为0=F/A(。应力，F 是力的大小，A是力分散的横截面积)。与考察截面相垂直的称为正应力或法向应力，与该截面相切（垂直）的称为剪应力或切应力。 (一)种植体应变与骨改建功能负荷可引起种植体及其周围骨组织的微观变形，这会触发骨组织的生物活性即生理性改建(remodel)。因此，种植体是激活骨组织改建，影响种植体骨结合界面进一步成熟的力学介质，种植体的材料必须具有适当的刚性和延伸率：而种植体的刚性和延伸率也会影响到种植体加工的难易程度、种植体一骨界面的组织稳定性和种植体的使用寿命。 (二)弹性模量与骨结合界面应力和应变的关系，即作用力与其所引起的应变之间的关系。根据作用于物体表面力的大小与其引起的物体形变量，可描绘出“应力-应变”曲线。利用该曲线，可以预测在一定范围内应力作用下物体所发生的应变大小。衡量产生单位量形变时的应力大小，反映出材料抵抗变形的刚度，称之为弹性模量(E,又称杨氏模量，单位：GPa)。物体的弹性模量越大，则刚度越大、弹性越小：反之弹性模量越小，则刚度越小、弹性越大。在种植体-骨结合界面上，二者的弹性模量越接近则受力时发生相对运动的可能性就越小。然而，牙槽骨与纯钛的弹性模量并不相同，IV级纯钛的弹性模量约为103GPa,而不同结构和密度的牙槽骨弹性模量均较小。例如：下颌磨牙区皮质骨的平均弹性模量为10-18GPa,上颌磨牙区皮质骨的弹性模量为9-15GPa,颌

7 位于种植体颈部，多由于种植体颈部的应力集中，导致种植体的应变远小于周围骨的应变，种植体与周围骨组织相分离，导致种植体边缘骨吸收，多为角形吸收。第二节种植体-骨结合界面的生物力学一．骨组织的应力负荷当物体由于外因（如：力场、湿度或温度的变化等）发生形变时，在物体内各部分之间产生的相互内作用力。物体的应力起到抵抗变形的外因，并试图使物体各部分的空间位置恢复到变形前的作用。在所考察物体的截面某一点上，单位面积受到的内力称为机械应力（σ）。应力的常用公式表达为 σ=F/A（σ 应力,F 是力的大小,A 是力分散的横截面积）。与考察截面相垂直的称为正应力或法向应力，与该截面相切（垂直）的称为剪应力或切应力。（一）种植体应变与骨改建功能负荷可引起种植体及其周围骨组织的微观变形，这会触发骨组织的生物活性即生理性改建（remodel）。因此，种植体是激活骨组织改建，影响种植体- 骨结合界面进一步成熟的力学介质。种植体的材料必须具有适当的刚性和延伸率；而种植体的刚性和延伸率也会影响到种植体加工的难易程度、种植体-骨界面的组织稳定性和种植体的使用寿命。（二）弹性模量与骨结合界面应力和应变的关系，即作用力与其所引起的应变之间的关系。根据作用于物体表面力的大小与其引起的物体形变量，可描绘出“应力-应变”曲线。利用该曲线，可以预测在一定范围内应力作用下物体所发生的应变大小。衡量产生单位量形变时的应力大小，反映出材料抵抗变形的刚度，称之为弹性模量（E，又称杨氏模量，单位：GPa）。物体的弹性模量越大，则刚度越大、弹性越小；反之弹性模量越小，则刚度越小、弹性越大。在种植体-骨结合界面上，二者的弹性模量越接近则受力时发生相对运动的可能性就越小。然而，牙槽骨与纯钛的弹性模量并不相同，IV 级纯钛的弹性模量约为 103GPa，而不同结构和密度的牙槽骨弹性模量均较小。例如：下颌磨牙区皮质骨的平均弹性模量为 10-18GPa，上颌磨牙区皮质骨的弹性模量为 9-15GPa，颌

骨松质骨的弹性模量不足1.5广4GPa。由于牙槽骨与纯钛种植体之间的弹性模量差异如此之大，当种植体所受应力、频率或持续时间增大到一定范围时，二者内部的应变也将愈发悬殊，种植体-骨结合界面在微观结构上的生物、机械完整性也将受到不可逆的损害（如：骨小梁的微折裂），直至影响到种植体在领骨内的稳定性。相反，当种植体受到的应力下降时，种植体-骨结合界面损害的后果也将会弱化，即在应力较低水平时骨结合界面可保持完整。 (三)骨组织界面的应力-应变控制当殆力过大或咬合接触过于频繁（如夜磨牙）不能加以控制时，种植固定义齿将面临巨大的失败风险。即使种植体已形成骨结合，但在远期也极有可能出现继发性的骨结合破坏，从而导致种植体的松动或脱落：此外，种植体周围的骨板受到过大的应力，也会发生破坏性的微折裂或改建吸收，从而造成从种植体颈部开始的骨裂隙和螺纹暴露。因此，对于某牙槽骨密度过低、骨板菲薄、咬合副功能的病例，有必要通过各种手段控制骨结合结合界面的应力-应变。 1.种植体应力的调控对于每一个病例，都需要充分了解患者面临的殆力风险因素，通过精细的治疗设计才能对种植体-骨组织界面的应力大小作出个性化调控。种植体的外形设计、型号、数目、植入角度等因素均会对种植体-骨组织的应力产生影响。例如，通过增加种植体的直径、数目，均能通过增大承担矜力的表面积，起到提高功能性横截面，分散减小应力的作用。 (1)种植体外形设计的优化种植体表面的外形轮廓设计，可通过调整承担功能性负荷的面积大小和应力传导方向，对种植体-骨界面的应力产生显著的影响。种植体表面外形轮廓的设计原则，是基于生物力学原理在保证种植体机械强度的前提下寻求更优化的应力分散，并将殆力均匀地传递至周围骨组织：同时，合理控制对种植体危害程度大的张力和剪切力，保障种植体-骨结合界面的稳定和安全。在沿种植体长轴的垂直向殆力作用下，光滑柱状（无螺纹结构）种植体-骨界面会产生较大的剪切力。而种植体表面螺纹结构的存在，则可将部分的剪切力转化为压应力。在单一的轴向殆力作用下，种植体的螺纹结构会在种植体-骨界面产生不同的矢量分力，从而对骨小梁产生向下或向外的压应力。矢量分力的转

8 骨松质骨的弹性模量不足 1.5~4GPa。由于牙槽骨与纯钛种植体之间的弹性模量差异如此之大，当种植体所受应力、频率或持续时间增大到一定范围时，二者内部的应变也将愈发悬殊，种植体-骨结合界面在微观结构上的生物、机械完整性也将受到不可逆的损害（如：骨小梁的微折裂），直至影响到种植体在颌骨内的稳定性。相反，当种植体受到的应力下降时，种植体-骨结合界面损害的后果也将会弱化，即在应力较低水平时骨结合界面可保持完整。（三）骨组织界面的应力-应变控制当牙合力过大或咬合接触过于频繁（如夜磨牙）不能加以控制时，种植固定义齿将面临巨大的失败风险。即使种植体已形成骨结合，但在远期也极有可能出现继发性的骨结合破坏，从而导致种植体的松动或脱落；此外，种植体周围的骨板受到过大的应力，也会发生破坏性的微折裂或改建吸收，从而造成从种植体颈部开始的骨裂隙和螺纹暴露。因此，对于某牙槽骨密度过低、骨板菲薄、咬合副功能的病例，有必要通过各种手段控制骨结合结合界面的应力-应变。 1. 种植体应力的调控对于每一个病例，都需要充分了解患者面临的牙合力风险因素，通过精细的治疗设计才能对种植体-骨组织界面的应力大小作出个性化调控。种植体的外形设计、型号、数目、植入角度等因素均会对种植体-骨组织的应力产生影响。例如，通过增加种植体的直径、数目，均能通过增大承担牙合力的表面积，起到提高功能性横截面，分散减小应力的作用。（1）种植体外形设计的优化种植体表面的外形轮廓设计，可通过调整承担功能性负荷的面积大小和应力传导方向，对种植体-骨界面的应力产生显著的影响。种植体表面外形轮廓的设计原则，是基于生物力学原理在保证种植体机械强度的前提下寻求更优化的应力分散，并将牙合力均匀地传递至周围骨组织；同时，合理控制对种植体危害程度大的张力和剪切力，保障种植体-骨结合界面的稳定和安全。在沿种植体长轴的垂直向牙合力作用下，光滑柱状（无螺纹结构）种植体-骨界面会产生较大的剪切力。而种植体表面螺纹结构的存在，则可将部分的剪切力转化为压应力。在单一的轴向牙合力作用下，种植体的螺纹结构会在种植体-骨界面产生不同的矢量分力，从而对骨小梁产生向下或向外的压应力。矢量分力的转

化情况与种植体螺纹的外形设计密切相关。原则上螺纹之间的螺距越小、螺纹深度越深，所转化的压应力也越大。此外，种植体表面的粗化处理一方面可增大骨结合界面的微观表面积，提高抵抗张应力和及剪切力的能力，另一方面则以微纳米尺度的凹凸表面结构，进增加剪切力向压应力的转化。 (2)上部修复体的设计种植上部修复体的设计也会对骨内应力大小产生影响。虽然这无法降低殆力的大小，但可以通过减少悬臂梁长度、采用应力中断装置、降低侧向力及冠高度等方法，降低种植体-骨界面所受的应力大小。此外，通过让患者佩戴夜间咬合垫（降低夜间副功能活动）、采用可降低咬合冲击力的修复材料、采用夜间可摘取的种植覆盖义齿等方法，也可进一步降低种植体-骨组织界面因长时间、大殆力负荷受到的应力破坏。 2.提高牙槽骨质量首先可通过临床手段，可以提高局部的牙槽骨质量，从而更好地分散骨组织内的应力。通过拔牙窝位点保存、骨挤压术等方式，可以提高种植位点的骨小梁直径和密度，提高骨组织的弹性模量。其次，通过牙槽骨增量手术，可以明显增加种植体周围的骨板厚度和质量，从而使应力能够更好地分散传递到周围的骨组织中，使单位体积骨组织受到的应力减小。此外，Misch建议在种植义齿修复初期可采用过渡性树脂修复体，在殆力渐进性增大的刺激下，种植体-骨界面的改建会逐渐成熟从而提高了种植体周围骨的质量，最后再使用永久性修复材料。这一概念被称为渐进性负荷(progressive load)。 3.降低种植体弹性模量通过材料学方法，可以降低种植体或种植体表面的弹性模量。如利用低弹性模量的钛合金、多孔钽、氧化锆陶瓷、聚醚醚酮等，作为种植体的主体或表面材料，可使种植体与周围骨组织的弹性模量相近。在相同的殆力作用下，弹性模量相近的二者间发生形变的差异会相对减小，因而更有利于种植体骨结合界面的稳定性。二.骨组织的冲击负荷当两个物体快速发生碰撞时，由于动量的损失会产生较大的反作用力，这种

9 化情况与种植体螺纹的外形设计密切相关。原则上螺纹之间的螺距越小、螺纹深度越深，所转化的压应力也越大。此外，种植体表面的粗化处理一方面可增大骨结合界面的微观表面积，提高抵抗张应力和及剪切力的能力，另一方面则以微纳米尺度的凹凸表面结构，进一增加剪切力向压应力的转化。（2）上部修复体的设计种植上部修复体的设计也会对骨内应力大小产生影响。虽然这无法降低牙合力的大小，但可以通过减少悬臂梁长度、采用应力中断装置、降低侧向力及冠高度等方法，降低种植体-骨界面所受的应力大小。此外，通过让患者佩戴夜间咬合垫（降低夜间副功能活动）、釆用可降低咬合冲击力的修复材料、采用夜间可摘取的种植覆盖义齿等方法，也可进一步降低种植体-骨组织界面因长时间、大牙合力负荷受到的应力破坏。 2. 提高牙槽骨质量首先可通过临床手段，可以提高局部的牙槽骨质量，从而更好地分散骨组织内的应力。通过拔牙窝位点保存、骨挤压术等方式，可以提高种植位点的骨小梁直径和密度，提高骨组织的弹性模量。其次，通过牙槽骨增量手术，可以明显增加种植体周围的骨板厚度和质量，从而使应力能够更好地分散传递到周围的骨组织中，使单位体积骨组织受到的应力减小。此外，Misch 建议在种植义齿修复初期可采用过渡性树脂修复体，在牙合力渐进性增大的刺激下，种植体-骨界面的改建会逐渐成熟从而提高了种植体周围骨的质量，最后再使用永久性修复材料。这一概念被称为渐进性负荷（progressive load）。 3. 降低种植体弹性模量通过材料学方法，可以降低种植体或种植体表面的弹性模量。如利用低弹性模量的钛合金、多孔钽、氧化锆陶瓷、聚醚醚酮等，作为种植体的主体或表面材料，可使种植体与周围骨组织的弹性模量相近。在相同的牙合力作用下，弹性模量相近的二者间发生形变的差异会相对减小，因而更有利于种植体骨结合界面的稳定性。二．骨组织的冲击负荷当两个物体快速发生碰撞时，由于动量的损失会产生较大的反作用力，这种

相撞产生的力称为冲击负荷。按照经典力学中的动量定理，物体所施与的冲量(1， impulse)等于它动量(P=mv,m质量，v速度)的损耗(I=P-P)。与动量代表状态量不同，冲量表述了对物体作用一段时间后积累效应的物理量(I=Ft,F 力，t时间)。因此，若冲击发生后两物体之间相对速度降为0，则冲击造成的力（即冲击负荷）等于运动物体的初始动量(PV)除以冲撞过程的总时间 (t),即F=mN/t。在矜力的瞬时载荷作用下，上部修复体、种植体以及种植体-骨界面均会受到一定程度的冲击负荷。而上述不同组件之间刚度（或韧性）的差异，导致整个种植体系统对抗冲击负荷产生不同的力学响应。组件的表面刚度越大，则冲撞时间越短，冲击负荷越大：而冲击负荷越大，种植体、桥体失败风险越大，骨组织发生微折裂的风险越高。此外，种植体一骨界面因缺少天然牙周组织的缓冲，在咬合冲击下会产生较大的应力集中。殆面材料发生崩裂是以天然牙为基牙的固定义齿一个显著的并发症，而种植义齿发生牙冠殆面崩瓷的发生率更高(30%)。而种植覆盖义齿因为牙龈组织和附着体材料的弹性较好，所以产生的冲击负荷也较小。因此，医生和口腔技师会根据需要采用各种方法降低冲击负荷对种植义齿的危害。Skalak认为种植体上部修复体的制作应采用树脂材料，而有的种植系统采用“内部活动组件”来降低种植系统刚度的特殊设计，也可降低冲击负荷的危害。三.种植体的力矩负荷作用于物体某一点的力矩(torque),会使其产生围绕转动轴或支点发生旋转或弯曲变形的运动或趋势。力矩(M)是矢量，力的方向引申为作用线。力矩大小的计算公式为：M=F(作用力)×L(力臂，从力的作用点到力的作用线的垂直距离)（图6.3）。力矩负荷又被称为转矩负荷或扭矩负荷，它对种植体的危害比较大。在种植义齿的三维坐标轴中，围绕垂直向、颊舌向、近远中向的主轴共有六种力矩/旋转模式（图6.4）。这些力矩负荷会在种植体颈部的牙槽嵴处产生应力集中和微小的扭屈形变，从而导致边缘骨吸收，也可能导致修复体脱位、结构断裂甚至种植体的松动或失败。在口腔种植中，有三种形式的力臂（图6.5）：① 义齿的牙冠高度：②修复体的悬臂梁长度：③牙冠的殆面宽度（近远中/颊舌

10 相撞产生的力称为冲击负荷。按照经典力学中的动量定理，物体所施与的冲量（I， impulse）等于它动量（P=mv，m 质量，v 速度）的损耗（I=P 末-P 初）。与动量代表状态量不同，冲量表述了对物体作用一段时间后积累效应的物理量（I=Ft，F 力，t 时间）。因此，若冲击发生后两物体之间相对速度降为 0，则冲击造成的力（即冲击负荷）等于运动物体的初始动量（P 初=mV 初）除以冲撞过程的总时间（t），即 F= mV 初/t。在牙合力的瞬时载荷作用下，上部修复体、种植体以及种植体-骨界面均会受到一定程度的冲击负荷。而上述不同组件之间刚度（或韧性）的差异, 导致整个种植体系统对抗冲击负荷产生不同的力学响应。组件的表面刚度越大，则冲撞时间越短，冲击负荷越大；而冲击负荷越大，种植体、桥体失败风险越大，骨组织发生微折裂的风险越高。此外，种植体-骨界面因缺少天然牙周组织的缓冲，在咬合冲击下会产生较大的应力集中。牙合面材料发生崩裂是以天然牙为基牙的固定义齿一个显著的并发症，而种植义齿发生牙冠牙合面崩瓷的发生率更高（30%）。而种植覆盖义齿因为牙龈组织和附着体材料的弹性较好，所以产生的冲击负荷也较小。因此，医生和口腔技师会根据需要釆用各种方法降低冲击负荷对种植义齿的危害。Skalak 认为种植体上部修复体的制作应釆用树脂材料，而有的种植系统釆用“内部活动组件”来降低种植系统刚度的特殊设计，也可降低冲击负荷的危害。三．种植体的力矩负荷作用于物体某一点的力矩（torque），会使其产生围绕转动轴或支点发生旋转或弯曲变形的运动或趋势。力矩（M）是矢量，力的方向引申为作用线。力矩大小的计算公式为：M=F（作用力）×L（力臂，从力的作用点到力的作用线的垂直距离）（图 6.3）。力矩负荷又被称为转矩负荷或扭矩负荷，它对种植体的危害比较大。在种植义齿的三维坐标轴中，围绕垂直向、颊舌向、近远中向的主轴共有六种力矩/旋转模式（图 6.4）。这些力矩负荷会在种植体颈部的牙槽嵴处产生应力集中和微小的扭屈形变，从而导致边缘骨吸收，也可能导致修复体脱位、结构断裂甚至种植体的松动或失败。在口腔种植中，有三种形式的力臂（图 6.5）：① 义齿的牙冠高度；② 修复体的悬臂梁长度；③ 牙冠的牙合面宽度（近远中/颊舌

重庆医科大学：《种植修复工艺学》课程教学资源（讲义）第六章 种植修复义齿的生物力学

重庆医科大学：《种植修复工艺学》课程教学资源（讲义）第六章种植修复义齿的生物力学