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不同树脂材料修复对楔状缺损牙应力分布的有限元分析

摘    要：目的：分析不同树脂材料修复方法对不同角度楔状缺损牙应力分布的影响。方法：通过锥形束CT扫描取得下颌第1前磨牙原始数据，并建立三组不同角度的楔状缺损三维模型：30°、60°、90°，分别用Z350复合树脂和Z350流体树脂充填缺损部位，加载100 N侧向力进行应力分析。结果：充填治疗后，范式等效(Von Mises)应力峰值明显降低；30°、60°组两种材料充填后Von Mises应力峰值比较，无明显差别；90°组流体树脂充填后Von Mises应力峰值明显高于复合树脂组。结论：通过两种树脂材料充填治疗，缺损处应力集中现象均得到显著改善。当楔状缺损角度为30°、60°时，建议使用Z350流体树脂充填治疗；当楔状缺损角度为90°时，选择Z350复合树脂充填治疗更为理想。
关键词：楔状缺损;有限元法;树脂;
 
楔状缺损是临床最常见的非龋齿性牙体硬组织病变，该病主要是因为患者的牙齿唇颊部硬组织发生缓慢消耗，形成由2个光滑斜面组成的楔形缺损[1]。研究发现，咬合力是导致楔缺产生的重要内在因素[2]。目前，临床上常使用树脂充填修复缺损部位，复合树脂需要分层固化，操作复杂；而流体树脂操作相对简单，密封性较好，但硬度不如复合树脂。本文通过三维有限元法(FEM)建立不同角度楔状缺损模型，分别充填复合树脂和流体树脂后进行受力分析，以期为临床治疗楔状缺损材料的选择提供参考。
材料与方法
选择标本模型1例，来自于下颌第1前磨牙，由于正畸原因该牙齿被拔出，患者对试验知情同意。
纳入标准：(1)下颌单根前磨牙；(2)根尖发育已完成；(3)经显微镜检查，牙体完整，无龋、缺损或隐裂纹；(4)各项牙体测量值均在王慧芸[3]统计的恒牙牙体测量值范围内。
方法：(1)建立三维FEM模型：对样本牙作石蜡包埋处理后，进行锥形束CT(CBCT)扫描，扫描平面与牙体长轴垂直，自牙尖向牙根方向连续横断扫描，层厚间距27μm，将断层图像导入Mimics 16.0医学图像处理软件中进行几何重建，将数据导入UG软件，初步获得下颌第1前磨牙三维实体模型。(2)模型分组：在上述模型的颈部颊侧距牙体表面1 mm，在釉牙本质界下缘模拟不同夹角的楔状缺损，分为30°、60°、90°组。每组分别模拟用Z350流体树脂和Z350复合树脂充填。试验假设、边界条件和参数设定：模型中各部件均假设为连续、均质、各向同性的线弹性材料。边界约束条件设定为牙根周围完全约束，限定水平和垂直方向均无位移，各解剖结构之间假设为固定接触。试验材料力学特性参数见表1。(3)加载条件：模型加载部位在牙齿的颊尖顶偏颊面，载荷方向与牙体长轴呈30°，载荷为100 N[6]。
表1 主要力学材料力学特性参数
观察指标：(1)侧向力作用下不同角度缺损模型Von Mises应力分布；不同树脂材料充填治疗后Von Mises应力分布。(2)应力分析及结果输出：应用Ansys Workbench 2020R1软件完成对三维模型的运算分析。
结果
侧向力作用下不同角度缺损模型Von Mises应力分布：正常牙受到侧向力作用时Von Mises应力峰值位于牙根舌侧，产生不同角度缺损后，Von Mises应力峰值均位于颈部缺损处；在侧向力作用下，各组Von Mises应力峰值为84.429 MPa(30°组)、87.452 MPa(60°组)、168.59 MPa(90°组)。见图1。
图1 侧向力作用下不同角度缺损模型Von Mises应力分布
不同树脂材料充填治疗后Von Mises应力分布：不同角度缺损牙分别用两种树脂材料充填后，Von Mises应力分布如图2。充填后Von Mises应力峰值均小于未充填组；各组复合树脂充填后，Von Mises应力峰值均低于用流体树脂充填组；30°、60°组两种材料充填后Von Mises应力峰值无明显差别，90°组流体树脂充填后Von Mises应力峰值明显高于复合树脂组。见表2。
图2 不同树脂材料充填治疗后Von Mises应力分布 
表2 侧向力加载下Von Mises应力峰值(MPa)
讨论
近年来，楔状缺损发病率越来越高，尤其在老年人群中常伴有牙龈退缩的现象。牙龈退缩可使釉牙骨质界暴露，而此处结构比较薄弱，易受到应力、酸蚀或刷牙作用而破坏，牙体组织内部出现微小裂纹，抗机械磨耗和抗化学腐蚀能力大大降低，长期机械和化学作用下可能导致牙釉质和牙本质的损伤[7]。若不及时治疗楔状缺损，会引起牙齿敏感，进一步发展为牙髓炎、根尖周炎、根尖周囊肿等严重疾病。研究发现，楔状缺损治疗的长期效果不仅与患者的年龄、牙位、咬合因素有关，还和充填材料的种类有紧密联系[8]。口腔中常见用于充填牙齿的材料是树脂类材料，是一种有机高分子材料，广泛用于直接和间接修复。应用树脂修复具有操作方便、物理机械性能良好兼具美观性和安全性等优点。临床上常用于修复牙齿楔状缺损的树脂材料为复合树脂类材料和流体树脂材料。复合树脂类材料无机填料多，机械强度大，固化时体积收缩可能会引起微渗漏。流体树脂充填材料具有低黏度、流动性良好的特点，树脂基质中无机填料含量更少，与传统复合树脂相比，更容易进入缺损底部的窄沟处，消灭充填死角，密封性好，微渗漏发生率低，同时具有良好的操作性，但弹性模量较复合树脂低。目前，临床上对流体树脂充填楔状缺损远期效果存在争议。
FEM是一种高效且常用的数值计算方法。在科学计算领域，往往需要求解各种微分方程，而很多微分方程的解析很难得到。使用FEM方法对微分方程进行离散化后，可以编写程序并使用计算机辅助求解。FEM是将连续体离散成有限单元，通过研究每个单元的力学性质，获得整个连续体力学性质的力学研究方法[9]。可以模拟各种不同性质的组织结构，处理数量不受限制的各种类型的边界条件，能模拟不同方向力的作用，反应受力物体内部应力的变化，在口腔生物力学领域中得到了广泛的应用。Von Mises应力反映的是材料内部各点的综合应力，往往用来作为固体材料的区分准则，提示破坏常会发生的位置[10,11]。应力云图中不同颜色代表不同的应力值，由蓝到红应力值逐渐增大，可以直观地观察不同楔状缺损修复前后应力分布情况。
本研究通过建立下颌第1前磨牙颊侧颈部不同角度楔状缺损模型，分别充填Z350复合树脂和Z350流体树脂材料后进行侧向施力，FEM分析结果提示两种树脂材料充填后均能减少颈部应力集中[12]。复合树脂充填后，Von Mises应力峰值低于用流体树脂充填组，可能是由于复合树脂的弹性模量更接近牙本质。30°、60°组两种材料充填后Von Mises应力峰值无明显差别，而流体树脂操作更简单，封闭性更好，因此建议30°、60°楔状缺损选用Z350流体树脂充填。临床研究显示，流体树脂有较高的临床保存率和良好的临床效果[13]。当缺损角度为90°时，流体树脂充填后Von Mises应力峰值明显高于复合树脂，因此选择Z350复合树脂能减小充填体发生损坏脱落的可能。
总之，楔状缺牙体损经树脂充填后能明显改善应力集中的现象。本研究采用的静态恒力加载只能一定程度模拟牙齿咬合受力情况，但口腔结构和生物力学性能较为复杂，且材料的应力疲劳以及口腔温度环境变化等问题也会对修复体产生不良影响。本文可靠性还需要与体外试验进行进一步验证，临床实践中仍需根据患牙具体情况进行合理选择。

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