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1、纤维桩冠修复上前牙桩的力学分析作者：张洁，牟永斌,张栋华,李斌,张红【摘要】目的:采用三维有限元方法研究聚乙烯纤维树脂核桩冠在修复上颌中切牙时桩的受力情况。方法:螺旋CT机扫描正常人上颌中切牙,处理数据确定牙外周轮廓,获得边界坐标数据。将数据导入ANSYS中得到牙体的三维有限元模型。进行模型整体网格划分,在加载区域施加100MPa外部静荷载,固定桩长,设定桩顶端直径为3.0、2.0、1.5和1.2mm,分别计算桩唇、腭侧VonMises应力并分析其变化趋势。结果:桩直径为3.0mm时,距桩尖6.0mm以上截面
2、处VonMises应力明显大于桩直径为2.0mm及以下桩径组。结论:聚乙烯纤维桩桩冠修复上颌中切牙时,桩径应小于2.0mm,此时桩各部位受力较小。【关键词】三维有限元;聚乙烯纤维树脂桩;VonMises应力纤维桩作为一种非金属桩用于残根残冠桩核修复的材料具有适当的弹性模量、屈服强度及良好的抗腐蚀、抗疲劳性能,此外,其颜色类似牙体组织,已被广泛应用于口腔修复治疗中。本研究采用三维有限元方法,设计不同直径桩核模型,分析、比较不同直径、不同位置桩的受力情况,探讨纤维桩冠修复上前牙后,桩在牙体组织中不同部位的受力及变
3、化趋势,对桩冠修复中桩的优化设计提供理论参考。9 1资料与方法 1.1资料 选择一名牙齿正常的志愿者,牙齿尺寸符合牙体解剖资料标准[1],要求其上颌中切牙的大小及形态正常,完整无缺损,排列在牙弓的正常位置。采用螺旋CT机(SomatomSenation64层螺旋CT机,西门子公司,德国)扫描,志愿者取仰卧位,尽可能使扫描断面与牙体长轴垂直,球管电流与电压分别为330mA/120kV。扫描层间距为0.5mm,厚度为0.2mm。 1.2使用CT工作站进行图像处理 将CT图像下载到CT工作站中,通过对图像
4、进行调整处理,最终得到54幅清晰牙体断层图像。刻录光盘并将数据下载到电脑。 1.3每层断面牙周轮廓确定和牙周边界坐标提取 选择上颌中切牙的第2到53层扫描断面为建模范围,采用数字图像处理技术完成图像分割和牙周边缘检测,确定牙周轮廓,获得牙周边界坐标数据(图1)。9 图1上颌中切牙模型 1.4三维有限元模型的建立 将每层断面的牙周边界坐标以数据格式导入ANSYS中得到牙体的三维有限元模型。牙齿模型中,肩台为90°,宽1.0mm,牙本质肩领高2.0mm,根端保留4.0mm牙胶封闭[2]。桩通过轮廓曲线放
5、样生成,固定桩长为12.0mm,桩顶端位于釉牙骨质界处,顶端直径分别为3.0、2.0、1.5和1.2mm,设计锥度1.5°(图2)。 图2上颌中切牙桩冠修复模型 1.5网格划分 对整个牙体的实体模型采用SOLID187单元进行整体网格划分,在加载区域,为便于施加外部荷载,采用SURF154表面单元进行划分,模型中节点数为45万个,单元数为30万个。 1.6荷载及边界条件 根据Robert等[3]的研究,在正常状态下咀嚼力为10～23kg,故静载值选用100N,加载点位于距切端2.0mm处,作用面积为
6、1.09mm2,通过表面单元传递到牙体上,加载方向与牙体长轴方向成60°角,约束边界距离牙体釉牙骨质界下2.0mm区域。 1.7桩核材料的选择 牙体模型中各种组织材料均假设为均质的各项同性弹性材料,在模型计算中,牙冠部分采用烤瓷材料,桩采用聚乙烯纤维树脂材料。牙本质与聚乙烯纤维树脂弹性模量相似,烤瓷全冠弹性模量明显高于牙本质[46]。 2结果 与桩尖的距离不同则唇侧、腭侧VonMises应力不同,距桩尖6mm以下的截面VonMises应力水平较低,且随桩直径大小近似呈直线变化。距离桩尖8mm截面处V
7、onMises应力水平低于6mm截面处,距离桩尖10mm截面处VonMises应力最大并高于距离桩尖12mm截面处水平。直径为3.0mm桩距桩尖6mm以上截面处VonMises应力明显大于直径为2.0mm及2.0mm以下桩径组(图3、4)。 3讨论9 纤维桩由聚合物基质包绕连续的纤维组成,纤维沿桩的长轴呈单一方向紧密排列。聚合物基质通常为环氧聚合物,其具有高度的转化性和高度交联的结构,通过赋予所有纤维相同的张力,从而使纤维具有高强度的物理性能[78]。纤维桩的弹性模量与牙本质相似,其对根方牙本质的应力分
8、布更均匀,降低了根折的发生率。当桩折断后,可利用特殊装置成功取出根管内的折断桩[9],从而可以二次修复,有利于保存牙根及牙槽骨的完整性。 有限元分析法广泛应用于生物力学领域,是生物力学研究中的一种重要工具。本研究真实再现了桩核冠修复体的形态结构,分别识别出修复体各部分的边界,提高了所建模型的生物相似性。残冠残根修复时,设计一定高度的箍结构可显著增强牙体抗力,改善牙颈部的应力水平,有效减少根折及核桩
