下颌平面角影响种植体应力分布的正交实验

下颌平面角影响种植体应力分布的正交实验 邢维斌1，郑淑贤2，杨适宜1，后岷红3 (1天津市公安医院口腔科，天津市  300042；2天津大学机械工程学院，天津市  300350；3天津市第四中心医院口腔科，天津市  300242) 引用本文：邢维斌，郑淑贤，杨适宜，后岷红. 下颌平面角影响种植体应力分布的正交实验[J].中国组织工程研究，2017，21(14):2192-2197. DOI:10.3969/j.issn.2095-4344.2017.14.010    ORCID: 0000-0001-9978-4746(邢维斌) 文章快速阅读： 力学实验、正交实验、数据收集分析 三维建模、Mimics处理、Ansys分析、数据分析 基台夹具设计、种植钉加工、模拟骨密度制作基台 种植钉尺寸、下颌平面角、骨密度 模拟临床研究 有限元分析 实验准备 数据因素采集 文题释义：下颌平面角：是代表垂直骨面型的重要指标，在错牙合畸形的分析、诊断、治疗中占有重要位置。应力分布：物体由于外因(受力、湿度、温度场变化等)而变形时，在物体内各部分之间产生相互作用的内力，以抵抗这种外因的作用，并试图使物体从变形后的位置恢复到变形前的位置。在所考察的截面某一点单位面积上的内力称为应力。同截面垂直的称为正应力或法向应力，同截面相切的称为剪应力或切应力。摘要背景：在临床实践中发现，根据患者下颌平面角选择不同规格的种植体，其长期成功率有所不同，因此有理由设想下颌平面角角度会影响下颌种植体的应力分布，进而影响种植成功率。目的：从下颌平面角角度、下颌骨骨密度以及种植体规格3方面因素对下颌第一磨牙种植体应力分布的力学特性进行正交实验与分析，重点考察下颌平面角对下颌种植体的应力影响规律。方法：针对种植体力学特性问题，此次正交实验涉及3个因素，在影响因素方面确定下颌平面角、种植钉直径、骨密度类型这3个因素，每个因素分别对应3个水平，其中下颌平面角角度分别为14°、22°、34°，种植体直径分别为6.6，8.2，9.6 mm，骨密度类型分别为Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类。根据正交表L9(33)方案将种植体模型植入牙槽骨模型。将不同种植复合体置于力学压力实验机上，压力大小为500 N，其受力结果由应变(应力)数据采集仪进行实时采集。 结果与结论：最优参数组合为：下颌平面角为低角，种植体直径为4.8 mm，下颌骨骨密度为Ⅱ型骨。各个因素的主次关系：种植体直径>下颌平面角角度>骨密度。结果表明，下颌平面角角度对种植体的稳固有一定的影响，在同样咬合力的情况下，高角种植体所受应力最大，其次是均角，低角最小。关键词：生物材料；口腔生物材料；下颌平面角；种植复合体；应力分布主题词：下颌骨；牙种植体；牙应力分析；组织工程基金资助：天津市公安局科技资金资助项目(2012KYSGAY022)Orthogonal experimental research on the impacts of mandibular plane angle to the stress distribution of dental implants Xing Wei-bin1, Zheng Shu-xian2, Yang Shi-yi1, Hou Min-hong3 (1Department of Stomatology, Tianjin Public Security Hospital, Tianjin 300042, China; 2School of Mechanical Engineering, Tianjin University, Tianjin 300350, China; 3Department of Stomatology, Fourth Central Hospital of Tianjin, Tianjin 300242, China) 邢维斌，男，1967年生，天津市人，汉族，副主任医师，主要从事口腔种植学研究。 中图分类号:R318 文献标识码:A 文章编号:2095-4344 (2017)14-02192-06 稿件接受：2017-04-11 Xing Wei-bin, Associate chief physician, Department of Stomatology, Tianjin Public Security Hospital, Tianjin 300042, China Abstract BACKGROUND: In clinical practice, the selection of dental implants with different specifications is based on the patient’ s mandibular plane angle, and the long-term success rate is different in dental implants with different specifications. Therefore, it is reasonable to assume that the mandibular plane angle could affect the mandibular stress distribution of dental implants, thus affecting the success rate of dental implantation. OBJECTIVE: To perform an orthogonal experimental study on the mechanical effects of different implant specifications, mandibular plane angles and mandibular bone densities on stress distribution of the first mandibular molar implants. METHODS: A L9(33) orthogonal experiment was designed with 3 three-level factors, including mandibular plane angle (14°, 22°, 34°), implant diameter (6.6, 8.2, 9.6 mm), and mandibular bone density (types II, III, IV). Different dental implants with different combinations were implanted into an alveolar bone model, and placed onto a pressure testing machine under 500 N load. Then, strain (stress) data were collected in real-time and analyzed. RESULTS AND CONCLUSION: The optimal combination was as follows: low angle; 4.8 mm in diameter; mandibular bone with type II bone density. The relations of all the three factors were the diameter of dental implant > the mandibular plane angle > mandibular bone density. To conclude, the mandibular plane angle has some certain influences on the stability of dental implants. If the biting force is the same, dental implant bears the largest stress under the high angle, subsequently followed by the average angle and the low angle. Subject headings: Mandible; Dental Implants; Dental Stress Analysis; Tissue Engineering Funding: the Scientific Research Fund of Tianjin Public Security Bureau, No. 2012KYSGAY022 Cite this article: Xing WB, Zheng SX, Yang SY, Hou MH. Orthogonal experimental research on the impacts of mandibular plane angle to the stress distribution of dental implants. Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu. 2017;21(14):2192-2197. 0  引言  Introduction 在临床实践中发现，根据患者下颌平面角选择不同规格的种植体，其长期成功率有所不同，因此有理由设想下颌平面角角度会影响下颌种植体的应力分布，进而影响种植成功率。正交实验设计方法是研究多因素多水平的一种设计方法，它是根据正交性从全面实验中挑选出部分有代表性的点进行实验。 实验从下颌平面角角度、下颌骨骨密度以及种植体规格3方面因素对种植体应力分布的力学特性进行正交实验与分析，重点考察下颌平面角对下颌种植体的应力影响规律，从而为临床种植修复提供指导。 种植牙因具有不损伤邻牙，咀嚼效率高，美观舒适等优点，在临床上应用越来越广泛。由于存在种植义齿脱落，种植体松动、折断等现象，因此对种植体做出准确的应力分布研究具有重大意义。文章首次提出下颌平面角对种植体应力分布的影响，并采用了力学实验与有限元分析相结合的方法，对比力学实验结果和有限元分析结果，分析不同下颌平面角、不同规格种植体、不同骨密度等因素对种植体应力分布的影响，为临床应用提供重要依据。 1  材料和方法  Materials and methods 1.1  设计  力学实验和有限元分析。 1.2  时间及地点  实验于2015年10月至2016年12月在天津大学机械工程学院实验室完成。 1.3  材料  实验对象为不同下颌平面角角度、不同下颌骨密度以及不同种植体规格的9个种植复合体模型。主要实验仪器为CSS-44001型电子万能实验机(机械工业部长春实验机研究所)；YE2537型静态应变仪(江苏联能电子技术有限公司)；实验夹具采用自行设计的可旋转夹具，并在要求角度部位钻孔安装角度轴，当加载压力时由中轴以及圆盘轨道承载压力，由角度轴确定位置。实验夹具如图1所示。 1.4  方法 1.4.1  确定实验因素值  在临床上采集3种不同下颌平面角CT数据，测量下颌平面角角度分别为14°、22°、34°，如图2所示。由于ITI?公司生产的直径为3.3，4.1，4.8 mm的常规种植体体积较小无法满足实验要求，故根据线性放大原理按1︰2比例放大，确定种植体实验直径为6.6，8.2，9.6 mm；颌骨骨密度分为4种类型，临床上Ⅰ类骨所占比例极少，故选取Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类骨作为实验对象[1-2]。