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佳木斯大学 硕士学位论文

3D打印镍钛合金微种植体支抗的力学和生物性能研究

(资料图片仅供参考)

文章来源：中国知网

研究生姓名：孙子惠

学科(专业)：口腔医学

导师姓名、职称：段峰 副教授

论文答辩日期：2022年5月29日

指导教师：段峰(佳木斯大学口腔医学院)

协助指导教师：王心彧(佳木斯大学口腔医学院)

学习期限：2019年9月至2022年6月

学位授予单位：佳木斯大学

摘 要研究目的

通过有限元分析和体外力学性能测试，研究在不同骨密度下选择个性化设计的螺纹形状、螺纹间距、有无切槽的微种植体稳定性研究。并且通过生物学性能实验，对比钦合金微种植体支抗与弹性模量较低的镍钦合金微种植体支抗在不同加载时间对生物性能的影响，为临床选择施加载荷时机和种植体支抗新材料的选择提供理论基础。

研究方法

结合正交试验，通过有限元分析方法和体外力学测试分别以螺纹形状、 螺距、骨条件、切槽、拔出角为试验因素。每个因素确定四个水平，利用L16（4⁵）正交试验，确定最佳的支抗钉螺纹外形、骨组织情况对支抗钉初始稳定性的影响。选取最 佳螺纹形状植入家兔体内，测量最大植入扭矩、最大旋出扭矩、最大拔出力值，研究不 同的加载时间对镍钛合金和钛合金微种植体支抗稳定性的影响。

研究结果

对比有限元分析方法和体外力学实验的正交试验结果显示，反支撑型螺 纹具有良好的力学性能，可根据具体骨条件，筛选螺纹形状，螺纹间距，最佳螺纹形状是反支撑型螺纹。动物实验结果中表明，镍钛合金种植体支抗与钛合金种植体支抗在初始稳定性测试上无明显差异。不同的加载时间对微种植体稳定性有明显差异。

结论

1.螺纹外形设计、骨组织条件和拉力加载方向与种植体初始稳定性有关。在不同骨条件下，螺距梯度变化的微种植体支抗钉可以提高微种植体初始稳定性。

2.反支撑型螺纹能够提高微种植体稳定性。

3.微种植体的稳定性与所制造的材料无关，与施加载荷时间有关。

关键词

3D打印；微种植体支抗；镍钛合金；钛合金；骨结合

前 言

1945年，Gainsforth和Higley首次使用钴铬合金制作了支抗钉，植入在实验犬下颌升支处以内收尖牙，然而在4周内所有的支抗钉发生松动并脱落[1]。上世纪七十年代，Brånemark[2]教授为永久修复缺失牙，首次提出将种植体植入骨内，并认为金属表面与骨组织能达到直接结合，定义为“骨结合”。

Proffit[3]等对于支抗的定义是：支抗就是阻止不需要的牙齿移动。牛顿的第三定律是支抗的理论基础，作用于两个物体之间的力总是大小相等、方向相反。当需要移动的牙齿收到正畸力时，必然产生作用于提供支抗牙和周围组织的反作用力。因此，如果临床医生缺乏对支抗的了解，采用不当的治疗方式，就会导致提供支抗的牙齿发生移动。

1983年，Creekmore和Eklund第一次成功将钴铬合金微螺钉支抗应用于正畸临床医学，通过患者前鼻棘植入微种植钉，成功治疗了深覆牙合现象。由于当时人们对微螺钉的稳定性还充满怀疑，所以在当时并未被所有正畸医生和学者们所认可。直到1997年，Kanmoi[ 4]等发明了正畸专用微型种植系统再加上不断有学者对整套系统进行完善，微型种植系统才渐渐在正畸临床实践中获 得较好的成效。

助攻型种植支抗是指在植入前先用低速手机（低于1000rpm）预备一个钉道，其直径小于种植体直径，深度比种植体小2～3mm。然后再将种植体旋入其中，这种支抗的制备通常适用于机械强度较低的金属，如钛合金，纯钛等材料，以避免植入过程中发生折断。由于器械反复进入容易造成钉道过大，影响 种植支抗的稳定性，同时，低速手机备洞时易产热过多，影响骨组织稳定，因 此这种材料的缺点也十分明显。自攻型种植支抗是指不需要提前预备钉道，可 以直接旋入手术区域，多适用于机械强度较好的材料，如不锈钢种植支抗。其优点是可以避免助攻型支抗备洞过程中产热过多，缺点是发生折断概率明显高 于助攻型种植支抗。因此可以在皮质骨薄弱的地方植入自攻型种植支抗，如上颌唇侧牙槽嵴。对于皮质骨较厚的地方，如腭部、下颌牙槽嵴、磨牙后区等位置，建议采用助攻型种植支抗，以提高种植支抗的稳定性和成功率。

临床中多数微种植体支抗失败都发生在植入早期，所以微种植体支抗成功的关键在于能否取得良好的初始稳定性。导致微种植体支抗失败的原因有很多：包括支抗钉的直径和植入方式[5,6]、下颌平面角[5]、患者年龄[7]、皮质骨厚度[8]、软组织特点[9]、植入部位[6,9,10]、植入扭矩[7,8]、施加载荷值[6,11]、种植体周围炎症[5,9]以及移动类型[12]等。影响种植体稳定性的因为包括：植入区骨量情况[8,13]、种植区选择[13,14]、植入角度[15]、和微种植体支抗的直径、长度、螺 纹形状、螺纹间距、有无肩台以及制作材料[16-20]等。尽管微种植体在临床中保持相对稳定的位置，但是还是会出现微种植体潜在移位从而侵袭牙根或影响牙周膜健康，因此应该在相对安全的范围内，避免在植入和取出时发生折断，尽可能的降低微种植体的直径和长度[21]。因此，微种植体支抗的直径和长度的选 择都有限制，只有优化微种植体外形形状才能保证微种植体有足够的稳定性。

本项研究通过有限元分析方法和体外力学性能测试，研究在不同骨密度下选择个性化设计的螺纹形状、螺纹间距、有无切槽的微种植体稳定性研究，并且通过生物学性能实验，对比钛合金微种植体支抗与弹性模量较低的镍钛合金微种植体支抗在不同加载 时间对生物性能的影响，以期为正畸治疗微种植支抗设计提供新思路。

文 献 综 述

种植体支抗稳定性研究进展

口腔正畸医生在治疗牙列不齐，拥挤，错牙合等疾病时有多种治疗方案， 但也同时存在着许多不可避免的问题，例如力的来源、方向等。支抗的控制对于大多数正畸治疗计划的成功完成至关重要。正如牛顿第三运动定律首次描述的那样，每种类型的牙齿运动，无论所涉及的（固定或可拆卸）正畸矫治器如何，都会产生相等且相反的反作用力。而在临床上医生都想尽办法来减少这种反作用力所带来的负面影响，锚固（加固）则是其中之一的治疗方法。然而在矫正前牙拥挤时，往往会导致作为支抗的第一磨牙向近中移动。在20世纪时，头帽颏兜被认为是解决这种问题最好的方法，因为它以整个头部作为支抗而不以牙作为受力来源[22]。然而随着患者矫正类型的多样化，这种矫正方式也带来许多的问题，例如它只适用于上颌牙列的矫正并且在垂直方向上的矫治范围也受到限制[23]。

随着现代分子生物学的发展，发现将钛金属植入颌骨中能形成一种相对稳定的结合界面并且这种生物性结合面使得金属能够较好且持久的存在于颌骨中 [24]。在1990年，Roberts及其同伴 [25]通过在下颌骨第二磨牙区域内移植入两颗 金属植入物，成功将下颌第一磨牙向近中方向移动1cm。随后Block和 Hoffman[ 26]设计了一种直径10mm，厚度3mm的羟基磷灰石涂层圆盘 （Onplant），将其放置在垂直骨高度受限的上颚后部的骨膜下，这种手术操作十分复杂，对医生技术要求和患者的配合度要求非常高。因此在1999年， Melsen及其同事[ 27]研发了一种正畸专用的可进行早期负荷的直径1.2mm，长度6mm的钛种植体，称为“Aarhus种植体”，这种微种植体的适用区域较为广泛，如两颗牙根之间。随后，还有学者研究将钛板连接到种植体上，作为正 畸加力的装置[28]。这就是早期种植体支抗的由来，与种植牙的植体不同，微型 螺钉无法实现真正的骨整合，因此在临床上为医生的移除操作提供了便利。基于种植体的此类生物学作用，使用微种植体支抗已经被较为广泛的运用到正畸治疗中。种植体支抗（implant anchorage)的目的是为了增强支抗，将种植体植入颌骨内，与骨组织之间形成部分或全部骨结合，以承受正畸过程中所产生的正畸力。临时支抗装置（temporary anchorage device，TAD）是一门应用在正畸学科，利用骨组织提供支抗前沿技术，得到了医生和患者的广泛认可与接受 [29,30]。TAD的目的是为了增强支抗，其原理主要是临时植入物能与骨组织之间 形成机械固位，或者是产生骨结合后提供固位，此类植入物包括种植体、螺钉 和钛板等[31]。本文对微种植体支抗的效果和稳定性及影响因素进行研究，为后期在临床研究和应用完善微种植体支抗材料和外形设计，降低不稳定因素，提 高微种植体植入的成功率。

1.微种植体支抗

自从1983年第一篇正畸论文描述使用颌面骨螺钉进行正畸支抗以来，已经有近5,000篇论文发表在这个领域上。上世纪60年代，Brånemark等[ 2]通过大量动物实验和临床研究提出：骨组织与钛合金螺钉可产生较为稳定的骨结合。口腔种植体的研发增加了牙列缺损、牙列缺失患者的治疗方案选择，同时也为正畸治疗增强支抗提供了新理念。在传统的正畸治疗方案中，常采用口外弓、颌间牵引、横腭杆、Nance弓、唇挡、舌弓等方法加强支抗，这些装置会增加患者不适，需要患者的高度配合，不利于行使正常的口腔功能，也不利于口腔卫生的维护，最重要的是这些加强支抗的手段难以避免提供支抗的牙齿的移动。传统的加强支抗手段已不能满足正畸治疗对支抗控制的要求，种植体支抗由此产生。在安氏II类错牙合或I类双颌前突的情况下，这种支抗控制变得十分重要。磨牙支抗的丧失不仅会影响前牙唇侧的回缩，还会影响面部整体的垂直高度[32]。应用微型种植体支抗的锚固可以避免出现这些问题。使用微种植体支抗回缩前牙与传统的正畸固定矫治不同，这种不同不仅体现在两种技术之间的固定需求上，还体现在所涉及的生物力学上。因此，当使用传统治疗方法时，力的施加通常平行于咬合平面，正畸医生只需要在一个平面上分析力的方向。然而，由于微种植体支抗通常放置在咬合平面的顶端，植入在根间（微种植体支抗放置的首选位置是第二前磨牙和第一磨牙根间），所以施加的力总是呈一定角度。因此，在开始正畸治疗之前，医生能否准确规划牙齿所需移动量是正畸治疗成功的关键。众所周知，需要关闭的间隙越大就会产生越大的副作用，当使用传统治疗方案时，磨牙向近中移动会占据部分拔牙间隙，影响正畸治疗。有研究表明，与微种植体支抗的锚固相比传统方法在典型拔牙案例中显示出2-3毫米的间隙损失[ 33]。这意味着当使用微种植体支抗闭合间隙时，必须移动更远的距离才能关闭拔牙间隙，前牙会更容易发倾斜和“倾倒”。所以，对于利用骨骼锚固的空间封闭，需要更大程度的控制扭矩。此外，Choi等[ 34]。

研究发现，临床正畸种植体支抗的成功率为83.9%～93.3%，同样， Papadopoulos等[ 35]通过Meta分析发现，微种植体在临床应用的成功率约为 87.7％，而种植修复在治疗天然牙缺失的成功率为95%[ 36]，这是由于很多因素都影响着微种植体临床应用的成功率。

2.微种植体支抗稳定性影响因素

微种植体植入后的稳定性可以分为初始稳定性和长期稳定性。影响初始稳定性的因素有：骨相关因素（骨质、骨量、免疫力、年龄）、种植体设计、植入方式、是否损伤牙根等因素。种植支抗成功的关键是初始稳定性，即支抗钉与骨组织的机械结合[37]。皮质骨厚度是微螺钉植入物成功的重要因素。皮质骨厚度不足常会导致初始稳定性不足。如果在植入时未达到初始稳定性，则微种植体支抗在正畸治疗期间可能会发生松动、移位甚至脱落[38]，影响患者的正畸治疗进程。在皮质骨厚度方面的研究中发现，与厚度大于或等于1mm的皮质骨相比，皮质骨厚度小于1mm时发生微种植体植入失败的可能性更高[ 39,40]。使用有限元模型的数值分析表明，随着皮质骨厚度的增加，微螺钉植入物的偏转移动减小[41]，并且厚度小于1毫米的皮质骨更易受应力的影响，从而导致该区域的骨组织吸收，影响微螺钉的稳定性[42]。Zhao等 [43]也做了相关动物研究，通过对比骨密度、相对骨体积、骨皮质厚度和最大拔出力研究发现发现，成年组均高于青年组，有利于提高微种植体支抗的稳定性，提高种植支抗的成功率。但也有研究发现，在一些皮质骨厚度较厚的样本中，微种植体植入失败率较高，这表明皮质骨厚度应该在一定的范围区间内，而并非皮质骨厚度越大植入效果越好[42,44]。因此决定微种植体支抗稳定性的两个关键因素是皮质骨质量和数量[45]。皮质骨的数量和质量影响微螺钉植入物的长期稳定性，微种植体支抗的失败通常是由于皮质厚度不足导致骨密度偏低[42]。

此外，Ichinohe等[ 46]认为微种植体支抗的初始稳定性主要受微种植体支抗手术植入位置选择、微种植体长度、手术植入时与骨面角度的影响，他认为微种植体支抗植入皮质骨的深度应不小于1.5mm，植入总深度应大于4.5mm。Winsauer等[ 47]认为在选择微种植体手术位置时，植入区域的垂直骨厚度和骨密 度也是重要因素。Hourfar等[ 48]的研究也发现皮质骨厚度大于等于1mm是才能够确保微种植体支抗的初始稳定性。所以骨皮质厚度也是在选择植入位置时必须要考虑的因素。Marquezan等[ 49]认为影响扩弓效果还包括应腭部黏膜厚度，微种植体支抗长度固定的情况下，腭部黏膜越厚，微种植体位于黏膜区域的深 度越深，植入骨组织内的长度就越短，在扩弓器行使功能时，微种植体越容易 发生倾斜、移位和变形。Miyawaki等[ 50]人研究发现，直径为1mm的支抗钉的成功率明显低于直径为1.5mm和2.3mm的支抗钉。在长度方面，Chen等[ 51]人 发现，长度为6mm的支抗钉成功率明显低于8mm支抗钉，6mm的成功率为 72%，8mm成功率为90%。很多学者比较了不同直径和不同长度微种植体支抗初始稳定性的区别，Jiang[ 52]研究发现直径大于1.5mm，长度大于11mm的支抗钉初始稳定性较好，Crismani[ 53]研究发现直径应大于1.2mm，长度应大于8mm。支抗钉的直径和长度的增加，稳定性和成功率也随之增加，但同时也会增加植入过程中造成损失牙根的风险。在临床上，微种植体支抗的尺寸还受到解剖结构的限制，因此还应根据具体位置选择微种植体支抗的尺寸。

有研究表明，支抗钉植入上颌骨的成功率高于下颌骨[54-56]。Lai [57]在一项回顾性研究中发现支抗钉种植成功率，高骨密度区域高于低骨密度区域，I类骨成功率为100%，II类骨成功率为98.7%，III类骨成功率为94.8%，而IV类骨成功率只有68.8%。也有学者认为，I类骨中，骨密度高，血管含量少，植入过程中产热较多，易造成骨坏死，导致失败率增加[58]。在微种植体重复植入方面，有研究发现。自攻型微螺钉重新植入骨组织时，会损伤螺钉尖端和螺纹，降低植入后稳定性，不建议将自攻型微螺钉在临床应用时重复使用[59]。有研究发现，影响初始稳定性的重要因素还包括适当的植入扭矩[60,61]。植入扭矩是指微种植体支抗在植入过程中发生旋转植入时产生的力矩。植入扭矩主要与骨密度、植入深度、植入角度等因素有关。

影响长期稳定性的因素有：施加载荷以及骨整合程度等。在载荷的施加时机方面，Zhang等[ 62]在动物实验中证实，微型种植体支抗植入后4周施加载荷组与植入后即刻加载组相比较，4周后施加载荷组出现较为明显的成骨活动，提高了骨组织与微种植体支抗之间的结合率和微种植体支抗的稳定性。最终得出4周左右的愈合期有利于微种植体支抗的稳定的结论。有学者认为[ 63,64]，载荷方向与种植钉长轴所成角度越小，越能够提高微种植体支抗的稳定性。为保证微种植体植入后的长期稳定性，骨结合是重要的参考因素。有学者研究发现，在微种植体植入早期，微种植体的初始稳定性主要依靠不是还未形成的骨结合，而是皮质骨和种植体界面紧密的机械固定[65]。在大多数临床治疗中，微种植体支抗只作为临时增加支抗的装置，临床医生并不希望植体越骨组织之间产生紧密的骨结合，这是为了方便在治疗完成后能尽量降低损伤的拔除微种植体支抗[62]。

为提高微种植体支抗的成功率，可以通过计算机断层扫描(CT)测量皮质骨厚度[66]，使用CT或CBCT术前评估微螺钉种植体植入区域的骨组织情况，为临床医生提供了重要影像学信息，避免植入过程中造成不必要的损伤。因此在理想情况下，应该对所有适合进行微种植体支抗植入手术的正畸患者进行CT或锥形束计算机断层扫描(CBCT)成像。因为常规的全景、侧位和正面头影测量射线影像学检查无法提供微螺钉放置位置所需的所有信息。侧位头影测量X线片能够准确可靠地术前评估上颌区域的骨量[65-68]，这些区域的骨质量相对较好 [69]，可根据植入部位选择不同长度和直径的微种植体支抗，以适应在颌骨内不同部位的放置。大多数微种植体植入物的螺纹直径范围在1.2毫米至2.0毫米，长度范围为6.0毫米至12.0毫米。在上颌骨区，微种植体支抗常见植入部位包括前鼻棘下方区域、上颚（中腭或旁正中上颚）、颧骨下嵴、上颌结节和牙槽突（颊侧或腭侧）。在下颌骨区，微种植体支抗常见植入部位包括联合或副联合、牙槽突（牙根之间）和磨牙后区[70,71]。微种植体支抗治疗最常见的适应症包括最大程度内收前牙、压低磨牙、推磨牙向后。其他适应症见于在少数病例中[72]。使用微种植体支抗的禁忌症主要有：免疫防御受损、出血性疾病、病理性骨量不足或口腔卫生条件差。乳牙或早期混合牙列的儿童禁用微种植体 支抗[73]。吸烟会对微种植体支抗的成功率产生不利影响[74]，在微种植体植入的预后中应考虑戒烟对微种植体成功率的影响[75]。

3.微种植支抗材质

种植支抗的材质可以分为：金属种植支抗、可降解种植支抗和陶瓷类种植支抗。临床常见的微种植体支抗的金属材料主要是钛合金和医用不锈钢，而钛及钛合金的弹性模量约为110GPa，医用不锈钢的弹性模量约为200GPa，相较于皮质骨（13.7Gpa）和松质骨（骨小梁紧密排列1.37Gpa，骨小梁疏松排列 1.10Gpa）有较大差异[ 76],由于种植体材料与骨组织之间弹性模量不匹配的问题, 导致种植周围骨的“应力屏蔽”效应，造成周围骨萎缩性或创伤性吸收[77]。张杰魁[78]应用有限元分析法研究发现弹性模量在10～27GPa可认为是种植体弹性模量的参考范围。众多学者也在寻找新型口腔植入材料，例如Choi等人[ 79]，研究发现氧化锆微种植体与钛合金微种植体相比，在压缩、拉伸及生物相容测试下，具有良好的初始稳定性和临床适用性。

形状记忆合金（shape memory alloys，SMA）是通过热弹性与马氏体相变及其逆变而具有形状记忆效应（shape memory effect，SME）的由两种以上金 属元素所构成的材料。镍钛合金作为临床运用最广泛的一种形状记忆合金，大多依赖于其超弹性性质，而形状记忆效应多被应用于驱动器和热工领域。这些行为主要取决于转变温度，而转变温度随镍与钛组成百分比而变化。Ti含量越高，相变温度越高，形状记忆效应越显著，而Ni含量越高，相变温度越低， 材料的超弹性性能越好[80]。镍钛合金与人颌骨和牙本质弹性模量较相近，并且镍钛合金孔隙大小、数量、分布都会影响材料的弹性模量。制作生物力学性能更接近颌骨的材料，有助于使种植体所承受的载荷以压应力的形式传递到周围 骨组织中。

总结

实现牙齿矫正的常规方法有许多缺点，在某种程度上，微种植体支抗可以弥补常规方法中的不足。为了能够安全有效的应用微种植体支抗，医生们应该对种植植入技术、植入部位解剖结构有深入了解，因此熟悉植入区域的解剖结构和系统计划手术方案对于避免术后并发症至关重要。希望基于此方面的研究能进一步设计更为合理的微种植体支抗，以便于更好的应用于临床正畸治疗。

英 文 缩 写参 考 文 献（上下滑动可查看详情）

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