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作者：
Jun Morita （日）
牙科诊所
Masahiro Wada（日）
Tomoaki Mameno（日）
Yoshinobu Maeda（日）
Kazunori Ikebe（日）
日本大阪大学牙科学院修复科、老年齿科和口腔康复科
研究背景：过度的咬合负担是导致种植失败的主要病理因素。在临床病例中，施加在种植体上的力取决于其与对侧牙齿的位置关系。然而，目前没有研究阐明这种差异与机械并发症之间的关系。
牙齿拔除后，牙槽骨会发生不可避免的吸收。由于拔牙前炎症程度、拔牙窝周围骨的厚度和质量以及拔牙造成的骨损伤不同，拔牙后牙槽嵴的形态多种多样。这种多样性导致上下颌间在颊舌向位置和牙槽嵴间的垂直距离存在较大差异。近几十年来，种植体支持的修复体得到了越来越多的应用，据报道，由于种植体材料和形状、表面特征和手术方案的进步，种植体的留存率在5年内几乎达到100%。换句话说，如果治疗时考虑到患者全身/局部条件、使用适当的材料和手术程序以及完成定期维护，那么种植体失败就将变得极为罕见。然而，据报道，修复体的机械并发症（如基台螺丝或基台松动或断裂或饰面材料的倾斜或破裂）的发生率随着使用时间的延长而增加。根据系统综述，单颗种植体支持的修复体5年后的机械并发症超过25%。因此，上部结构的长期稳定性对种植治疗的成功也很重要。Esposito等人报告，咬合过度负载是导致种植体失败的主要病理因素。当与对颌牙的位置相比，牙槽嵴的颊舌向位置不佳和/或垂直距离过大时，种植体支持的修复体会受到较大的咬合负担。这是因为，当加载的矢量离种植体轴的距离增大时，种植体受到的弯矩会显著增加。然而，目前没有临床病例研究阐明这种差异与机械并发症之间的关系。本研究的目的是调查临床病例中，在不同的剩余牙槽嵴与对颌牙之间的颊舌向偏差和垂直距离条件下，种植体周围的机械应力。结合考虑与对颌牙的不同位置关系，使用有限元模型（FEM，Finite Element Model）检验种植体的理想植入位置。
参与者
这项研究的重点是下颌第一磨牙，这是最常见的单颗牙种植修复的位置。研究人群为下颌第一磨牙缺失、且对颌牙为天然上颌第一磨牙的患者，他们于2007年6月至2009年8月在私人牙科诊所接受种植治疗。对颌第一磨牙患有严重牙周病，或明显移位位于牙列以外的患者被排除。在种植体植入前，对所有患者均使用3DX多图像显微CT FDP（森田公司，日本）进行锥束计算机断层扫描（CBCT），CT的管电流时间为52.5 mA，管电压为80 kVp，投照时患者的𬌗平面平行于地面。本研究方案得到大阪大学牙科学院伦理委员会批准（H21-E8）。每项临床研究都根据《赫尔辛基宣言》规定的原则进行。
试验1
试验1的目的是通过种植治疗诊断成像评估临床病例中剩余牙槽嵴与对颌牙之间不同的颊舌向位置差异和不同的垂直距离高度。测量时使用垂直于牙弓的横断面CBCT图像，该牙弓穿过上颌第一磨牙的近远中向的中点。测量下颌第一磨牙区余留牙槽嵴与上颌第一磨牙咬合面之间的水平距离和垂直距离（图1）。测量时，上颌第一磨牙的参考点（A点）被定义为咬合面颊腭侧的中点。当使用直径为4 mm的种植体时，种植体颈部周围的骨宽度至少需要6 mm，以保持其周围1 mm完整的骨组织。点B被定义为使用CBCT冠状位图像在咬合侧测量的6 mm骨宽的颊舌中点。然后，测量A点和B点之间的水平和垂直距离。
对照组选择对象的是对颌牙位天然下颌第一磨牙的患者。对于对照组患者，则测量了上颌第一磨牙（点A）和下颌第一磨牙（点B’）咬合面颊舌向中心点之间的水平距离（图2）。首先，测量实验组和对照组的水平距离(A-B，A-B’)，并测量实验组中的垂直距离差异（A-B），并以直方图的形式记录。然后，通过配对t检验将上颌第一磨牙与下颌剩余牙槽嵴之间的水平距离（A-B）与上颌第一磨牙与下颌第一磨牙之间的距离（A-B‘）进行比较。接下来，使用t检验和Pearson相关系数检验，评估上颌第一磨牙和下颌余留牙槽嵴之间的水平距离（A-B）与性别和年龄的相关性。
实验2
实验2的目的是在不同水平和垂直距离条件下，使用三维有限元方法分析轴垂直于咬合平面的种植体和基台的应力分布。
三维有限元模型
根据实验1（图3）的方法，在垂直线上每隔2 mm测量一次下颌骨的颊侧和舌侧形状。
随后，以这种方法确定下颌第一磨牙区下颌骨的平均形态。接下来，招募一名下颌第一磨牙区域的骨形态与平均形态相近的患者（女性，53岁）。在解释本研究的目的并获得她同意后，使用螺旋CT扫描仪（SOMATOM® Definition Flash AS，西门子公司，德国）进行计算机断层扫描（CT），其中管电流时间为270 mA，管电压为120 kVp。同样，在下颌第一磨牙区域植入一颗内连接的骨水平种植体（SCREW-LINE implant，直径3.8 mm，长度11 mm，CAMLOG公司，瑞士），并放置基台（标准直基台，直径3.8 mm，GH 1.5，CAMLOG公司）和IV级金合金冠修复体，随后用螺旋CT进行扫描成像。使用计算机程序（Mechanical Finder 6.0版，日本计算力学研究中心）用CT扫描图像构建三维有限元模型（图4）。在三维有限元模型中设置以下特性：
• 种植体植入时垂直于咬合平面；
• 通过基台螺丝将基台固定在种植体内；
• 冠修复体通过粘接固位固定在基台上且没有粘接层厚度；
• 为了解种植体与基台连接处的力学行为，将种植体与基台之间的计算流体力学设置为滑动边界条件。同时，其他条件（下颌骨和种植体之间、种植体和基台固位螺丝之间、基台固位螺丝和基台之间、基台和牙冠之间）被设置为无滑移边界条件（图5）。
总的来说，在A点和B点之间的水平（HM或HL2）和垂直（VM或VL2）差异的组合中构建了四个三维有限元模型（图6）。HM具有水平距离的平均位置（B点位于A点舌侧1.5 mm处），HL2是具有2倍标准差（6.1 mm）的舌侧水平位置。同样，A点和B点之间的平均垂直距离为11.6 mm（VM），2倍标准差的垂直距离为17.2 mm（VL2）。
约束和负重条件
下颌骨下缘的运动受到限制。在近中颊尖处设置一个负重点（从A点开始，颊侧2 mm，近中2 mm）（图7）。施加120 N轴向压力，以模拟正常咀嚼过程中第一磨牙上产生的最大力。分别以与咬合平面成90°和60°的角度模拟负重矢量（图8）。
网格生成和材质属性
网格由四面体二次单元生成。种植体、基台和基台固位螺丝的四边形元件数量分别为52085-52414、51325-59546和26055-26242。除骨骼数据使用Keyak公式（表1）进行设置外，按照之前的研究设置每个单元的材料属性。
数据分析
以数字形式生成分析结果，并用颜色编码将其转换为可视结果。比较基台中产生的最大的von Mises应力值。
试验3
试验3的目的是检测使用种植体倾斜植入技术以及角度基台的应用效果。按照种植体垂直与咬合平面植入（垂直植入模型），种植体向颊侧以20°角度倾斜植入（倾斜植入模型）以及种植体垂直与咬合平面植入但使用20°角度基台（角度基台模型）生成三个三维有限元模型，其中下颌骨与上颌骨的位置关系为水平距离位置和垂直距离均为2倍标准差的情况（VL2/HL2）（图9）。其中修复体的牙冠形态均为一致。约束条件、载荷条件、元素和材料常数与实验2中的相关参数相同。将基台产生的Mises等效应力通过三维有限元法进行比较。
试验1
收集并分析123名患者（39名男性，84名女性，平均年龄55.2 ± 11.4岁）的临床资料。下颌第一磨牙咬合面颊舌中心（点B‘）位于上颌第一磨牙舌侧（点A）0.8 ± 1.2 mm处（图10）。余留牙槽嵴的颊舌中心（B点）位于舌侧1.5 ± 2.3 mm处。此外，B点分布更广（从颊侧的4.9 mm到舌侧的7.8 mm）（图11）。同一受试者上颌第一磨牙和下颌余留牙槽嵴之间的水平距离（A-B）显著大于上颌第一磨牙和下颌第一磨牙之间的水平距离（A-B‘）（p = 0.025），下颌余留牙槽嵴位于上颌第一磨牙的舌侧。发现39名男性受试者A和B之间的距离为1.1 ± 2.6 mm，女性（84名受试者）的数据为1.6 ± 2.1 mm，但差异无显著性。水平距离与年龄之间存在弱但具有统计学意义的正相关关系（r = 0.213，p = 0.018）。与仅缺失一颗邻牙（缺失第二前磨牙或第二磨牙）（1.2 ± 2.3 mm）的受试者相比，两颗邻牙均缺失（第二前磨牙和第二磨牙）的受试者A和B之间的水平距离更大（2.0 ± 2.6 mm）。然而，这种差异并不显著（p = 0.058）。
上颌磨牙与下颌骨余留牙槽嵴之间的垂直距离（A-B）广泛分布在5.0至20.0 mm之间，平均值为11.6 ± 2.8 mm（图12）。男性的平均垂直距离为12.2 ± 2.8 mm，女性平均垂直距离为11.3 ± 2.7 mm（p = 0.068）。年龄和垂直距离之间也没有显著关系（r = 0.090，p = 0.320）。两颗邻牙均缺失的受试者的垂直距离（11.8 ± 2.6 mm）大于仅缺失第二前磨牙或第二磨牙的受试者（11.5 ± 2.8 mm），但该差异无显著性（p = 0.559）。上颌与下颌剩余牙槽嵴的水平距离和垂直距离数据间无统计学差异（r = -0.029，p = 0.794）。
试验2
应力集中的位置
在所有负载条件下，颊侧的应力集中在种植体颈部平台区域，舌侧的应力集中在种植体内部与基台连接的顶部。各模型中基台的应力分布如图13所示。此外，90°度负载矢量，垂直距离和水平距离为VM/HM的情况下，在颊舌向截面，并无应力集中的情况出现，且应力值较低（图14）。
在不同垂直距离下的应力分布
与垂直距离和水平距离为VM/HM的情况下进行对比，当垂直距离加大到VL2/HM时，在90°负载矢量下，VL2/HM的von Mises应力增大到1.12倍；在60°负载矢量下von Mises应力增大到1.34倍。
在不同水平距离下的应力分布
与垂直距离和水平距离为VM/HM的情况下进行对比，当水平距离加大到VM/HL2时，在90°负载矢量下，VM/HL2的von Mises应力增大到2.37倍；在60°负载矢量下von Mises应力增大到1.22倍（图15）。
在不同负载条件下的应力分布
与90°负载矢量相比，在60°负载矢量下，每个模型的最大von Mises应力为1.20-2.67倍（图15）。
发生最大应力集中的条件
最大von Mises应力出现在60°负载矢量下，垂直距离和水平距离为VL2/HL2时（图15）。
试验3
应力集中的位置
在所有负载条件下，颊侧的应力集中在种植体颈部平台区域；当咬合负载加载在近中颊尖时，舌侧的应力集中在种植体内部与基台连接的顶部（图16和17）。
种植体倾斜植入和角度基台的效果
在相同垂直和水平距离条件下，与种植体垂直植入时相比，种植体倾斜植入可以在90°负载矢量下减小最大应力的8.4%（图16），并在60°负载矢量下减小最大应力的9.7%（图17）。而当应用角度基台时，与使用直基台情况下相比，在90°负载矢量下减小最大应力的15.7%（图16），并在60°负载矢量下减小最大应力的30%（图17）。
应力分布图显示，与种植体垂直植入的模型相比，种植体倾斜植入的模型中的应力分布更为分散。与种植体倾斜植入的模型相比，使用角度基台可以进一步分散应力（图16和17）。
当由于骨缺损使得患者的下颌余留牙槽嵴与上颌第一磨牙位置相比偏舌侧且垂直距离加大的情况时，与种植体垂直植入和直基台的情况相比，采用种植体20°倾斜植入和直基台可以减少种植体和基台受到的应力。此外，当使用20°角度基台时，种植体和基台受到的应力也会减少。
在这项研究中，通过分析实际患者的数据获得了剩余牙槽嵴和对颌牙之间的位置关系；此外，还进行了详细的三维有限元分析，以确定种植体理想的植入位置和方向。
Pietrokovski和Massler研究表明，当牙齿缺失时，上下颌颌骨颊侧的骨吸收均大于舌侧，因而导致牙槽嵴的整体吸收。他们注意到，当牙齿缺失发生牙槽骨吸收时，在上颌骨和下颌骨中，皮质骨较薄的颊侧的骨吸收大于舌侧的骨吸收。
拔牙后第一磨牙区余留牙槽嵴的中点（种植体植入位置）被认为比天然牙位置更位于舌侧。这与拔牙后颊侧牙槽骨吸收程度高于舌侧的结果一致。然而，相对于天然牙齿咬合面的中心，我们发现下颌牙槽嵴的中心点自颊侧到舌侧广泛分布，表明其存在高度的个体差异。其原因是由于骨吸收的部位因导致拔牙的疾病类型和部位而异(如牙周炎或者牙体缺损)；其结果是拔牙后牙槽骨存在多种形态。有趣的是，当相邻牙齿缺失时，余留牙槽嵴和对颌牙之间的水平偏差会增加，这可能是因为先前拔牙后已被吸收的相邻牙槽骨的形状加速了骨吸收。也有报道称，在拔牙窝内进行牙槽嵴位点保存技术可以减少牙槽骨的吸收。这些技术在邻牙缺失的情况下出血拔牙后预防骨吸收方面更有效。
本研究中使用的Mechanical Finder 6.0版软件旨在研究骨质疏松症患者股骨骨折的机制。该软件可以在有限元模型中反映计算机断层扫描获得的骨密度。据报道，利用该三维有限元模型所测算出的应力分布和角度情况与在带有应变计石头模型上测算出的数据无统计学差异。这些结果证实了本研究中所使用的三维有限元模型的有效性。在这项研究中，作者选择了一个直径为3.8 mm的种植体来分析植入骨内的种植体与基台之间的应力分布。种植体长度不影响基台连接的力学行为；因此，选择了11 mm长的种植体。种植体和基台被设置为接触连接（非固定连接），以允许临床情况所需的滑动或分离。负载点被设置在下颌磨牙的功能尖处。因此，这一点远离种植体的中心点，以模拟比较严重的情况。参考先前的研究，本研究中的载荷值设定为120 N。
有限元分析表明，颊舌关系的巨大差异会增加种植体/基台连接处的应力集中。而垂直距离的增加会放大这种趋势的发生。根据Weinberg等人先前的报道，当水平距离增加1 mm时，通过咬合面的力矩载荷将增加15%。而在其研究中，当垂直尺寸增加1 mm时，该载荷也将会增加5%。通常，当不利应力集中在种植体/基台连接处时，会出现基台螺丝的松动或断裂。Binon等人在一项体外研究中报告，种植义齿非轴向的过度负载会导致基台螺丝的松动/断裂。本研究的结果也表明应力集中与修复体并发症有关。Weinberg等人还报告，当牙尖斜度增加10°时，力矩载荷增加30%，这与我们的结果一致。在我们的研究设计中，与种植体垂直于咬合面植入的病例相比，种植体倾斜植入于对颌牙或垂直于咬合面植入，但使用角度基台的病例，种植体/基台连接处的应力集中较低。当存在不利的颌间关系时，Weinberg等人建议采取以下对策，以避免种植体及修复体的过度负载：反𬌗设计、种植体植入在咬合面的中心点、使用角度基台以及设置中等角度的牙尖形态。此外，种植体倾斜植入是本研究中使用的技术之一，即通过将种植体轴向朝向咬合中心以降低种植体/基台连接的应力集中。然而，过度倾斜被认为会导致侧向过度负载，并对种植体/骨接触产生负面影响。在这个有限元研究中，使用角度基台在降低应力集中方面更有效，这可能是因为基台顶部更靠近咬合面（负载点）。此外，牙冠和基台之间的不同材料特性以及基台固位螺丝空间的空心结构也促成了这一结果。因此，如果种植位点存在较大颊舌向水平距离差异和较大的垂直尺寸，使用角度基台进行修复被认为是最有利的方法。
本研究也存在一些局限性。实验1参与者的年龄相对较大，所以我们的研究结果不能被认为是适用于所有年龄段患者的普遍结果。此外，由于这是一项横断面研究，所以本研究无法记录每位患者拔牙的原因；因此，骨吸收和牙齿缺失时间之间的因果关系尚不清楚。这些结果被认为有助于预测拔牙后的三维骨变化。此外，本研究关于剩余牙槽嵴和对颌牙之间颊舌向水平距离的差异趋势与之前的研究结果相近，而且本研究重点关注拔牙所导致的颌间垂直距离变化的程度。未来的纵向研究需要从拔牙前到种植体植入后追踪病例。实验2和3中的三维有限元模型也并不适用于所有临床病例。在本研究中，该有限元模型来自一名53岁女性的CT扫描数据，因为该数据具有典型的骨吸收后的颌骨形状。然而，与人工模型相比，将患者CT扫描数据用于有限元模型是更具有临床意义的。此外，本研究还重点研究了在存在水平和垂直距离的情况下，种植体与基台连接处的应力分布以及种植倾斜植入或使用角度基台的影响。在该模型中，颊舌侧剩余骨宽度足够种植体植入；因此，骨形状的影响被认为较小，本研究的结果是具有临床指导意义的。
在进行性牙槽骨吸收导致种植体与对侧牙垂直距离和水平距离较大的病例中，种植体与基台之间的连接处可观察到较高的应力集中。我们的研究结果还表明，在种植体与对侧牙齿存在较大水平距离时，使用种植体倾斜植入和角度基台可以减少该区域周围的应力集中。
Jun Morita，Masahiro Wada，Tomoaki Mameno Yoshinobu Maeda和Kazunori Ikebe均声明无利益冲突。
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