牙种植体中央螺丝螺旋副的微动疲劳机理研究

Fretting fatigue of dental implant central screw is one of the main causes of sudden failure (loosening and fracture) of screw pair. Due to the precise configuration of the central screw, it bears complex forces under the special oral environment, and the fretting fatigue damage is not obvious at the early stage. The research of fretting fatigue mechanism relates to medical and engineering. So the fretting fatigue mechanism of the screw pair is still not clear. The applicants make the fretting fatigue damage of dental implant central screw pair as the breakthrough point, establish simplified model of fretting fatigue, explore the fretting fatigue damage mechanism. Through combining the fatigue life test of total dental implant, the relationship between screw configuration design and fretting fatigue resistance is explored. By modificating the ceteral screw surface with high biological protective PEEK coating, its fretting fatigue resistance can be improved, and the damage of the inner thread of dental implant will be reduced. This program can finally clarify the fretting fatigue damage mechanism of central screw pair, guide its configuration design, provide the engineering basis and for related surface engineering technology, furtherly put forward the theoretical ground for dental implant protection and prolonging life strategy.

牙种植体中央螺丝的微动疲劳是导致其螺旋副突然失效（松动和断裂）的主要原因之一。中央螺丝薄弱细小、螺旋副界面结构精密,在口腔特殊的服役环境下受力复杂，其早期的微动疲劳损伤不易被发现，再加上研究涉及医工跨学科交叉，其机理尚不明确。申请者以口腔环境条件下牙种植体中央螺丝的微动疲劳损伤为切入点，自主建立细小精密螺旋副的局部微动疲劳研究模型，探索其微动疲劳的失效机理；联合中央螺丝整体微动疲劳测试，探索中央螺丝螺旋副的不同构型设计与抗微动疲劳的关系；采用表面工程技术，对中央螺丝表面进行高生物安全性的聚醚醚酮表面涂层改性，力求既提高其自身抗微动疲劳性能，又能防控不易更换甚至无法更换的骨内植体内螺纹的损伤。该研究最终不仅能阐明中央螺丝微动疲劳的失效机理，还能指导其配合螺旋副的构型设计，为相关表面工程技术提供工程学依据，并为今后牙种植体的防护、延寿及周期性临床更换策略提供理论依据。

本课题在对牙种植体螺旋副失效的理论认知的基础上，建立了牙种植体中央螺丝微动疲劳研究的体外研究模型，通过对界面失效进行分段式观察研究，发现固位螺丝第一阶内螺纹处的疲劳断裂是最常见的失效模式。而后运用了接触力学和微动摩擦学等研究手段，对比分析了润滑条件、基台高度、植体直径等因素对中央螺旋副微动疲劳损伤的影响，发现润滑剂的使用虽然可以降低基台固位螺丝连接界面的摩擦系数、增加基台固位螺丝的预负荷，但会降低牙种植体基台固位螺丝螺纹连接的稳定性，不适合在临床推广；植体直径和基台高度与固位螺丝螺纹副稳定性密切相关，在充分考虑患者缺牙区条件和全身状况的情况下，建议选用直径更大的种植体、穿龈高度更低的基台。最后，课题从螺纹副界面改性的角度出发，探究了聚四氟乙烯（PTFE）和聚醚醚酮（PEEK）中央螺丝表面生物涂层在牙种植体螺纹副松动防护中的应用潜力，发现PEEK涂层可提高中央螺丝的长期抗松动性能，并减少种植体内螺纹的磨损，是提高中央螺丝螺纹副稳定性较理想的方法。本课题研究结果不仅最终阐明了牙种植体中央螺丝微动疲劳模型和失效机理，而且可以指导中央螺丝构型和材料设计，提出中央螺丝微动疲劳松动和断裂的防护对策，为进一步提高牙种植体服役寿命提供新的思路。项目成果包括：专著3部；SCI论文6篇，中文核心期刊5篇；申请和授权专利7项，转化2项；举办学术会议2次，参加学术会议19次；获得奖励3项，培养博士研究生4人，硕士研究生3人。