基于生物实验和数值模拟的牙周储备力评估方法的研究

Periodontal reserve force is an important theoretical basis of Prosthetics. Treatment beyond periodontal reserve force will lead to tissue injury and discomfort. The traditional method can only estimate the relative value of periodontal reserve force， lacking of accurate measurement of the single tooth. The present study aimed to measure the periodontal reserve force trough numerical simulation and biological experiments. We plan to evaluate the reactions of periodontal cells to force stimulation by RCCS biorector and BOSE BioDynamic. Also, animal experiments using fragrance pigs will be conducted, looking for the maximum tolerance range of periodontal membrane to force stimulation. then, we will establish the mathematics simulation model of mechanical force stimulation - tooth biomechanics changes - the periodontal ligament biomechanics response. At the last, evaluate the force reaction of periodontal membrane to the force caused by clinical treatment through the numerical simulation model. Comparing the periodontal reserve force and the force reaction of periodontal membrane, we can judge whether the force is safe for the patient. The results of this study will further deepen our understanding of the periodontal reserve force, provide guidance for clinical treatment and design, and also provide guidance basis for oral equipment and materials parameters setting.

牙周储备力是口腔修复学的一个重要理论基础，超越牙周储备力的治疗会带来组织损伤或疼痛不适。传统观点用牙周膜面积来评估牙周储备力的相对大小，缺乏准确评估单颗牙的牙周储备力的方法，且存在无法将牙周组织受力与临床上更关注的牙齿的受力关联起来的弊端。本立项拟采用RCCS旋转细胞培养系统和BOSE BioDynamic生物反应器来进行牙周膜成纤维细胞的三维培养与生物力学研究，标记引起组织损伤和（或）分泌疼痛相关信号分子的阈值，结合小型猪动物实验，建立单颗牙的牙周储备力的计算方法；再通过数值模拟建立口腔力荷载——牙体组织——牙周膜生物力学反应的数学仿真模型，进行牙周组织受力分析；最后根据上述实验结果，分析口腔中动、静态力荷载下牙周膜的应力响应，并将其与该牙的牙周储备力进行比较，判断施力是否在安全范围内。研究结果可以指导口腔诊疗操作和修复、正畸等方案设计，并为牙科器械、设备参数设定提供依据。

口腔治疗中的正畸牵引、根管预备、高速牙科钻对牙体的切割、义齿修复等常见操作均会对基牙/患牙产生压应力，经过牙体硬组织传导至牙周组织，当这种力量过大时便会引起组织损伤和(或)疼痛不适。生理情况下，咀嚼食物的牙合力只为牙周组织所能支持力量中的一部分，而在牙周组织中尚储存有另一部分未被调用的支持能力，即牙周储备力。牙周储备力是口腔修复学的一个重要理论基础，超越牙周储备力的治疗会带来组织损伤或疼痛不适。牙周组织生物力学效应是口腔领域的一个研究热点，然而对于牙周储备力的研究尚不足，且无法将牙周组织受力与临床上更关注的牙齿的受力关联起来，难以精确指导临床上的施力操作。本研究在二维和三维细胞培养层面进行人牙周膜细胞的培养，分析牙周膜细胞的生物学特性，施加刺激（力或EGCG），研究牙周膜细胞增殖与成骨分化相关的指标，绘制量效曲线，寻找其阈值（不影响细胞增殖和分化的最大刺激，也即牙周储备力的最大限度的刺激）；建立了口腔力荷载——牙体组织——牙周膜生物力学反应的数学仿真模型，将数值模拟分析所得结果和临床实际关联起来，分析在不同形式的载荷下牙周膜的能量转换情况（具体为能量的吸收和消散），从有限元分析的角度研究牙周储力，和生物实验相佐证。通过本项目，建立了牙—牙周膜复合体的数学仿真模型，明确了刺激 （力或EGCG）对牙周膜细胞的增殖与成骨分化的影响，为该领域的其他学者提供了一种精准的建模方法和生物学研究数据，加深了对牙周储备力的理解，可以更好的指导临床诊疗工作。