下颌骨材质仿真度对牙种植体有限元分析的影响

有限元分析已广泛地应用于种植牙的生物力学研究。但大多是建立在简化的各向同性下颌骨模型上的静态分析，极少建立简化的各向异性模型。而下颌骨是一种多相的、非均质的、多孔性、正交各向异性的复合材料。生物力学模型的仿真度会影响有限元计算的结果。本研究将基于多模态数据建立高度仿真的完全正交各向异性的下颌骨三维有限元模型（包括高精度牙冠和牙根形态的完整牙列、牙周膜及颞下颌关节结构和主要咀嚼肌群）；在典型牙位植入真实螺纹种植体，模拟口腔动态生理周期加载，分析种植体周围骨组织的力学特性分布规律；建立用于对比分析的三种下颌骨模型（简化的正交各向异性、横观各向同性和各向同性）并赋予等效的材质参数，系统地比较分析颌骨材质的仿真度对种植牙有限元分析的影响。本项目将对众多采用简化材质进行分析的结果进行修正地看待和理解，从理论上验证材质属性简化后有限元分析结果的准确性；建成的模型还可以应用于口腔颌面部其他领域的研究。

本项目采用CT 和 MRI薄层扫描下颌骨，并结合牙科CT扫描的单颗牙齿数据，进行精确配准与融合，根据带全牙列下颌骨的形态结构和正交各向异性材质主方向的特点，用改进的生物力学有限元网格划分器进行网格划分，赋予下颌骨完全正交各向异性材质特性，并模拟咀嚼肌附着加载，建立高度仿真的正交各向异性下颌骨有限元模型。最后生成的三维有限元模型包含下颌皮质骨和松质骨、牙釉质、牙本质、牙周膜、颞下颌关节关节盘、髁突软骨、颞颌关节窝和关节窝软骨等结构，而且网格单元形状规则、疏密可控，极大提高了几何相似性和力学相似性。用光学投影仪和CAD软件建立精确的Straumann种植体及基台模型，然后植入下颌第一磨牙区。利用Ansys14有限元软件计算，来比较分析正交各向异性、简化正交各向异性、横观各向同性和各向同性下颌骨模型中种植体周围骨应力应变分布的不同。研究结果表明，从下颌骨各向同性到横观各向同性，再到正交各向异性模拟，种植体骨界面的应力应变值几乎都以增递增为主，尤其以松质骨应力应变的最大值增加最为显著，多则以成倍增加；但正交各向异性下颌骨模型的应力分布似乎较均匀，各向同性模型的应力集中较明显；简化的正交各向异性模型应力应变的变化无明显规律；各向异性模拟对种植体、基台和牙冠的应力应变值影响不明显。 我们已经基本完成项目的所有内容。