一、概述
CAD/CAM 系统和口内扫描仪等数字技术的出现改变了牙科的临床诊疗、科研和生产，推动引入的新型修复材料兼具美观和耐用性，提高了自动化生产效率及修复体的质量控制。3D 建模结合锥形束 CT、Micro CT、MRI 等新型成像方式开启了新颖的诊断、牙科治疗和评估技术。随着技术进步和对固定局部义齿（FPD）审美需求的增加，开发的全陶瓷 FPD 具有出色的生物相容性，但陶瓷贴面碎屑是导致整个假体失败的最常见并发症。
因此，为降低贴面碎屑的风险并优化修复体性能，有必要理解全瓷种植体支持式 FPD 在功能状态下的力学行为和理想设计参数。本项目基于 Micro CT 扫描数据创建三维模型，采用有限元分析研究贴面-框架厚度比对全瓷种植体支持式 FPD 中应力分布的影响。
二、图像处理
2.1 Micro CT 扫描
种植体支持式全瓷 FPD 模型是包含两个种植体固定装置（Astra Tech Osseospeed，直径为 4.0 和 4.8 mm；Dents Plash Sirona）、定制锆基台、螺钉、水泥层和嵌入骨骼中全瓷 FPD 的组件。使用 Micro CT 扫描设备（Skyscan 1172）对两个种植体固定装置及定制基台和 FPD 进行扫描，图像像素尺寸为 34.4 μm。
2.2 创建模型
将扫描图像数据导入 Simpleware 软件，使用基于阈值的分割工具、布尔运算、形态学闭运算和 Recursive Gaussian 滤波器获得常规直径（4.0 mm）和宽型直径（4.8 mm）种植体固定装置、相应基台和螺钉的掩膜（Mask），然后将其转换为 STL 文件格式。
采用同样的图像处理操作生成 1 mm 的框架和贴面层掩膜，使用布尔运算获得 0.5 mm 和 1.5 mm 的框架层及 0.5 mm 和 1.5 mm 的贴面层掩膜。在基台上应用形态学膨胀工具和布尔运算创建水泥层掩膜，将以上所有掩膜均转换为单独的 STL 文件格式。
使用 Create primitive 工具创建一个长方体面模型，然后将所有生成不同对象如种植体、基台、FPD 的 STL 文件重新导入 Simpleware 软件并进行组合。
2.3 体积网格划分
在 Simpleware FE 模块生成三个具有不同贴面-框架厚度比值的约含 105 万个四面体单元的体积网格模型。模型 A 的贴面-框架厚度比为 3:1，贴面层 1.5 mm，框架层 0.5mm；模型 B 的贴面-框架厚度比为 1:1，贴面层和框架层均为 0.5mm；模型 C 的贴面-框架厚度比为 1:3，贴面层 0.5 mm，框架层 1.5mm。
三、FE 模拟
3.1 假设和边界条件
将 Simpleware 生成的高质量体积网格模型导入 Abaqus 软件进行模拟。为简化 FEA 分析假设：材料为各向同性和均质，在整个变形过程中呈现为线性弹性行为；接触选择 Bonded type 且认为骨骼/种植体界面完美结合以模拟完整的骨整合。
将边界条件应用在立方体骨结构的所有表面节点（咬合/上表面除外），防止在三个空间维度（不允许旋转/位移）上发生位移。为模拟 FPD 上的生理功能负荷，在基牙和桥体咬合面中央窝内 2300 个节点均匀施加 110 N 的轴向压缩载荷。由于全瓷材料主要在脆性拉伸断裂下失效，考虑使用最大主应力值评估应力分布。
3.2 收敛测试
由单元数量确定的网格质量可以通过调整三角形的边长和高度与底边之比控制。使用迭代方法沿每条边增加单元数量并求解，记录模型（单元数量）与其响应（最大主应力值）的复杂度并绘制关系图。系统响应将收敛于一个解，在这个点之后进一步加密网格不会产生显著的响应。
四、结果与讨论
模型 A、B、C 中贴面的远端连接体区域和框架的远端连接体区域及固位体凹面（粘接面）的最大主应力分别是 1.896/3.784 MPa、1.378/3.622 MPa、1.90/3.615 MPa。贴面与框架区域的应力分布模式和最大主应力值随贴面-框架厚度比而变化。结果表明，模型 B 的贴面与框架区域（贴面-框架厚度比为 1:1）具有较低的最大主应力值，平均生存时间高于另两个模型。
各种体内和体外研究表明，连接体区域和颈部区域中有更高的拉伸应力集中。与模拟结果一致，拉伸应力集中在远端连接体区域。本研究使用了两种不同规格的种植体理想地模拟临床情况，后牙区选择宽直径种植体，第一磨牙区选择常规直径。在三个模型中观察到两个连接体区域之间应力分布模式的变化可归因于所用常规和宽直径种植体基台尺寸的差异，与较宽直径种植体基台相关的最后方连接体区域均显示出较高的拉伸应力集中。
五、总结
在本研究的限制范围内可以得出结论：
- 框架承受着较高的拉伸载荷；
- 贴面-框架厚度比为 1:1 时的应力集中程度低于比值为 1:3 和 3:1 的情况；
- 拉伸应力集中在假体的后连接体区域。
除贴面-框架厚度比外，还有其他各种因素如连接体尺寸、牙龈曲率半径、框架设计、载荷条件、FPD 跨度等会影响种植体支持式 FPD 的应力分布。鉴于本研究中后连接体区域表现出更高的拉伸应力，因此可以通过改变连接体的参数如连接体高度、牙龈曲率半径等降低这些区域的应力集中。为深入理解种植体支持式 FPD 修复体的失效机制，需要开展更多与连接体尺寸和设计相关的未来研究。
六、参考
- Kalluri L, Seale B, Satpathy M, et al. Three-dimensional finite element analysis of the veneer—framework thickness in an all-ceramic implant supported fixed partial denture[J]. Ceramics, 2021, 4（2）: 199-207