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西胞盍
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1 1476 DOI: /j 牙本质微裂纹对牙体应力影响的三维有限元研究李群, 王超, 郑玉琪, 陈亮 ( 重庆, 重庆医科大学附属口腔医院, 口腔疾病与生物医学重庆市重点实验室, 重庆市高校市级口腔生物医学工程重点实验室 ) [ 摘要 ] 目的基于三维有限元法研究根管预备过程中硬组织丧失和牙根微裂纹对上颌第二前磨牙的应力影响, 为分析临床上根管治疗后患牙根折率增大的成因提供一定的参考方法利用 MicroCT 扫描上颌第二前磨牙, 结合逆向工程软件建立完整牙体仅有预备过程中组织丧失的牙体及预备后有不同牙根裂纹的预备后牙体 3D 模型, 研究其在静态载荷下的应力情况结果轴向力作用于完整牙体时, 牙本质 VonMises 应力集中分布于舌侧颈部 ; 侧向力作用下,VonMises 应力集中分布于加力同侧牙根中上 2/3 处轴向力和侧向力作用于预备后无牙根裂纹形成的牙体时, 应力分布及应力值与完整牙体相比无明显变化当牙根裂纹产生时, 轴向力作用下应力值相对于预备前无明显变化, 应力有向裂纹集中的趋势 ; 侧向力作用下, 应力峰值多增大明显, 且应力多集中于裂纹局部结论根管预备过程中的组织丧失对牙体应力情况无明显影响 ; 牙根裂纹的产生会导致侧向力作用下应力值明显增大, 且应力分布集中区域也多由牙体舌侧颈部转移至裂纹局部, 牙根裂纹可能是导致根管预备后根折的重要因素 [ 关键词 ] 牙体应力 ; 牙本质微裂纹 ; 根管预备 ; 三维有限元法 ;MicroCT [ 中图法分类号 ] R318.01;R781.2;R [ 文献标志码 ] A Threedimensionalfiniteelementanalysisofstresstatusindentinwithmicrocracks LIQun,WANG Chao,ZHENG Yuqi,CHEN Liang(ChongqingKeyLaboratoryofOralDiseasesandBiomedical Sciences,ChongqingMunicipalKeyLaboratoryofOralBiomedicalEngineeringofHigherEducation,Stomatological HospitalofChongqingMedicalUniversity,Chongqing,401147,China) [Abstract] Objective Tostudystresvariationinthemaxilarysecondpremolarsinresponsetoroot canalpreparationandcrackformationaftercanalenlargementandprovideevidenceforexplainingthehigh incidenceofendodonticalytreatedtoothrootfracture.methods Thetomographicimagesofthemaxilary secondpremolarswereobtainedwithmicroctscanning,andthreedimensional(3d)finiteelementmodelsof intactteeth,teethaftercanalenlargementandteethwithdentinalmicrocracksafterinstrumentationwere constructedwithreverseengineeringsoftware.thestresmagnitudeanddistributioninthese3dmodelswere analyzedunderstaticforceloading.results Whenanaxialforcewasloadedonanintacttooth,VonMises streswasdistributedmainlyinthecervicalareaofthelingualsurfaceofthedentin.theapplicationofa lateralforceproducedvonmisesstresmainlyatthecoronaltwothirdsonthesamesidewheretheforcewas loaded.inatoothwithmicrocracks,anaxialforceinducednoobviouschangesinthestresmagnitudebut causedtheareawherestreswasconcentratedtomovetowardsthedentinalcracks;whenalateralforcewas loaded,themaximalstresincreasedobviouslyandthestrestendedtobeconcentratedalongthecracks. Conclusion Rootcanalpreparationdoesnotproducesignificantchangesinstresofthemaxilarysecond premolars,butthemicrocracksonthetoothcancauseanincreaseinthestresmagnitudealongthedentinal [ 基金项目 ] 重庆市渝中区科技计划项目 ( );2016 年重庆高校创新团队建设计划资助项目 ; 重庆市高校市级口腔生物医学工程重点实验室资助项目 ( 渝教科号 ) [ 通信作者 ] 陈亮, nozoi@foxmail.com [ 优先出版 ] htp://kns.cnki.net/kcms/detail/ r html

2 htp://aammt.tmmu.edu.cn 第三军医大学学报,2017,39(14) 1477 cracksandmayplayasignificantroleinrootfractureofanendodonticalytreatedtooth. [Key words] microct; threedimensionalfinite elementanalysis; rootcanalpreparation; microcracks;stres SupportedbytheScienceandTechnologyProjectsofYuzhongDistrict,Chongqing( ),theProgram forinnovationteam BuildingatInstitutionsof 临床上根管治疗后患牙一直面临较高的根折率, 已成为一个临床焦点课题 [1] 根管预备是根管治疗术的关键步骤, 直接关系到根管治疗的成败有学者指出根管预备过程中的硬组织丧失并未造成牙齿抗力的显著降低 [2-3] 近年来大锥度镍钛器械越来越多地应用于临床根管预备, 不同程度地引起牙根裂纹的产生 [4] 牙根裂纹的形态也有所不同, 分布在牙根不同部位 [5] 根管治疗后患牙根折率增大是否和根管治疗过程中形成的牙根裂纹有关, 牙根裂纹的形成对根管预备后牙齿受力时的应力情况影响如何, 目前尚少见相关报道本研究利用 MicroCT 结合三维有限元法, 选取临床上根折发生率高的上颌第二前磨牙作为研究对象, 分析根管预备后组织丧失和牙根裂纹形成对牙本质的应力影响, 以期为分析临床上根管治疗后患牙根折率增大的成因提供参考 1 材料与方法 1.1 离体样本制备选取因正畸需要拔除的形态佳无畸形龋坏根尖孔闭合的上颌第二前磨牙 1 颗, 福尔马林溶液浸泡备用根管预备前, 对完整术前样本进行 MicroCT (VivaCT40,Scanco 公司, 瑞士 ) 扫描之后, 开髓钻开髓形成标准的开髓洞型, 利用机用镍钛系统 ProTaper Universal(DentsplyMailefer 公司, 瑞士 ) 进行根管预备, 将实验组样本均预备至 ProTaperF3, 形成统一根管预备术后的离体根管样本具体预备方法为冠向下预备法, 即 SX 进行根管冠方预备,S1 S2 F1 F2 F3 预备至工作长度 17% EDTA 凝胶作为根管润滑剂, 每换一支锉, 使用 2mL2% NaClO 溶液冲洗根管, 冲洗总量为 10mL [6] 预备后蒸馏水超声荡洗根管 2min 电机 (XSmart,DentsplyMailefer) 转速设为 250r/min,SX S1 S2 F1 F2 F3 扭矩分别设定为 N cm 工作长度为参照点与根尖孔冠方 0.5mm 处之间的距离预备完毕后, 同样对术后样本进行 MicroCT 扫描 1.2 三维有限元模型的建立选择 1 例上颌骨健康的志愿者, 签署同意书扫描得到锥形束 CT(Kavo3D Exam) 数据, 保存为 DICOM 格式, 导入 Mimics 软件 (Materialise 公司, 比利时 ) 和逆向工程反求软件 Geomagic(Geomagic 公司, 美国 ) 建立上颌骨模型在 SolidWorks(SolidWorks 公司, 美国 ) 中截取上颌第二前磨牙所在局部密质骨及松质骨块将上述根管预备前后的上颌第二前磨牙进行 MicroCT 扫描, 得到的断层图像导入 Mimics, 通过阈值化操作后导入 Geomagic 软件做平滑处理将上述模型导入 SolidWorks, 使得上颌第二前磨牙牙根位于松质骨及密质骨内的合适位置, 釉牙骨质界与牙槽嵴顶的距离为 0.18mm 在 SolidWorks 中通过布尔运算模拟产生有不同裂纹的 8 种牙体模型, 裂纹的位置分别为位于近中 (M) 远中 (D) 颊 (B) 舌面 (L) 平行于牙体长轴 [7-9], 近中斜向颊 (MB) 舌侧 (ML), 远中斜向颊 (DB) 舌侧 (DL) [10-11], 裂纹深度均为贯穿牙本质全层, 如图 1 所示将上述模型导入 ANSYS 软件, 布尔运算得到上颌第二前磨牙牙釉质牙本质牙周膜髓腔预备前后的根管及预备后植入不同裂纹的牙本质模型对各组织模型进行网格划分, 如图 2 所示, 牙釉质牙本质牙髓牙周膜皮质骨松质骨模型的节点数分别为 , 单元数分别为加载应力, 分析计算牙本质受力时的应力情况为显示裂纹区域应力分布, 将裂纹均分为 8 段, 得到 9 个位点 ( 包括裂纹始末端 ), 由根方向冠方分别为 a~i, 依次测量各个位点的应力值 1.3 材料属性牙釉质牙本质牙髓牙周膜皮质骨松质骨均定义为均质连续各向同性的线弹性材料, 其弹性模量分别设定为 MPa, 泊松比分别为 [2,12], 牙周膜的平均厚度设定为 0.25mm 1.4 力量加载和边界条件为模拟临床上颌第二前磨牙的受力情况, 加载力的数值来源于健康成年人平均咬合力测量统计, 为 200N [13], 加载位置为咬合面中央, 载荷方式为静态载荷, 方向分为轴向力和侧向力, 轴向力平行于牙体长

1478 轴, 侧向力斜向远中与牙体长轴成 45 [12] 对牙槽骨外周的所有自由度行刚性约束, 在 X Y Z 轴位移均设为零, 假设各组织解剖结构之间为固定接触, 分析完整牙体根管预备后及预备后不同牙根裂纹形成时牙本质 VonMises

#$% Ⅰ: 预备前根管 ;Ⅱ: 预备后根管 ;Ⅲ ~Ⅵ: 近中远中颊舌面分别植入平行于牙体长轴裂纹的预备后牙体 ;Ⅶ ~ Ⅹ: 近中远中面分别植入斜向颊舌侧裂纹的预备后牙体 a: 裂纹整体 5 倍 ;b: 裂纹局部 35 倍图 1

#$% 第 1~4 排分别为同一模型的颊舌近中远中面 ;Ⅰ: 根管预备前完整牙体 ;Ⅱ: 根管预备后牙体 ;Ⅲ ~Ⅹ: 分别为预备后近中远中颊舌面平行于牙体长轴及近中斜向颊舌侧, 远中斜向颊舌侧牙根裂纹模型 A: 轴向力 ;B: 侧向力

1 轴向力和侧向力作用下预备前牙本质应力情况轴向力作用于预备前的牙体时,VonMises 应力集中于舌侧颈部, 峰值为 21.90MPa 侧向力作用下, VonMises 应力集中分布于加力同侧牙根中上 2/3 处, 峰值为 83.

3 1478 轴, 侧向力斜向远中与牙体长轴成 45 [12] 对牙槽骨外周的所有自由度行刚性约束, 在 X Y Z 轴位移均设为零, 假设各组织解剖结构之间为固定接触, 分析完整牙体根管预备后及预备后不同牙根裂纹形成时牙本质 VonMises 应力的大小及分布!"! #$% Ⅰ: 预备前根管 ;Ⅱ: 预备后根管 ;Ⅲ ~Ⅵ: 近中远中颊舌面分别植入平行于牙体长轴裂纹的预备后牙体 ;Ⅶ ~ Ⅹ: 近中远中面分别植入斜向颊舌侧裂纹的预备后牙体 a: 裂纹整体 5 倍 ;b: 裂纹局部 35 倍图 1 预备前后根管模型及牙本质裂纹模型!"! #$% 第 1~4 排分别为同一模型的颊舌近中远中面 ;Ⅰ: 根管预备前完整牙体 ;Ⅱ: 根管预备后牙体 ;Ⅲ ~Ⅹ: 分别为预备后近中远中颊舌面平行于牙体长轴及近中斜向颊舌侧, 远中斜向颊舌侧牙根裂纹模型 A: 轴向力 ;B: 侧向力 a: 上颌骨块 ;b: 牙本质 ;c: 牙髓 ;d: 牙周膜 ;e: 牙釉质 ;f: 加力方向, 轴向力和侧向力 2 结果图 2 上颌骨块及各牙体组织模型 2.1 轴向力和侧向力作用下预备前牙本质应力情况轴向力作用于预备前的牙体时,VonMises 应力集中于舌侧颈部, 峰值为 21.90MPa 侧向力作用下, VonMises 应力集中分布于加力同侧牙根中上 2/3 处, 峰值为 83.58MPa( 图 3 4) 图 3 轴向力及侧向力作用下不同模型 VonMises 应力情况 2.2 轴向力和侧向力作用下预备后无牙根裂纹形成的牙本质应力情况轴向力和侧向力作用预备后的牙体上时, 应力分布与预备前相比无明显变化, 应力值稍有增大,Von Mises 应力峰值分别为 MPa( 图 3) 2.3 轴向力和侧向力作用下预备后有裂纹形成的牙本质应力情况轴向力作用于预备后有裂纹形成的牙本质时, 有 Ⅲ Ⅶ Ⅸ Ⅹ 型裂纹的牙本质 VonMises 应力集中区转移至裂纹局部, 有 Ⅲ ~Ⅹ 型裂纹的牙本质应力峰值分别为 MPa 侧向力作用下, 有 Ⅴ Ⅵ Ⅶ Ⅷ Ⅸ X 型裂纹的牙本质应力集中区域均转移至裂纹局部多数牙本质 VonMises 应力峰值相比预备前牙本质所受应力值明显增大, 有 Ⅲ ~Ⅹ 型裂纹的牙本质应

4 htp://aammt.tmmu.edu.cn 第三军医大学学报,2017,39(14) 1479 % &! " # $! " # $ A: 垂直向裂纹 ;B: 斜向裂纹 Ⅲ ~Ⅹ: 分别为近中远中颊舌面平行于牙体长轴及近中斜向颊舌侧, 远中斜向颊舌侧牙根裂纹模型 ; 将裂纹均分为 8 段, 得到 9 个位点 ( 包括裂纹始末端 ), 由根方向冠方分别为 a b c d e f g h i 图 4 垂直向裂纹和斜向裂纹中不同位点的应力情况力峰值分别为 MPa( 图 3) 此外, 侧向力作用下,Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ 型裂纹区域应力分布无明显规律可循 ( 图 4A),Ⅶ Ⅷ Ⅸ Ⅹ 型裂纹区域应力分布集中于裂纹冠方 ( 图 4B) 3 讨论上颌第二前磨牙位于牙弓转折处, 具有一定的前牙切割功能和后牙研磨功能, 其解剖形态几何结构兼具前后牙的特点, 研究上颌第二前磨牙的结构力学现象对于了解牙列前牙及后牙具有重要的意义临床研究也指出, 根管治疗后的上颌前磨牙根折率最高 [14] 因此, 本研究选择上颌第二前磨牙作为研究对象, 具有重要的临床意义本研究提示根管预备过程中的牙体硬组织丧失对 [2-3] 牙本质应力情况无明显影响, 这与 ZELIC 等的研究结果相同推测根管预备前后牙本质应力情况无明显差异的原因可能是根管预备过程中的硬组织丧失量较小本研究发现牙根微裂纹多引起侧向力作用下牙本质所受 VonMises 应力峰值的明显增大, 意味着患牙在承受该方向平均咬合力时折裂风险增加更为重要的是, 多数已形成裂纹的牙齿在受力时应力集中区域发生明显转移, 多由预备前的舌侧颈部转移至裂纹所在局部区域, 这可能与裂纹的形成造成牙体受力时应力传递的中断有关由此我们推测根管预备后牙齿根折率的增大与根管预备过程中产生的牙根裂纹密切相关牙齿受轴向力作用时, 应力集中区域主要位于舌侧颈部受侧向力作用时,VonMises 应力集中分布于加力同侧牙根中上 2/3 处以上结果与 MEZZOMO [15] 等的研究结果一致, 也与上颌第二前磨牙多发生舌尖折裂或舌侧冠根联合折的临床现象一致此外, 对于有斜向裂纹 (Ⅶ Ⅷ Ⅸ Ⅹ 型 ) 的牙本质, 侧向力作用下牙本质应力集中区域转移至裂纹冠方, 推测可能是由于这类裂纹冠方位于完整牙体受侧向力时应力分布相对集中的区域, 裂纹的产生导致较大应力传导过程中突然发生应力中断, 故此区域应力集中明显大量研究表明, 牙本质的应力分布是导致牙折的主要原因 [16] 本研究将牙本质与牙釉质分别建模, 各自赋值进行计算, 使得计算结果准确客观牙本质为一种粘弹性物质, 在外力作用下可产生形变, 外力撤去后将缓慢恢复原状然而, 根管预备过程中镍钛器械需较长时间作用于根管壁, 会对牙本质产生较强的扩张力, 当该力超过牙本质的拉力极限时, 将导致裂纹的产生根管预备过程中牙本质裂纹的产生并不是偶然现象, 可由器械设计缺陷术者操作不当根管解剖变异等原因引起 [6] 本研究中的微裂纹基于器械预备后的真实裂纹构建, 其中 Ⅴ Ⅵ Ⅹ 类裂纹由不锈钢 K 锉 twisted file ProTaper Universal 器械预备产生 [7-8,11] 同时, 有研究指出,ProTaperUniversal 及手用不锈钢根管预备器械在根管预备过程中较易产生牙根裂纹 [6,17] 这提示 ProTaperUniversal 及手用不锈钢器械可能存在一定的设计缺陷, 使用该类器械进行根管预备可能导致牙根微裂纹的产生而引发根折尽管本实验采用的三维有限元法是生物力学领域最为有效的方法, 然而网格划分大小边界约束及模型的几何相似性都会对结果造成影响三维有限元法旨在从生物力学方面对牙体进行受力分析, 从而为临床提供生物力学理论指导, 但毕竟属体外研究, 诸如口腔内温湿度变化各组织结构的应力疲劳错综复杂的应力等问题, 仍亟待进一步研究攻克根管预备后牙根裂纹的形成可导致侧向力作用下裂纹局部的应力分布集中和应力峰值明显增大, 从而导致牙折这为评价根管预备器械的性能提供了一个新的指标, 提示临床上应尽量避免使用 ProTaper

5 1480 Universal 手用不锈钢 K 锉等进行根管预备临床根管预备过程中应尽量避免牙根微裂纹的产生从而延长根管治疗后患牙的寿命此外, 根管治疗后患牙应通过采取消除合干扰降低牙尖斜度等措施, 避免牙体受到过大侧向力的作用, 最终实现延长根管治疗后牙齿使用寿命的目标参考文献 : [1]ZAMINC,SILVASOUSAYT,SouzaGabrielAE,etal. Fracturesusceptibilityofendodonticalytreatedteeth[J]. DentTraumatol,2012,28(4): DOI: / j x. [2] ZELICK,VUKICEVICA,JOVICICG,etal.Mechanical weakeningofdevitalizedteeth:threedimensionalfiniteele mentanalysisandpredictionoftoothfracture[j].interna tionalendodonticjournal,2014,48(9): doi: /iej [3]CHENGR,ZHOUXD,LIUZ,etal.Finiteelementanaly sisoftheefectsofthreepreparationtechniquesonstreses withinrootshavingcurvedcanals[j].intendodj,2009,42 (3): DOI: /j x. [4] MONGAP,BAJAJN,MAHAJANP,etal.Comparisonof incidenceofdentinaldefectsafterrootcanalpreparationwith continuousrotation and reciprocatinginstrumentation[j]. SingaporeDentJ,2015,36:29-33.DOI: /j.sdj [5]CAPARID,ARSLANH,AKCAYM,etal.EfectsofPro TaperUniversal,ProTaperNext,andHyFlexinstrumentson crackformationindentin[j].jendod,2014,40(9): DOI: /j.joen [6] KARATA 爦 E,GNDZH A,K1R1C1D?,etal.Inci denceofdentinalcracksafterrootcanalpreparationwithpro TaperGold,ProfileVortex,F360,ReciprocandProTaperU niversalinstruments[j].internationalendodonticjournal, 2015,49(9): DOI: /iej [7]BRKLEINS,TSOTSISP,SCH?FERE.Incidenceofden tinaldefectsafterrootcanalpreparation:reciprocatingversus rotaryinstrumentation[j].jendod,2013,39(4): doi: /j.joen [8] PRIYA N T,CHANDRASEKHAR V,ANITA S,etal. Dentinalmicrocracksafterrootcanalpreparation acompar ativeevaluationwithhand,rotaryandreciprocatinginstru mentation[j].jclindiagnres,2014,8(12):zc70-2. DOI: /JCDR/2014/ [9] SHEMESHH,VANSOESTG,WUMK,etal.Diagnosisof verticalrootfractureswithopticalcoherencetomography[j]. JEndod,2008,34(6): DOI: /j.joen [10]VERSIANIMA,SOUZAE,DEDEUSG.Criticalapprais alofstudiesondentinalradicularmicrocracksinendodon tics:methodologicalisues,contemporaryconcepts,andfu tureperspectives[j].endodontictopics,2015,33(1): doi: /etp [11] KARATA 爦 E,ARSLAN H,ALSANCAK M,etal.Inci denceofdentinalcracksafterrootcanalpreparationwith TwistedFileAdaptiveInstrumentsUsingDiferentKinemat ics[j].jendod,2015,41(7): doi: /j.joen [12] SANTOSAF,TANAKACB,LIMARG,etal.Vertical rootfractureinupperpremolarswithendodonticposts:finite elementanalysis[j].jendod,2009,35(1): DOI: /j.joen [13] FERRARIOV F,SFORZA C,SERRAO G,etal.Single toothbiteforcesinhealthyyoungadults[j].joralreha bil,2004,31(1):18-22.doi: /j x x. [14]FUSSZ,LUSTIGJ,KATZA,etal.Anevaluationofend odonticalytreatedverticalrootfracturedteeth:impactofop erativeprocedures[j].jendod,2001,27(1): DOI: / [15]MEZZOMOLA,CORSOL,MARCZAKRJ,etal.Three dimensionalfeaofefectsoftwodowelandcoreapproaches andefectsofcanalflaringonstresdistributioninendodon ticalytreatedteeth[j].jprosthodont,2011,20(2): DOI: /j X x. [16]OUKL,CHANGCC,CHANGW J,etal.Efectofdamp ingpropertiesonfractureresistanceofrootfiledpremolar teeth:adynamicfiniteelementanalysis[j].intendodj, 2009,42(8): DOI: /j x. [17] MILANIA S,FROUGHREYHANIM,RAHIMIS,etal. Theefectofrootcanalpreparationonthedevelopmentof dentincracks[j].iranendodj,2012,7(4): ( 收稿 : ; 修回 : ) ( 编辑黄超 )

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