于豪 白石柱 冯志宏 冯晓珂 于晓楠 钟声 赵铱民

桩核冠系统是根管治疗后伴有大面积冠部缺损患牙的主要修复方式，其中根管桩材料一直是该领域研究的重点。金属和陶瓷这些高弹性模量的材料会对牙根产生不利的楔形效应，进而引发牙根折断[1]；纤维桩弹性模量相对比较低，能减少这种不利影响，因此在临床上应用的越来越多[2]。然而，一些长期的回顾性研究表明：纤维桩与金属桩修复后的根折发生率相近，并且纤维桩导致根折的折断模式并不如许多体外实验的结果那样优于金属桩[3-4]。

理想的桩核修复材料要求在物理性能上与牙本质接近，而现有的这三类根管桩材料弹性模量都是大于牙本质的[5]。因此，聚醚醚酮(polyetheretherketone，PEEK)这种在医学领域具有许多潜在用途的聚合物进入了学者们的研究范围。无填料的PEEK材料弹性模量相对较小(3～4 GPa)，拉伸强度为80 MPa；但通过碳纤维加强的CFR-PEEK弹性模量可以达到18 GPa，拉伸强度达到120 MPa，与人类牙本质的物理性能(弹性模量：18.6 GPa，拉伸强度：104 MPa)非常接近。在口腔医学领域，很多学者已将其视为重要的新型修复材料，应用于固定、活动和种植修复当中[6]。那么，用弹性模量近乎等于或者小于牙本质的PEEK材料做根管桩是否会有助于提高牙根及修复体的长期生存率呢？目前为止，国内外尚未有相关文献报道。因此，本研究拟利用三维有限元分析法，建立临床常用的桩-核-冠修复模型，对比分析PEEK材料桩与传统材料桩的生物力学特征，为其临床应用提供理论指导。

1 资料与方法

1.1 实验设备与软件

锥形束CT(北京朗视仪器公司)；DELL Precision M4800工作站(Windows 7系统)(DELL公司，美国);Mimics Research 20.0(Materialise 公司，比利时)；Geomagic Studio 2014(Geomagic公司，美国)；Ansys Workbench 17.0(ANSYS 公司，美国)。

1.2 三维有限元模型的建立

经第四军医大学口腔医院伦理委员会核准，本课题组提取1 名曾在本院拍摄过锥体束CT且牙颌完整的志愿者的CBCT数据。利用Mimics软件和Geomagic Studio软件建模。纤维桩参考已知文献建模[5]，牙槽骨简化为围绕在牙根周围的立方体，边长为20 mm，表面为皮质骨，厚2 mm，上缘位于釉牙骨质界下2 mm，松质骨位于皮质骨内[7]。设定各修复部件之间的粘接剂厚度均为0.1 mm，牙周膜厚度为0.2 mm[8]。最后将各部分的IGS文件导入Ansys Workbench 17.0软件，得到最终的三维有限元模型(图1)。

1.3 三维有限元模型的后处理

假定各部件均由各向同性、均质连续的材料构成[9]，依据文献(表1)对各部件进行材料属性赋值，接触面均为Bond接触。对模型进行全局和局部网格划分，然后对划分结果进行网格敏感性分析和正交质量检测，最终模型被划分为878 381 个节点，605 382 个单元，网格正交质量约为0.85。将牙槽骨的底面设置为固定支撑，对牙冠的舌尖颊斜面进行施加载荷，大小为105 N[10]，方向朝向腭侧，与牙体长轴呈45°。

图1 三维有限元模型Fig 1 Three-dimensional finite element model

表1 材料的力学特性与参考来源Tab 1 Mechanical properties of the materials and references

1.4 主要应力分析指标

以桩材料属性的不同分为四组：钛桩组、纤维桩组、CFR-PEEK桩组、PEEK桩组。根据材料力学的相关知识，用最大主应力(Maximum Principal Stress，MPS)评估各组牙根、根管桩、粘接剂、树脂核所受应力[14]；用ANSYS软件自带的Contact Tool来分析接触界面所受应力。

2 结 果

各组模型求解结果只记录峰值。从钛桩到PEEK桩，根管桩材料弹性模量逐渐减小。根管桩、根部粘接剂以及桩-粘接剂界面、桩-核界面的最大主应力峰值也随之减小，分布上越均匀(表2，图2)；但是从核的受力大小可以看到，钛桩对核的应力最大，PEEK桩组核应力比CFR-PEEK桩组大。分布上钛桩和纤维桩组的树脂核在与桩接触的上1/3区域会产生较大应力，而CFR-PEEK组和无填料PEEK组应力集中很少，但是PEEK桩组会在与桩接触的下1/3产生一定量的应力集中(表2，图2)。而牙根所受应力随桩材料弹性模量减小只有少量增大，差异不大且应力分布类似(表2，图2)。

3 讨 论

粘接失败是各种桩核冠修复系统最常出现的问题[15]，同时也是导致根折的最初诱因[1]。很多研究者采用推出实验或者拔出实验来对粘接界面进行分析，但是实验结果受实验者操作误差和样本个体差异的影响较大[16]。三维有限元研究法可以避免这些误差，它作为一种强大的三维仿真工程工具，只需建立一个模型，通过改变参数设置就可以对比不同材料的力学分布特征。本实验建立临床常用的纤维桩-树脂核-全冠的修复模型(图1)。桩材料选择方面：虽然成品金属桩已经被临床所淘汰，但是有文献表明，在10 年生存率上成品金属桩和铸造金属桩并无显著差异[15]，而且成品金属桩和成品陶瓷桩修复后牙齿的抗折性也没有太大差异[17]，因此本实验只选择金属钛材料进行实验；CFR-PEEK是添加了30%碳纤维的PEEK，物理性能上优于无填料的PEEK材料，已作为替代金属植入物用于创伤外科和关节外科等[18]。为了避免不同粘接剂对实验结果的影响，除了根管桩材料属性不同，本实验各组均采用同一种树脂粘接剂作为实验对象。树脂粘接剂的封闭性比传统材料好，可以渗入牙本质小管，粘接强度更高[4，19]，而且本实验模拟的几种桩材料均可以用树脂粘接剂来粘接，符合临床实际[5，17，20]。

表2 各部件及交界面的最大主应力峰值 (MPa)Fig 2 Maximum principal stress peak value of components and interfaces (MPa)

图2 应力分布Fig 2 Stress distribution in dental post

影响桩核冠系统修复后牙齿折断的最重要因素是剩余牙体组织的多少，根管桩材料的弹性模量不是关键因素[21-22]。本实验中虽然PEEK材料桩相较传统材料桩增加了牙体组织的应力，但是应力增加水平并不显著，且分布相差无几。

桩-核-粘接剂-牙本质复合体的稳定决定了桩核冠修复的长期效果，从实验和临床表现上看桩-粘接剂界面比粘接剂-牙本质界面更容易失败[14，23]。除了本身材料粘接性能的原因外，与粘接界面的力学特征也有关系[8]，应力值越小，分布越平均，则复合体越稳定。高弹性模量的桩由于自身抗折性佳，受力后不易弯曲，会在交界面上产生较大应力[24]。而低弹性模量的桩在桩-粘接剂界面的应力就比较小，分布就更为均匀[5]。而核内部应力的增大意味着折裂的风险高，脱落的几率大，因此本研究中，弹性模量最低的无填料PEEK桩进行桩核冠修复是需要进一步考量的；CFR-PEEK桩组的各方面结果则比较理想，可以有效降低桩、粘接剂及粘接界面的应力水平(表2，图2)。

PEEK材料在口腔医学领域的研究越来越多，Uhrenbacher等[20]发现PEEK材料采用合适的表面处理以及适宜的粘接剂，可以与牙本质获得良好的粘接。除此之外，该材料在37～95 ℃的水环境下进行5 000 h的循环压缩疲劳实验后，其压缩模量、压缩强度、泊松比均不会有显著变化[18]。这些特性意味着PEEK材料在口腔医学领域还有很广阔的应用前景。本实验利用有限元方法对该材料在桩核冠中的应用进行了研究评价，结果显示其较传统修复材料有一定优势，然而要真正付诸于临床还需要更多完善细致和长期的研究。

4 结 论

根据现有研究数据，并结合其他文献报道，本实验可以得出以下结论：①根管桩材料的选择上要以接近牙本质为宜，弹性模量过大或过小都会导致不同部位的应力集中，不利于桩核冠系统整体的稳定。②与牙本质弹性模量接近的CFR-PEEK材料做根管桩可以有效降低桩、粘接剂及粘接界面的应力水平，有助于减少修复体应力疲劳和脱粘接现象。