第六章种植修复义齿的生物力学 将工程学原理应用于人体组织的生物医学工程学，开启了疾病诊断、治疗和 康复的新纪元。作为生物医学工程分支学科之一，生物力学主要研究生物组织对 力学负荷的反应，以及活体组织结构与功能的关系。基于生物力学在口腔医学中 的应用，机械设计的“最优化”理论(optimization theory)推动了种植体系 统和上部修复方式的发展。本章将着重论述与口腔种植义齿设计与长期成功率相 关的口腔生物力学基本理论和原则。 第一节种植义齿的生物力学概论 一.种植义齿的力学负荷 在口腔环境下，种植义齿的力学负荷主要包括：①矜力，咬合或咀嚼时对 领牙直接施在种植义齿上的力：②口腔组织作用力，如：下颌骨屈曲、唇肌、 颊肌、舌肌的运动，等：③种植系统的应力，外部或内部负荷在系统内不同组 件间传递的力：④重力和气流压力，等。 (一)殆力 口腔种植义齿行使功能时承受的咬合力。殆力在大小、频率和时程上都存在 较大个体差异，主要取决于患者咀嚼肌力的大小、牙周健康情况以及咬合习惯。 殆力是导致种植义齿发生远期机械并发症的重要力学风险因素，夜磨牙、紧咬牙 习惯会使咬合力增大且作用时间更长，需要特别注意。在即刻修复或即刻负重的 情况下，处于骨结合过程中的种植体若无可靠的初期稳定性，或缺乏上部修复体 的刚性连接，则可能会在殆力影响下发生“宏动”(Macro-movement),从而增 加种植体的失败几率。 (二)口腔组织作用力 在种植体的骨结合期，由于临时修复体或愈合帽与唇、颊肌和舌体的接触， 口腔的肌肉运动都会使其受到较小的高频负荷。此外，下颌骨的屈曲也会使种植 体承受到周围骨组织的机械应力负荷，并在不同程度上影响骨结合的成功率。存 在口腔功能不良习惯或舌肌肌力异常时，临时修复体、愈合帽和种植体受到周围 组织的被动负荷将异常增大。此外，为了降低愈合帽松动、脱落的风险，建议选 择种植体埋置式植入或放置齐龈高度的愈合帽。 (三)种植系统的应力
1 第六章 种植修复义齿的生物力学 将工程学原理应用于人体组织的生物医学工程学，开启了疾病诊断、治疗和 康复的新纪元。作为生物医学工程分支学科之一，生物力学主要研究生物组织对 力学负荷的反应，以及活体组织结构与功能的关系。基于生物力学在口腔医学中 的应用，机械设计的“最优化”理论（optimization theory）推动了种植体系 统和上部修复方式的发展。本章将着重论述与口腔种植义齿设计与长期成功率相 关的口腔生物力学基本理论和原则。 第一节 种植义齿的生物力学概论 一．种植义齿的力学负荷 在口腔环境下，种植义齿的力学负荷主要包括：① 牙合力，咬合或咀嚼时对 颌牙直接施在种植义齿上的力；② 口腔组织作用力，如：下颌骨屈曲、唇肌、 颊肌、舌肌的运动，等；③ 种植系统的应力，外部或内部负荷在系统内不同组 件间传递的力；④ 重力和气流压力，等。 （一）牙合 力 口腔种植义齿行使功能时承受的咬合力。牙合力在大小、频率和时程上都存在 较大个体差异，主要取决于患者咀嚼肌力的大小、牙周健康情况以及咬合习惯。 牙合力是导致种植义齿发生远期机械并发症的重要力学风险因素，夜磨牙、紧咬牙 习惯会使咬合力增大且作用时间更长，需要特别注意。在即刻修复或即刻负重的 情况下，处于骨结合过程中的种植体若无可靠的初期稳定性，或缺乏上部修复体 的刚性连接，则可能会在牙合力影响下发生“宏动”（Macro-movement），从而增 加种植体的失败几率。 （二）口腔组织作用力 在种植体的骨结合期，由于临时修复体或愈合帽与唇、颊肌和舌体的接触， 口腔的肌肉运动都会使其受到较小的高频负荷。此外，下颌骨的屈曲也会使种植 体承受到周围骨组织的机械应力负荷，并在不同程度上影响骨结合的成功率。存 在口腔功能不良习惯或舌肌肌力异常时，临时修复体、愈合帽和种植体受到周围 组织的被动负荷将异常增大。此外，为了降低愈合帽松动、脱落的风险，建议选 择种植体埋置式植入或放置齐龈高度的愈合帽。 （三）种植系统的应力
构成种植义齿系统的各个机械部件，包括种植体、基台、中央螺丝、上部修 复体等，在装配固位后可被视为一个复杂的机械构件整体。种植义齿受到外部或 内部负荷后将发生形变，会在种植系统内各构件之间产生相互作用的应力 (Stress),且呈现不同的应力分布。系统内的应力按照产生原因的不同，可分 为以下两种：外部受载时的应力传导和内部装配时的预应力。 1.外部受载的应力传导当系统内各组件进行机械装配并连接为一个整体 后，外部负荷作用于上部修复体，借由各组件间的接触界面进行分散传导，最终 全部传递到种植体周围的骨组织中，当外部负荷撤销后系统内无应力余留（表 6.1-a)。 2.内部装配时的预应力种植系统装配固位时的预应力是必须的（如：固 位螺丝旋紧后产生的压应力)，系统内的预应力与是否受殆力无关，只要装配固 位完成就会存在。然而，临床医生往往忽略由于精度误差在各组件间发生主动就 位(active emplacement)而造成的预应力过载，后者将带来一系列危险。例如： 螺丝固位桥体由于取模精度不足而发生主动就位，可能造成桥体与基台之间较 大的弹性形变，从而产生在种植系统内部残留过大的预应力，即使没有外部负荷 基台和种植体也会受到具有潜在破坏性的应力负荷（表6.1-b)。这种过载的预 应力只有在组件发生塑性形变或机械性破坏后才会消失。但需要注意的是，存在 预应力过载的系统内组件内部将出现应力集中。特别是疲劳受载的情况下，若合 应力水平高于材料的强度极限，将会发生结构性的机械破坏，从而影响种植系统 的疲劳寿命。 (四)重力和气流压力 重力和气流压力会持续作用于种植义齿系统，在种植体骨结合后二者的影 响会相对较小，但在骨结合过程中建议选择质量较轻的临时修复体。 二，殆力的生物力学解析 力的性质可以用从大小、方向、类型、持续时间以及增幅等方面来进行描述。 作用于种植义齿的胎力均为矢量(vector),其兼具有大小和方向。因此在描述 力的属性时，“作用于近中牙冠上的75N殆力”这样的描述是不准确的，应改为 “作用于近中牙冠上与种植体长轴方向一致的7N殆力”。成人牙齿的最大胎 力与年龄、性别、饮食习惯、缺牙时间、缺牙情况、咬合位置及口腔异常功能等
2 构成种植义齿系统的各个机械部件，包括种植体、基台、中央螺丝、上部修 复体等，在装配固位后可被视为一个复杂的机械构件整体。种植义齿受到外部或 内部负荷后将发生形变，会在种植系统内各构件之间产生相互作用的应力 （Stress），且呈现不同的应力分布。系统内的应力按照产生原因的不同，可分 为以下两种：外部受载时的应力传导和内部装配时的预应力。 1. 外部受载的应力传导 当系统内各组件进行机械装配并连接为一个整体 后，外部负荷作用于上部修复体，借由各组件间的接触界面进行分散传导，最终 全部传递到种植体周围的骨组织中，当外部负荷撤销后系统内无应力余留（表 6.1-a）。 2. 内部装配时的预应力 种植系统装配固位时的预应力是必须的（如：固 位螺丝旋紧后产生的压应力），系统内的预应力与是否受牙合力无关，只要装配固 位完成就会存在。然而，临床医生往往忽略由于精度误差在各组件间发生主动就 位（active emplacement）而造成的预应力过载，后者将带来一系列危险。例如： 螺丝固位桥体由于取模精度不足而发生主动就位, 可能造成桥体与基台之间较 大的弹性形变，从而产生在种植系统内部残留过大的预应力，即使没有外部负荷 基台和种植体也会受到具有潜在破坏性的应力负荷（表 6.1-b）。这种过载的预 应力只有在组件发生塑性形变或机械性破坏后才会消失。但需要注意的是，存在 预应力过载的系统内组件内部将出现应力集中。特别是疲劳受载的情况下，若合 应力水平高于材料的强度极限，将会发生结构性的机械破坏，从而影响种植系统 的疲劳寿命。 （四）重力和气流压力 重力和气流压力会持续作用于种植义齿系统，在种植体骨结合后二者的影 响会相对较小，但在骨结合过程中建议选择质量较轻的临时修复体。 二．牙合 力的生物力学解析 力的性质可以用从大小、方向、类型、持续时间以及增幅等方面来进行描述。 作用于种植义齿的牙合力均为矢量（vector），其兼具有大小和方向。因此在描述 力的属性时，“作用于近中牙冠上的 75N 牙合力”这样的描述是不准确的，应改为 “作用于近中牙冠上与种植体长轴方向一致的 75N 牙合力”。 成人牙齿的最大牙合 力与年龄、性别、饮食习惯、缺牙时间、缺牙情况、咬合位置及口腔异常功能等
因素相关（表1）。 多考文献 年龄（年教量牙尖牙 前牙 唐牙 注 Brun等 26-41 142 710N 男性：789：女性：596 31.1 第二前磨牙和第二磨牙 (仕4.9 32a-485N 424-583N 475-749 左和右（仅男性） hAn第 (成年)57150w 450N 21-30 572N 31-40 481N 从图形转换在左、右第 41-50 564 N 卧牙测量 51-60 485N 61-70 374N 18-20 176N 第一磨牙或第一前习 表6.1不同年龄人类牙齿的最大咬合力 (一)矜力的矢量分解 在口腔功能状态下，作用于种植体的力很少局限在某一个轴向上。正常生理 情况下，种植体所受的负荷可以大致分为三个主要轴向：近/远中向、颊/舌向和 垂直向（图6.1）。即便是单一的咬合接触，殆力在大多数时候也会产生三个主 要方向上的分矢量，并用其在不同轴向上的向量来描述。将一个三维空间方向上 的力分解为不同向量的过程，称为矢量分解。 图6.1力的方向是三维的，沿着一条或多条临床坐标轴：近远中向、居舌向和后向（垂直向） 种植义齿的咬合接触点，直接体现了其受到沿力的位置和大小。而牙冠的殆 面形态、基台角度、种植体位点和三维轴向，则决定了传递到种植体的殆力在三 维方向的矢量分解情况。在种植义齿功能性负荷的过程中，相较于殆力的大小， 胎力的方向对种植体寿命、种植体周围骨组织长期稳定的影响更大。因此，在种
3 因素相关（表 1）。 参考文献 年龄（年 ） 数量 切牙 尖牙 前磨牙 磨牙 注 释 Braun 等 26-41 142 710N 男性：789N；女性：596N van Eijdenx 31.1 (±4.9) 7 323- 485 N 424-583 N 475-749N 第二前磨牙和第二磨牙， 左和右（仅男性） Dean 等 （成年） 57 150N 450 N 从图形转换在左、右第一 Bakke 等 磨牙测量 21-30 20 572 N 31-40 20 481 N 41-50 20 564 N 51-60 17 485 N 61-70 8 374 N Braun 18-20 176 N 第一磨牙或第一前磨牙 表 6.1 不同年龄人类牙齿的最大咬合力 （一）牙合力的矢量分解 在口腔功能状态下，作用于种植体的力很少局限在某一个轴向上。正常生理 情况下，种植体所受的负荷可以大致分为三个主要轴向：近/远中向、颊/舌向和 垂直向（图 6.1）。即便是单一的咬合接触，牙合力在大多数时候也会产生三个主 要方向上的分矢量，并用其在不同轴向上的向量来描述。将一个三维空间方向上 的力分解为不同向量的过程，称为矢量分解。 图 6.1 力的方向是三维的，沿着一条或多条临床坐标轴：近远中向、唇舌向和牙合 向（垂直向） 种植义齿的咬合接触点，直接体现了其受到牙合力的位置和大小。而牙冠的牙合 面形态、基台角度、种植体位点和三维轴向，则决定了传递到种植体的牙合力在三 维方向的矢量分解情况。在种植义齿功能性负荷的过程中，相较于牙合力的大小， 牙合力的方向对种植体寿命、种植体周围骨组织长期稳定的影响更大。因此，在种
植体植入方案设计和基台、修复体设计中，经常会设法让矢量分解更加优化，增 大轴向（垂直）负荷而减少横向（水平）负荷，从而有利于种植义齿、种植体和 周围骨组织的长期稳定。具体方案如下： 1.修复为导向的种植体植入 在种植体植入时，应尽量让种植体的方向与殆力的方向保持一致，可使种植 体所受矜力更多沿种植体的长轴进行传递。对于骨量充足的病例而言，通过数字 化专业软件设计种植方案和CAD-CAM种植外科导板的协助，达到以“修复为导向” 的种植体植入并不困难。所谓以修复为导向，即是以最终修复体的外形和轴向为 参考，保证种植体轴向与牙冠（或殆力）的长轴方向一致。然而，对于牙槽骨严 重萎缩或牙槽骨轴向与牙根严重不一致的病例，则很难保证以修复为导向的最佳 植入位点和方向。 2.基台的合理选择 当种植体植入轴向或位点不理想时，常会在功能状态下处于较大的横向负荷 中。此时，为了保证修复体的就位道和美学修复问题，口腔技师常选择使用角度 基台，这不但无法改变殆力的矢量分解，减小种植体受到的水平分力，反而会造 成牙冠和基台的并发症。如：牙冠脱落、崩瓷、义齿折裂，乃至于发生基台的折 裂。为了降低牙冠脱落和崩瓷的危险，可考虑采用直径较大的个性化基台或在后 牙区采用螺丝固位基台。即便如此，也无法完全避免义齿折裂、基台折断和种植 体周围骨的慢性吸收。 3.咬合设计 对于种植体已完成植入的即刻或最终修复而言，咬合设计是决定种植体三维 方向受力的最终关键因素。例如：若修复体的咬合设计导致较大的颊/舌向殆力 分量（横向负荷），则种植体在颊舌方向上发生疲劳破坏的风险较高。因此，通 过调整上部修复体的咬合接触位置，可以在一定程度上重新改变整个种植体系统 的受力分配。通过在技工临床上设计种植体保护殆，或通过椅旁的调殆消除早接 触，均能减小对种植体危害较大的水平向分力（具体见本章第二节）。 (二)殆力传导的三种形式 殆力传导至种植义齿，会在其系统内产生三种类型的应力形式：压应力 (pressure stress)、张应力(tensile stress)和剪切应力(shear stress)
4 植体植入方案设计和基台、修复体设计中，经常会设法让矢量分解更加优化，增 大轴向（垂直）负荷而减少横向（水平）负荷，从而有利于种植义齿、种植体和 周围骨组织的长期稳定。具体方案如下： 1. 修复为导向的种植体植入 在种植体植入时，应尽量让种植体的方向与牙合力的方向保持一致，可使种植 体所受牙合力更多沿种植体的长轴进行传递。对于骨量充足的病例而言，通过数字 化专业软件设计种植方案和 CAD-CAM 种植外科导板的协助，达到以“修复为导向” 的种植体植入并不困难。所谓以修复为导向，即是以最终修复体的外形和轴向为 参考，保证种植体轴向与牙冠（或牙合力）的长轴方向一致。然而，对于牙槽骨严 重萎缩或牙槽骨轴向与牙根严重不一致的病例，则很难保证以修复为导向的最佳 植入位点和方向。 2. 基台的合理选择 当种植体植入轴向或位点不理想时，常会在功能状态下处于较大的横向负荷 中。此时，为了保证修复体的就位道和美学修复问题，口腔技师常选择使用角度 基台，这不但无法改变牙合力的矢量分解，减小种植体受到的水平分力，反而会造 成牙冠和基台的并发症。如：牙冠脱落、崩瓷、义齿折裂，乃至于发生基台的折 裂。为了降低牙冠脱落和崩瓷的危险，可考虑采用直径较大的个性化基台或在后 牙区采用螺丝固位基台。即便如此，也无法完全避免义齿折裂、基台折断和种植 体周围骨的慢性吸收。 3. 咬合设计 对于种植体已完成植入的即刻或最终修复而言，咬合设计是决定种植体三维 方向受力的最终关键因素。例如：若修复体的咬合设计导致较大的颊/舌向牙合力 分量（横向负荷），则种植体在颊舌方向上发生疲劳破坏的风险较高。因此，通 过调整上部修复体的咬合接触位置，可以在一定程度上重新改变整个种植体系统 的受力分配。通过在技工临床上设计种植体保护牙合，或通过椅旁的调牙合消除早接 触，均能减小对种植体危害较大的水平向分力（具体见本章第二节）。 （二）牙合 力传导的三种形式 牙合力传导至种植义齿，会在其系统内产生三种类型的应力形式：压应力 （pressure stress）、张应力（tensile stress）和剪切应力（shear stress）
压应力使物体相互挤压，张应力使物体分开，而剪切应力作用于种植体可引起滑 动错位。相对而言，剪切应力比其他应力形式更具破坏性。种植义齿系统对于压 应力的适应性最强：皮质骨对压应力的抵抗力最强，而抵抗剪切力的能力明显弱 于压应力。压应力对于维持种植体-骨界面的完整性而言最有利，而张应力和剪 切应力则会起到破坏种植体-骨界面的作用。此外，水门汀、基台、中央螺丝、 种植体、牙冠以及种植体-骨界面适应压应力的能力均明显强于张应力或剪切应 力。 例如：磷酸锌水门汀粘接剂的抗压强度为83103MPa(12,00015,000psi), 注：1兆帕(Pa)=145磅/英寸(psi),而其抗张强度和抗剪切强度则要低得多 (500psi)(图6.2)。纵观整个种植体系统，各个组成组件对抗压应力的能力 均强于张力和剪切应力。因此，应将殆力更多地转化为压应力，减少张应力和剪 切应力，可以更好地保护整个种植体系统。 F=力 Fx=法线方向分力 F。=剪切分力 图6.2物体所受之力下在一个给定平面中可被分解为法线方向分力和剪切分力，不 同方向的F力所产生的效果取决于力的作用方向 对于单牙位或多单位的种植修复体而言，偏离种植体轴向的胎力会导致弯曲 性的负荷，这通常会导致拉应力和剪切力的增高。尤其当存在牙冠或修复体的悬 臂梁时，上部修复体和种植体-骨界面的受力情况则更为复杂。在进行临床方案 设计时，应该综合考虑种植体植入的位置和方向、上部修复体种类以及修复体的 咬合设计，必要时增加种植体的数目以达到分散殆力的目的，并使压应力成为种 植体骨结合界面的主要负荷。 三。种植义齿的生物力学并发症 种植义齿在循环负荷过程中，由于力学因素可导致各种生物力学并发症，临 床上常见以下几种：
5 压应力使物体相互挤压，张应力使物体分开，而剪切应力作用于种植体可引起滑 动错位。相对而言，剪切应力比其他应力形式更具破坏性。种植义齿系统对于压 应力的适应性最强；皮质骨对压应力的抵抗力最强，而抵抗剪切力的能力明显弱 于压应力。压应力对于维持种植体-骨界面的完整性而言最有利，而张应力和剪 切应力则会起到破坏种植体-骨界面的作用。此外，水门汀、基台、中央螺丝、 种植体、牙冠以及种植体-骨界面适应压应力的能力均明显强于张应力或剪切应 力。 例如：磷酸锌水门汀粘接剂的抗压强度为 83~103 MPa（12,000~15,000 psi）, 注：1 兆帕(MPa)=145 磅/英寸 2 (psi), 而其抗张强度和抗剪切强度则要低得多 （500psi）（图 6.2）。纵观整个种植体系统，各个组成组件对抗压应力的能力 均强于张力和剪切应力。因此，应将牙合力更多地转化为压应力，减少张应力和剪 切应力，可以更好地保护整个种植体系统。 图 6.2 物体所受之力 F 在一个给定平面中可被分解为法线方向分力和剪切分力，不 同方向的 F 力所产生的效果取决于力的作用方向 对于单牙位或多单位的种植修复体而言，偏离种植体轴向的牙合力会导致弯曲 性的负荷，这通常会导致拉应力和剪切力的增高。尤其当存在牙冠或修复体的悬 臂梁时，上部修复体和种植体-骨界面的受力情况则更为复杂。在进行临床方案 设计时，应该综合考虑种植体植入的位置和方向、上部修复体种类以及修复体的 咬合设计，必要时增加种植体的数目以达到分散牙合力的目的，并使压应力成为种 植体骨结合界面的主要负荷。 三．种植义齿的生物力学并发症 种植义齿在循环负荷过程中，由于力学因素可导致各种生物力学并发症，临 床上常见以下几种：