贺龙龙，王 淼，王婉蓉，李 哲，常晓峰
（西安交通大学口腔医院种植科 陕西 西安 710004）
种植体的机械并发症包括种植体折断、种植体中央螺丝折断和基台折断等。种植体折断对于种植医生是一件非常棘手的事情，大部分需要外科取出。种植体折断在临床中发生率不高，5年发生率为4%[1]，最常发生的是中央螺丝折断（8.5%）和基台折断（5.5%）[2]。种植体部件的折断通常发生在过度的轴向力，水平负荷，功能性活动（咀嚼）或者非功能性活动（如：磨牙）时[3-6]。在一些病例中，折断部件可以通过探针或其他器械取出，但是大多数病例折断的中央螺丝不能被取出。临床中常使用高速手机或超声器械去研磨折断部件，这些操作都会产生大量的热。
钛是很好的热传导材料，在使用高速手机打磨钛基台、中央螺丝时，很可能会造成种植体周围骨的热损伤，严重时可能会损伤骨结合[7-9]，而骨结合又是种植修复成功的先决条件[10]。目前被广泛认可的一种理论是：造成骨坏死的临界温度为47℃持续1min[11]。考虑到种植体热传导的重要性和高温导致骨损伤的可能，本文采用三维有限元（Finite Element Method，FEM）的方法分析种植体和其周围牙槽骨的热分布情况，以期为临床医生操作提供理论依据并为种植体-骨热力学分析提供参考。
1 材料和方法
1.1 模型建立：三维有限元分析由模型建立，数值计算和结果后处理三部分组成。本文中种植体-下颌骨模型是通过将CBCT图像导入至MIMICS10.01软件中建立实体模型[12-13]。使用UG8.0软件，在种植体-下颌骨模型的基础上，对种植体模型细化来模拟两种不同的临床情况（见图1）。模型I，种植体去除中央螺丝,选用中央螺丝底面为加热面，仿真打磨中央螺丝时产热最多部位的热传导情况；模型Ⅱ，种植体安装覆盖螺丝，仿真打磨种植体或基台时的热传导。种植体为4.1mm×10mm的Strauman软组织水平种植体。在此模型中，下颌骨区分密质骨和松质骨。用ANSYS17.0对模型进行网格划分，并局部加密种植体及种植体周围的骨质（见图2）。模型I共由492 995点和2 722 336和非四面体组成，模型Ⅱ共由108 974点和6 250 573非四面体组成。热传导分析在ANSYS17.0的CFD模块进行。在数值计算结束之后使用CFD-POST（ANSYS17.0）软件进行后处理和提取数据。
图1 种植体模型（I、I I）
1.2 材料属性：此实验中所有的部件被假设为均匀、独立的不受温度依赖的材料。此分析中所使用的材料特性见表1。
1.3 热载荷条件：两个模型中加热面是不同的。在模型I中，加热面被定义为中央螺丝孔的底面（见图1 Model I）；在模型Ⅱ中，加热面被定义为种植体覆盖螺丝的表面（见图1 ModelⅡ）。热载荷（Ts）施加于加热面上。热载荷为恒温，分别为50℃,60℃,70℃,80℃,90℃,100℃持续加热10s[9,16]。从口腔中向种植体交换的热能（q）可以从以下公式得到：
图2 模型进行网格划分，局部加密种植体及种植体周围的骨质
表1 有关热力学参数[1]
在这里h是传热系数约等于500J/(m2s℃)[15]，A是加热面。暴露于口腔的界面均设置为二类边界条件。在本文中，笔者假设热的传导只通过种植体到骨，软组织不计入其内。整个模型的初始温度设置为人体温度37℃。
2 结果
本实验中选取种植体表面三个点的温度来评估种植体周围的温度分布[12，16]。这三个点分别为种植体颈1/3与骨交界面（P1），中1/3与骨交界面（P2），根1/3与骨交界面（P3）[15]（见图3）。当向种植体加热面施加热载荷时这三个点代表着种植体周围骨温度的变化。P点在10s中达到的最大温度和到达47℃时间见表2、表3。
2.1 模型I：当加载温度为50℃时，P1、P2、P3最大温度分别为42.9℃、40.5℃和39.4℃；在加载时间内，温度没有超过47℃。当延长加载时间至5min时，种植体周围的温度平稳在43.9℃。当加载温度为60℃、70℃时，P1到达47℃分别出现在8s、2s；P2、P3点的温度在10s内没有到达临界温度47℃。当加载温度90℃、100℃时，P1点的温度约在1s时到达47℃，P2、P3约在4s、8s时到达。
2.2 模型Ⅱ：当加载温度为50℃时，P1、P2、P3最大温度分别为44.1℃、42.7℃和41.5℃；在加载时间内，温度没有超过47℃。当延长加载时间至5min时，种植体周围的温度平稳在44.7℃。当加载温度为60℃时，P1、P2到达47℃分别出现在2.5s、9s；当加载温度为70℃时，P1、P2、P3均到达47℃，分别出现在1S、3.5s和7.5s；当加载温度80℃、90℃、100℃时，P1点的温度约在不到1s时已到达47℃，P2、P3约在1s、3s时到达。
表2 模型I中最大温度及到达47℃时间
表3 模型Ⅱ中最大温度及到达47℃时间
图3 种植体及周围区域的温度分布云图及P1、P2、P3点的分布
3 讨论
机械并发症是种植体失败和拔除的主要原因之一。临床医生都希望在取出断裂部件时不要损伤周围牙槽骨，因为这会影响种植体的稳定性。在Meisberger[8]的体外实验中，研究了使用超声器械取出种植体折断部件时种植体温度分布的情况。在本研究中，笔者用种植体-下颌骨的三维模型研究使用高速手机打磨断裂部件时种植体周围牙槽骨温度分布的情况。
有限元分析结果显示，不管是打磨种植体、基台，还是中央螺丝时，种植体热传导很快，周围骨在10s之内就可以到达骨损伤的临界温度，也就意味着很容易形成骨的热损伤。当笔者在水冷却不充分的情况下打磨种植体的折断中央螺丝时（即模型I中加载温度60℃、70℃、80℃、90℃、100℃），温度上升非常快，在10s内增加了7.1℃、12.0℃、18.0℃、23.4℃、28.9℃，最大温度均超过骨损伤的临界温度47℃。随着加载温度的升高，到达47℃的时间也变的更短。这个结果提示我们在没有水冷却时，高速手机打磨种植体部件应该是被禁止的，打磨时间只需要1s种植体周围温度即会到达损伤温度。在研磨时有足够的水冷却时（即加载温度为50℃）[9,16]，种植体周围的最大温度和平稳温度均小于临界温度。Gabay等[17]在体外实验中使用高速手机调磨一段式种植体时，在无水冷却时种植体周围温度在（5.73±1.16）s时到达47℃，到达之后温度还会上升一段时间至最大温度，但是在水冷却的环境下，温度均小于47℃。与模型I相比，模型Ⅱ的温度上升相对较快，最高温度主要集中在颈部（P1）。临床中研磨种植体或基台时，较打磨中央螺丝也更容易得到足够的水冷却。当有足够的水冷却时（即模型Ⅱ中加载温度为50℃时），种植体周围的最高温度和平稳温度均小于损伤临界温度，也就是说研磨种植体或者调磨基台都是安全的。基于温度上升较快但易得到足够多的水冷却，研磨种植体和基台造成骨热损伤的风险较打磨中央螺丝低。但是从到达47℃的时间我们可以看出，间断调磨的原则仍需要坚持。
目前，已有各种器械去处理种植的机械并发症，不管是折断的种植体、基台或是中央螺丝。通常情况下，在确定剩余部分的位置时，大家可以尝试利用专用器械逆时针取出。另外，文献报道超声和化学液体亦可以有效取出残余断裂部分，但是也会有损伤内部结构和过度产热的风险[7-8]。本文研究结果表明，使用高速手机或超声打磨折断种植体部件是一个非常危险的操作，尤其是无法保证水冷却的情况下。因此，建议临床医生应谨慎选择此种方式，使用时要有有效的水冷却，同时笔者也推荐使用额外的冷冻生理盐水冷却。在临床操作中，使用高速手机或超声打磨时，患者会感到疼痛。结合本实验，笔者认为产热是造成疼痛的主要原因。这也提示临床医生，在打磨时不要使用麻醉，以免掩盖过度产热导致患者疼痛这个重要信息。
本文利用两个模型来模拟临床中处理种植体机械并发症时可能造成的热损伤及热传导的形式。对于临床医生在打磨种植体、基台、中央螺丝时的方式有一定参考意义，并给以后种植体热力学研究提供参考。然而三维有限元仍有很多局限性，例如忽略了许多临床因素及软组织的反应。
4 结论
种植的机械并发症对临床医生而言是非常棘手的事情。通过该实验可以得出结论，使用高速手机打磨种植体折断部件是一件高危险性的操作，尤其是在打磨中央螺丝时。当打磨时没有足够的水冷却，只需要几秒钟种植体周围牙槽骨就可以到达骨损伤临界温度。临床医生必须谨慎选择此操作方式，应间断研磨，并且建议不要给予局部麻醉以免掩盖操作温度过高时患者的自觉症状。
[1]Shemtov-Yona K, Rittel D.On the mechanical integrity of retrieved dental implants[J]. J Mech Behav Biomed Mater,2015,49:290-299.
[2]Pjetursson BE, Asgeirsson AG, Zwahlen M, et al.Improvements in implant dentistry over the last decade:comparison of survival and complication rates in older and newer publications[J].Int J Oral Maxillofac Implants,2014,29 Suppl:308-324.
[3]Huang HM,Tsai CM,Chang CC,et al. Evaluation of loading conditions on fatigue-failed implants by fracture surface analysis[J].Int J Oral Maxillofac Implants,2005,20(6):854-859.
[4]Dittmer MP,Dittmer S,Borchers L,et al.Influence of the interface design on the yield force of the implant–abutment complex before and after cyclic mechanical loading[J]. J Prosthodont Res,2012,56(1):19-24.
[5]Salinas T,Eckert S.Implant-supported single crowns predictably survive to five years with limited complications[J].J Evid Based Dent Pract,2012,10(1):56-57.
[6]Shemtovyona K, Rittel D.An Overview of the Mechanical Integrity of Dental Implants[J].Biomed Res Int,2015,2015(2):1-11.
[7]Oh SL,Barnes D.Managing a fractured implant: A clinical report[J].J Prosthet Dent,2016,115(4):397-401.
[8]Meisberger EW,Bakker SJG,Cune MS.Temperature rise during removal of fractured components out of the implant body: an in vitro study comparing two ultrasonic devices and fi ve implant types[J].Int J Implant Dent,2015,1(1):7.
[9]Brägger U, Wermuth W, Török E. Heat generated during preparation of titanium implants of the ITI Dental Implant System: an in vitro study[J].Clin Oral Implants Res, 2010,6(4):254-259.
[10]Parithimarkalaignan S,Padmanabhan TV. Osseointegration: An Update[J].J Indian Prosthodont Soc,2013,13(1):2-6.
[11]Eriksson AR,Albrektsson T.Temperature threshold levels for heatinduced bone tissue injury:a vital-microscopic study in the rabbit[J].J Prosthet Dent,1983,50(1):101-107.
[12]Çelik Köycü B, İmirzalıoğlu P. Heat Transfer and Thermal Stress Analysis of a Mandibular Molar Tooth Restored by Different Indirect Restorations Using a Three-Dimensional Finite Element Method[J].J Prosthodont,2017,26(5):460-473.
[13]Ishak MI,Kadir MRA,Sulaiman E,et al. Finite element analysis of different surgical approaches in various occlusal loading locations for zygomatic implant placement for the treatment of atrophic maxillae[J].Int J Oral Maxillofac Surg,2012, 41(9):1077-1089.
[14]Genovese K,Lamberti L,Pappalettere C.Structural behaviour of endodontically treated teeth under thermomechanical loading[J].Proc Inst Mech Eng H,2006,220(8):909.
[15]Oskui IZ,Ashtiani MN,Hashemi A,et al.Thermal analysis of the intact mandibular premolar: a fi nite element analysis[J].Int Endodont J,2013,46(9):841-846.
[16]Ormianer Z,Lewinstein I,Moses O.Heat generation in 1-piece implants during abutment preparations with high-speed cutting instruments[J].Implant Dent,2013, 22(1):60-65.
[17]Gabay E,Cohen O,Machtei EE.Heat production during prosthetic preparation of a one-piece dental implant[J].Int J Oral Maxillofac Implants,2010,25(6):1131.
