数字化设计的微种植体辅助上颌快速扩弓器的生物力学效应：三维有限元分析
《BMC Oral Health》：The effect of different micro-implant-assisted rapid palatal expanders designed digitally: a three-dimensional finite element analysis
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时间：2025年11月04日
来源：BMC Oral Health 3.1
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本研究针对上颌横向发育不足(MTD)治疗中微种植体辅助快速腭扩展(MARPE)装置的设计优化问题，通过三维有限元分析(FEA)系统比较了不同支持方式（牙-骨支持与纯骨支持）、不同微种植体数量（4颗/6颗）与位置（线性/C型排列）对扩弓效果的影响。研究发现6颗微种植体设计能显著提升扩弓效率，其中C型设计应力分布更广，线性设计微种植体稳定性更佳。该研究为个体化数字化设计MARPE装置提供了理论依据，对提升成年患者非手术扩弓成功率具有重要意义。
当上颌宽度发育不足时，患者不仅面临牙列拥挤、后牙反等咬合问题，还可能影响口腔功能与面部美观。传统快速腭扩展(RPE)在成年患者中因腭中缝(MPS)骨性融合常导致扩弓失败，而手术辅助扩弓(SARPE)又存在创伤大、并发症多等局限。微种植体辅助快速腭扩展(MARPE)技术的出现为非手术矫治上颌横向发育不足(MTD)提供了新思路，但关于微种植体最佳数量、位置及装置支持方式的选择仍存争议。
在这项发表于《BMC Oral Health》的研究中，刘益欣团队通过三维有限元分析(FEA)这一生物力学研究利器，系统评估了6种数字化设计的MARPE装置扩弓效应。研究人员创新性地将微种植体配置分为4颗传统型(Type-A)、6颗线性排列型(Type-B)和6颗C型排列型(Type-C)，并结合牙-骨支持(Type-1)与纯骨支持(Type-2)两种支持方式，构建了A1/A2/B1/B2/C1/C2六组实验模型。
关键技术方法涵盖：基于锥形束CT(CBCT)和口内扫描数据配准的个性化微种植体通道数字化设计；通过医学建模软件构建包含颅颌面复合体、微种植体及扩弓器的精细化三维模型；采用双阶段加载模拟（腭中缝未打开阶段弹性模量500 MPa，打开后1 MPa）的有限元分析方法；对颅颌面复合体应力分布、微种植体稳定性、牙齿倾斜度及扩弓效率等多维度指标的生物力学评估。
von Mises应力(VMS)在颅颌面复合体的分布
在扩弓第一阶段（腭中缝未打开），六组模型的应力分布模式基本相似，应力主要集中于上颌颧突、翼突和牙槽区域。6颗微种植体设计（B型、C型）在梨状孔下缘、鼻额区及前牙槽区出现更广泛的应力分布，其中C型应力分布范围最广。牙-骨支持型(Type-1)较纯骨支持型(Type-2)在第一磨牙及牙槽区应力分布更广泛。
所有模型中腭中缝(MPS)的VMS值最高，翼腭缝(PPS)次之。6颗微种植体设计在MPS周围骨缝的VMS值显著高于4颗设计（B型＞C型＞A型）。除MPS外，牙-骨支持型在多数标志点的VMS值高于纯骨支持型。
微种植体周围皮质骨的最大VMS位于种植体与腭骨连接区。相同植入位置时，微种植体和周围皮质骨的VMS值表现为B型＜C型＜A型，纯骨支持型应力值普遍高于牙-骨支持型。第三主应力值从前向后逐渐降低，表明前部微种植体承受更大压应力。
微种植体的VMS主要集中于颈部区域，纯骨支持型的VMS值高于牙-骨支持型。变形向量图显示，腭中缝两侧微种植体沿其长轴方向位移，骨量较薄区域位移趋势更明显。C型设计的侧方微种植体呈现沿长轴嵌入的趋势。
腭中缝未打开时，纯骨支持型第一磨牙倾斜率显著小于牙-骨支持型；腭中缝打开后，两种支持方式的磨牙倾斜率基本相等。这表明腭中缝打开后，第一磨牙不再承担扩弓锚固作用。
6颗微种植体设计的扩弓效率显著优于4颗设计（B型＞C型＞A型），微种植体越靠近腭中缝，扩弓效率越高。两种支持方式的扩弓效率基本相当。
在矢状平面上，4颗微种植体设计基本实现平行扩弓（A1、A2平行度分别为98.3%、96.5%），而6颗设计呈现"前宽后窄"的V型扩弓（B型＜C型＜A型）。所有模型在垂直方向均表现为"下宽上窄"的扩弓模式，腭部有下降变平趋势。
本研究通过精细化有限元分析揭示了不同MARPE设计方案的生物力学特性：6颗微种植体设计能更有效分散应力、提升扩弓效率，其中C型排列具有更广泛的应力分布范围，而线性排列在扩弓效率和微种植体稳定性方面表现更优。在支持方式选择上，牙-骨支持型能更有效传递扩弓力至颅颌复合体，但会在腭中缝打开前增加第一磨牙颊倾风险。
这些发现为临床个体化治疗方案制定提供了重要参考：对于扩弓阻力大、腭中缝融合显著的患者，可考虑采用6颗微种植体设计；后部骨量不足者适宜前部加种植体的线性设计，而骨条件良好、需广泛应力分布者更适合C型设计。该研究强调了基于CBCT与口内扫描数据配准的数字化设计在实现精准扩弓中的关键作用，为推进个性化正畸治疗提供了理论依据和技术支持。
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