再生性根管治疗后的上颌中切牙生物力学评估：扩展有限元分析

《Journal of Emergency Nursing》：Biomechanical evaluation of maxillary central incisors after regenerative endodontic treatment: an Extended Finite Element Analysis

牙齿再生髓治疗后的根成熟对断裂抗力的影响：基于扩展有限元分析的比较研究。

　　本研究由Boyang Wan、Michael V. Swain和Bill Kahler共同完成，他们来自悉尼大学航空航天、机械与机电工程学院（AMME）的工程系，位于澳大利亚新南威尔士州。研究的目的是通过计算机模拟分析两颗上颌中切牙在接受再生牙髓治疗（Regenerative Endodontic Treatment, RET）后的机械行为，其中一颗牙齿未发生进一步的根部成熟，而另一颗则实现了根部成熟。通过对比这两颗牙齿在不同负载条件下的表现，研究人员希望探讨根部成熟是否能有效提升牙齿的抗裂性能，特别是在容易发生断裂的根部近端区域。

再生牙髓治疗是一种新兴的牙科治疗方法，它结合了组织工程的基本原理，旨在修复受损的牙髓并促进牙根的进一步发育。该方法通常包括三个关键要素：可靠的细胞来源，用于生成牙体硬组织和软组织；支架材料，为细胞提供生长和分化所需的结构支持；以及信号分子和生长因子，这些物质能够促进细胞的增殖并引导其分化。虽然再生牙髓治疗在缓解根尖周炎和感染症状、促进牙根发育以及恢复神经再生方面具有潜力，但目前仍然存在一些局限性。例如，根部成熟的效果并不总是稳定，不同研究中对根部发育的评估结果存在差异，这主要体现在牙根长度、根管宽度以及根尖闭合程度等方面。此外，尽管在牙根的中段区域可以使用生物陶瓷材料进行治疗，但这种材料并未显著增强牙根在最易发生断裂的近端区域的强度。

因此，研究人员特别关注了再生牙髓治疗后牙齿的抗裂能力，尤其是在受到外力冲击时的表现。研究表明，传统的根尖形成技术（如钙氧化物聚合物封堵）虽然能有效处理牙髓坏死的牙齿，但无法促进牙根的进一步发育，导致牙根壁变薄，增加了牙齿发生横断性骨折的风险。相比之下，再生牙髓治疗虽然在一定程度上改善了牙根的发育情况，但其对牙根壁的强化效果仍然有限，尤其是在牙根近端区域。为了更准确地评估再生牙髓治疗后牙齿的机械性能，研究人员采用了扩展有限元分析（Extended Finite Element Method, XFEM）这一先进的模拟技术。

有限元分析（Finite Element Analysis, FEA）在牙科研究中已经得到了广泛应用，它能够帮助研究人员了解牙齿在不同负载条件下的机械行为。然而，传统的FEA方法存在一定的局限性，主要体现在其对材料连续性的假设上。一旦材料发生裂纹或损坏，传统的FEA无法准确模拟后续的刚度损失、局部卸载或应力重新分布过程，同时也难以追踪裂纹的传播路径，除非进行复杂的网格重新划分。因此，早期的FEA研究往往只能预测高应力区域，而无法深入分析结构失效的过程，这在理解治疗后牙齿的抗裂能力方面留下了较大的空白。

为了解决这些问题，扩展有限元分析（XFEM）应运而生。XFEM在牙科生物力学领域展现出广阔的应用前景，尤其是在修复设计和治疗方案规划方面。其核心优势在于，它能够独立于基础网格模拟裂纹的形成和扩展，从而避免了在裂纹传播过程中需要频繁重新划分网格的问题。这一特性使得XFEM在模拟复杂骨折过程时更加高效和准确，为研究人员提供了一个强有力的工具，用于评估治疗后牙齿的机械性能。

本研究中，研究人员利用XFEM对两颗上颌中切牙进行了模拟分析。这两颗牙齿在接受再生牙髓治疗后，其根部发育情况存在明显差异：一颗牙齿在治疗后实现了进一步的根部成熟，而另一颗则未发生显著的根部发育。通过计算机断层扫描（CBCT）获取的治疗后数据，研究人员重建了两颗牙齿的三维模型，并在两种生理相关的负载条件下进行了测试：咬合（300牛顿，方向与牙齿长轴成60度角）和创伤（300牛顿，垂直于唇面）。这两种负载条件分别模拟了牙齿在日常使用中可能遇到的咬合力以及突发外力冲击的情况。

在模拟过程中，研究人员提取了应力分布、力位移曲线以及裂纹传播行为等关键数据。这些数据不仅能够揭示牙齿在不同负载下的机械响应，还能帮助研究人员评估牙齿的抗裂能力。结果显示，在咬合负载下，牙齿产生的最大拉应力约为30兆帕，而在创伤负载下则达到约45兆帕，后者比前者高出约50%。这表明，创伤负载对牙齿的机械影响更为显著，尤其是在根部近端区域，形成了更强的应力集中。此外，根部成熟后的牙齿表现出更高的刚度，其刚度值为4.5千牛/毫米，而未成熟根部的牙齿刚度值为3.9千牛/毫米，前者比后者高出约15%。这一差异表明，根部成熟在一定程度上提高了牙齿的结构稳定性。

裂纹的形成和传播是评估牙齿抗裂能力的重要指标。在咬合负载下，裂纹的形成阈值为100牛顿，而在创伤负载下则降低至60牛顿，后者比前者低约40%。这说明，创伤负载更容易引发裂纹的形成，尤其是在根部未成熟的情况下。同时，裂纹的传播过程在咬合负载下相对稳定，而在创伤负载下则更加迅速。这些结果进一步支持了根部成熟对提升牙齿抗裂能力的重要性，尤其是在面对突发外力冲击时。

研究人员还指出，尽管再生牙髓治疗在一定程度上改善了牙根的发育情况，但其对牙根壁的强化效果仍然有限。特别是在牙根近端区域，由于缺乏有效的机械增强，牙齿仍然面临较高的断裂风险。因此，评估再生牙髓治疗后牙齿的抗裂能力，尤其是在根部近端区域，对于临床实践具有重要意义。通过本研究的模拟分析，研究人员希望能够为临床医生提供有价值的参考，帮助他们更好地理解再生牙髓治疗后牙齿的机械行为，并在治疗过程中采取适当的措施，以降低牙齿发生断裂的风险。

在临床相关性方面，研究强调了再生牙髓治疗在促进根部成熟方面的潜力。特别是在遭受二次创伤的情况下，进一步的根部发育可能有助于增强牙齿的抗裂能力。然而，目前的研究仍然存在一定的不足，例如，对于根部成熟与牙齿抗裂能力之间的具体关系尚未完全明确，以及如何在实际临床操作中优化再生牙髓治疗的效果等问题。因此，未来的研究需要进一步探讨这些因素，并结合更多的临床案例进行验证，以确保再生牙髓治疗能够真正发挥其在增强牙齿结构和减少断裂风险方面的潜力。

综上所述，本研究通过扩展有限元分析（XFEM）技术，对两颗接受再生牙髓治疗的上颌中切牙进行了详细的机械行为模拟。研究结果表明，根部成熟能够有效提升牙齿的刚度和抗裂能力，尤其是在面对创伤负载时。然而，未成熟根部的牙齿在受到外力冲击时更容易发生裂纹的形成和传播，这可能与其较薄的牙本质壁有关。因此，研究人员建议，在临床实践中应更加关注再生牙髓治疗后牙齿的根部发育情况，并结合具体的负载条件进行综合评估，以确保治疗后牙齿的长期稳定性和功能完整性。