美学CAD/CAM桩核修复体的力学性能研究：三维有限元分析揭示不同材料对牙体应力分布的影响

《BMC Oral Health》：Mechanical behavior of esthetic CAD/CAM post–core restorations: a 3D finite element analysis

本研究针对根管治疗后牙齿修复中桩核材料选择的生物力学难题，通过体外实验结合三维有限元分析(3D-FEA)系统评估了四种CAD/CAM材料（锆石(Zir)、玻璃纤维增强复合材料(GFR-C)、聚醚醚酮(PEEK)和纳米混合复合材料(Nano-hb)）的断裂抗力和应力分布特性。研究发现高弹性模量的锆石桩核(1240.20 N)虽具有最高断裂强度，但易导致牙根不可修复性骨折(41%)；而弹性模量与牙本质相近的PEEK(40.390 MPa)和纳米混合复合材料则能实现更生理性的应力传导，主要产生可修复性骨折。该研究为临床桩核材料选择提供了重要的生物力学依据。

　　

随着根管治疗技术的进步，大量牙体组织缺损的牙齿得以成功保留。然而，当牙齿冠部结构严重缺损时，如何通过桩核修复体实现长期稳定的功能恢复，仍是口腔修复领域持续探讨的课题。传统金属桩核虽具有较高强度，但其弹性模量远高于牙本质，易导致应力集中引发根折，且存在美学缺陷和金属过敏等问题。预成桩虽操作简便，但标准尺寸与个体化根管形态的匹配度不足，易形成粘接界面微渗漏。CAD/CAM技术的出现为桩核修复带来了革命性变化，通过数字化设计制造可实现桩核与根管的精准适配，但面对锆石、聚醚醚酮(PEEK)、玻璃纤维增强复合材料(GFR-C)和纳米混合复合材料等众多新材料，临床医生应如何选择才能兼顾力学性能和生物相容性，仍缺乏系统性的生物力学证据。

为此，Gaziantep大学修复科的Leyla Tutus团队在《BMC Oral Health》发表了最新研究，通过结合体外力学测试和三维有限元分析(3D-FEA)的方法，系统评估了四种CAD/CAM桩核材料的性能差异。研究人员采用48颗单根下颌第二前磨牙，随机分为四组，分别修复以不同材料制作的CAD/CAM桩核：PEEK组（聚醚醚酮）、Nano-hb组（纳米混合复合材料）、GFR-C组（玻璃纤维增强复合材料）和Zir组（锆石）。所有桩核均通过数字化印模、CAD设计（使用Exocad软件）和CAM milling（Redon GTR铣削系统）制作完成。粘接后样本经过10000次5-55°C热循环老化模拟临床使用1年，随后在万能试验机上以45°角进行静态加载至失效，记录断裂载荷。同时建立包含牙周膜、皮质骨和松质骨的下颌第二前磨牙三维有限元模型，分析100 N斜向载荷下的应力分布。

主要技术方法

研究采用体外力学测试与三维有限元分析相结合的方法。选取48颗人类离体下颌第二前磨牙，经根管治疗后随机分四组(n=12)修复不同CAD/CAM桩核材料。通过数字化印模技术获取根管形态，使用Exocad软件设计桩核，Redon GTR铣削系统加工制作。样本经热循环老化后，进行45°斜向加载测试断裂抗力。同步建立包含牙周膜和骨组织的三维有限元模型，分析应力分布模式。

断裂抗力结果

锆石组表现出最高的平均断裂抗力(1240.20±199.94 N)，显著高于其他材料(p<0.05)。GFR-C组次之(993.53±99.94 N)，而PEEK组(674.07±50.92 N)和纳米混合复合材料组(666.10±58.27 N)的数值相近且最低。统计学分析显示各组间存在显著差异(p<0.001)，Dunnett事后检验证实锆石组的优越性。

失效模式分析

锆石组中41%(5/12)样本发生不可修复性根折，主要位于釉牙骨质界下2mm区域。GFR-C、PEEK和纳米混合复合材料组则主要表现为可修复性冠部折裂(75%-83%)。值得注意的是，PEEK组有4例出现桩核脱粘现象，而其他材料组未见此失效模式。

有限元分析结果

应力分析显示，锆石桩核内部产生最高Von Mises应力(69.230 MPa)，而PEEK桩核应力最低(22.968 MPa)。然而牙根表面应力分布呈现相反趋势：PEEK组牙根应力最高(40.390 MPa)，锆石组最低(17.773 MPa)。纳米混合复合材料(27.250 MPa)和GFR-C(24.684 MPa)介于两者之间。所有组别的应力集中区域均位于牙根颈部和桩核界面处。

讨论与结论

本研究通过多维度评估揭示了不同CAD/CAM桩核材料的生物力学特性差异。高弹性模量的锆石材料虽能承受最大载荷，但其刚性特质导致应力无法有效分散，易引发灾难性根折，这与Habibzadeh等人的研究结果一致。而弹性模量与牙本质相近的材料(PEEK：4.2-4.8 GPa vs 牙本质：18.6 GPa)能形成更均匀的应力传导，降低根折风险，但代价是较低的承载能力。有限元分析结果进一步证实，刚性材料将应力集中于修复体内部，而弹性材料则允许应力更均匀地分布于牙根结构，这一发现与Zarone等关于材料弹性模量影响生物力学行为的论述相吻合。

研究的临床意义在于明确了桩核材料选择需权衡力学强度与生物相容性：对于咬合力较大的后牙区，可考虑采用GFR-C等中等弹性模量材料平衡强度与安全性；而对美学要求高的前牙区，PEEK和纳米混合复合材料因其弹性模量与牙本质匹配度更高，能显著降低根折风险。此外，CAD/CAM技术制作的个性化桩核相比预成桩具有更好的形态适配性，能减少粘接界面缺陷，这一优势在数字化印模和设计环节得以充分体现。

研究的局限性包括无法完全模拟口腔内复杂的多向受力环境，以及样本间的个体差异可能影响测试结果。未来研究可结合疲劳测试和微观断裂分析进一步探索材料的长期性能。综上所述，该研究为临床桩核材料的选择提供了重要的生物力学依据，强调理想桩核应具备与牙本质相似的弹性特性，方能实现真正的微创和长效修复。