《Scientific Reports》：Assessment of the biomechanical performance of digitally manufactured space maintainers: a finite element analysis
编辑推荐：
本研究针对传统不锈钢间隙保持器存在的美观性差、金属过敏及高失败率等问题，研究人员通过有限元分析(FEA)方法，系统评估了五种数字化制造材料(BruxZir、传统不锈钢、Trilor、PEEK和CFR-PEEK)与三种粘接水泥组合对基牙近远中位移和应力分布的影响。结果表明，高弹性模量材料(BruxZir)能最有效限制牙齿位移，而粘接水泥类型对力学性能影响较小。该研究为数字化间隙保持器的材料选择提供了重要生物力学参考。
在儿童口腔医学领域，乳牙不仅承担着咀嚼功能，更重要的角色是作为"天然间隙保持器"，为恒牙的正常萌出和排列保驾护航。然而，当乳牙因龋坏、外伤或拔除而过早缺失时，这个精密的平衡就会被打破。缺牙间隙两侧的牙齿会像失去约束的多米诺骨牌一样向中间倾斜、移位，导致后续恒牙萌出空间不足，引发牙齿拥挤、错颌畸形等一系列问题。更严重的是，这种空间丧失可能造成恒牙阻生，使得患儿在未来不得不接受更复杂的正畸治疗甚至拔牙手术。
传统的解决方案是使用带环式间隙保持器——一种通过金属带环固定在基牙上，用钢丝回路维持缺牙间隙的装置。虽然这种装置在临床上应用广泛，但其制作过程繁琐，需要取模、灌模、技工室焊接等多道工序。更重要的是，不锈钢材料存在美观性差、可能引起金属过敏、以及较高失败风险等问题。研究表明，间隙保持器的失败率高达10%-63%，主要原因包括粘接剂脱落、焊接点断裂、软组织损伤等。
随着数字化技术的快速发展，"数字间隙保持器"或"Digitainer"应运而生。通过计算机辅助设计/计算机辅助制造(CAD/CAM)和3D打印技术，医生可以快速、精准地制作出个性化间隙保持器。这种技术不仅避免了取模给儿童带来的不适感，提高了患儿接受度，还能使用各种新型生物相容性材料，如高强度陶瓷、纤维增强复合材料等，从而克服传统金属保持器的诸多缺陷。
然而，一个关键问题尚未得到充分解答：这些新型数字化材料在力学性能上究竟表现如何？不同材料的弹性特性会如何影响基牙的应力分布和位移模式？粘接材料的选择又会在其中扮演什么角色？为了回答这些问题，土耳其健康科学大学的研究团队开展了一项创新的有限元分析研究，其结果发表在《Scientific Reports》上。
研究人员采用的关键技术方法包括：基于一名8岁男童的锥形束CT(CBCT)数据，通过3D Slicer软件进行三维重建，获得下颌骨和牙齿的精确模型；使用Altair HyperMesh软件建立包含皮质骨、松质骨、牙周膜等组织的有限元模型；设计五种不同材料（BruxZir、传统不锈钢、Trilor、PEEK和CFR-PEEK）的间隙保持器，分别与三种粘接水泥（传统玻璃离子水门汀、树脂改性玻璃离子水门汀和自粘接树脂水门汀）组合，共建立15个分析模型；在带环-回路连接处施加70N垂直力模拟咀嚼负荷，通过Altair OptiStruct求解器计算应力分布和位移情况。
Von Mises应力分布
研究结果显示，材料的选择对基牙应力分布有显著影响。在五种测试材料中，BruxZir（一种氧化锆基材料）和传统不锈钢在基牙上产生的应力值最低（9.958-10.513 MPa），表现出最佳的应力分散能力。Trilor（一种玻璃纤维增强复合材料）的应力值稍高（12.875-13.366 MPa），而碳纤维增强聚醚醚酮(CFR-PEEK)和聚醚醚酮(PEEK)产生的应力最高，分别达到13.767-14.630 MPa和18.595-18.845 MPa。
值得注意的是，粘接水泥类型对应力大小的影响相对较小。对于每种间隙保持器材料，三种水泥之间的应力差异不超过0.25 MPa。应力分布模式分析表明，高弹性模量材料（如BruxZir）将应力更集中地局限在加载区域附近，而低弹性模量材料（如PEEK）则使应力更均匀地分布在牙冠和牙根结构上。
近远中位移
在抵抗牙齿近中倾斜方面，不同材料表现出明显差异。BruxZir在所有测量点都表现出最小的位移值，例如近中颊尖位移范围为2.544-2.607 mm，远中根尖位移稳定在约7.68-7.70 mm。传统不锈钢的表现与BruxZir极为接近，位移值略高但差异不显著。
Trilor表现出中等程度的位移增加，其中央尖位移达到3.483-3.559 mm，近中颊尖位移为2.922-3.000 mm。CFR-PEEK的位移值进一步增大，近中颊尖位移为2.962-3.054 mm。PEEK材料的位移值最高，其中央尖位移达到4.367-4.452 mm，近中颊尖位移为3.769-3.856 mm。
有趣的是，虽然PEEK在牙冠部位表现出最大的位移，但其远中根尖位移却是所有材料中最小的（7.15-7.18 mm），这表明低模量材料的变形更集中于牙冠区域，而根尖部位的移动相对受限。
在粘接水泥的影响方面，树脂改性玻璃离子水门汀通常导致稍大的牙尖位移值，特别是在低模量材料（如PEEK和CFR-PEEK）中更为明显。自粘接树脂水门汀和传统玻璃离子水门汀的表现相对接近。
研究结论与意义
这项研究通过系统的有限元分析，揭示了数字化制造间隙保持器的生物力学性能与其物理特性之间的内在联系。研究结果明确拒绝了原假设，证实了材料选择对间隙保持器性能的关键影响。
从临床实践角度，这项研究为儿科牙医选择间隙保持器材料提供了重要参考。对于需要最大稳定性的情况，BruxZir和传统不锈钢是最佳选择，它们能有效限制基牙移动，降低空间丧失风险。而对于有特殊需求的患者，如需要定期进行头部磁共振成像的癫痫或血管疾病患儿，无金属的Trilor材料因其安全性和美学优势而成为可行选择。
尽管PEEK材料因其生物相容性和个性化制造潜力而受到关注，但本研究结果表明其抵抗牙齿位移的能力较差，可能不适合作为间隙保持器的主要材料。CFR-PEEK由于碳纤维的增强作用，性能明显优于纯PEEK，展现了改性材料在牙科应用中的潜力。
在粘接材料方面，虽然三种水泥的力学性能差异不大，但临床选择还应综合考虑粘接强度、氟离子释放能力、操作便利性等因素。树脂改性玻璃离子水门汀在氟释放和生物相容性方面的优势，以及自粘接树脂水门汀在粘接强度方面的表现，都应在临床决策中予以权衡。
这项研究的创新之处在于首次系统评估了数字化制造间隙保持器与不同粘接材料组合的生物力学性能，为"数字牙科"在儿科领域的应用提供了理论依据。随着3D打印技术和新材料研发的不断进步，数字化制造的个性化间隙保持器有望在改善患儿舒适度、提高治疗成功率方面发挥越来越重要的作用。
然而，研究者也指出本研究的一些局限性，如使用单一颌骨模型、采用线性弹性假设等。未来的研究需要纳入更多患者特异性模型，考虑动态负载和口腔环境因素，并通过临床研究验证这些体外发现的现实意义。尽管如此，这项研究为理解数字化制造间隙保持器的生物力学行为迈出了重要一步，为儿科牙科的材料选择和治疗规划提供了科学依据。
