基于显式动力学有限元分析的牙种植体螺纹设计优化及其对骨整合性能的影响研究

本研究通过显式动力学有限元分析(EDFEA)和正交实验设计(OED)优化了Straumann BLT?种植体螺纹参数（螺距、深度、尖端宽度TW、冠/根面角CSA/ASA），发现上颌后牙区最优设计为0.8mm螺距/0.2mm深度/0.15mm TW/10°CSA/10°ASA，下颌后牙区为1.0mm螺距/0.3mm深度/0.2mm TW/0°CSA/20°ASA。动物实验证实优化设计显著提升植入稳定性(ISQ)和骨整合指标(BIC/BV/TV)，为降低早期种植失败(EIF)风险提供了生物力学解决方案。

　　

牙种植体的"完美螺纹"之谜
当人们失去牙齿时，牙种植体已成为现代牙科最可靠的修复方案之一。然而鲜为人知的是，约40-83.4%的种植体失败发生在植入后的头6个月内，这种现象被称为早期种植失败(EIF)。究其原因，种植过程中产生的机械应力导致的骨愈合障碍是关键因素。就像盖房子需要稳固的地基，种植体与颌骨的结合质量直接决定修复成败。

上海交通大学医学院附属第九人民医院口腔修复科的研究团队发现，现有Straumann BLT?种植体在愈合期易引发边缘骨吸收(MBL)，而螺纹设计作为应力分布的核心因素却缺乏系统性优化研究。更关键的是，传统静态有限元分析(FEA)无法模拟真实的动态植入过程。为此，该团队在《Scientific Reports》发表论文，首次将显式动力学有限元分析(EDFEA)与正交实验设计(OED)结合，破解牙种植体螺纹设计的生物力学密码。

关键技术方法
研究采用三步法：首先通过微CT扫描建立BLT? 4.1x10种植体和颌骨(D2/D3型骨)三维模型；其次运用ANSYS 2022 R1软件进行EDFEA动态分析，以皮质骨中von Mises应力(σ_vM)为指标，通过L16(4⁵)正交表优化螺纹参数；最后通过兔胫骨植入实验验证优化设计的骨整合性能，检测植入稳定性(ISQ)、骨接触率(BIC)和骨体积分数(BV/TV-500/BV/TV-1000)。

研究结果

EDFEA与正交实验
动态应力分析显示：

• 上颌D3骨区最优设计使最终应力(σ_vM)降至74.56MPa，较原设计降低2.4%
• 下颌D2骨区最优设计使最终应力降至78.53MPa，较原设计降低6.3%
• 螺纹尖端宽度(TW)和根面角(ASA)是影响应力的最关键因素

体内验证
4周愈合期后：

• 优化种植体ISQ值显著提升(p<0.05)
• 上颌优化组BV/TV-500(500μm范围内骨体积分数)和BV/TV-1000分别提高19.7%和15.2%(p<0.01)
• 下颌优化组BIC(骨-种植体接触率)和BV/TV-500分别提高13.5%和11.8%(p<0.05)

结论与展望
该研究首次证实：螺纹设计通过改变动态植入过程中的应力分布显著影响骨整合。创新性地提出"解剖位点特异性"优化方案——上颌后牙区宜采用小螺距(0.8mm)、浅螺纹(0.2mm)设计，而下颌后牙区需较大螺距(1.0mm)和标准深度(0.3mm)。这种差异源于D2/D3型骨皮质层厚度导致的应力传导差异。

研究突破传统静态分析的局限，通过EDFEA捕捉到植入瞬间的峰值应力(Pσ_vM)与残余应力(Fσ_vM)分布规律，发现优化设计可将应力从病理超载窗口(>60MPa)降至适应窗口(2-60MPa)。这不仅为种植体设计提供新范式，更为理解机械应力与骨改建(Frost力学调控理论)的关联提供了临床级证据。未来研究可进一步探索多孔钛种植体与动态分析的结合应用。