全口种植修复中All-on-4设计的生物力学优化：基于有限元与响应面法的远端种植体角度及咬合负载方向影响分析

这篇研究通过整合有限元分析(FEA)和响应面法(RSM)，系统评估了All-on-4种植修复中远端种植体角度(15°-45°)与咬合负载方向(矢状面/额状面45°-90°)对皮质骨应力分布的影响。研究发现额状面负载角度(x3)对皮质骨应力影响最大(贡献率29.83%)，其次为种植体角度(x1)，建立的二阶模型具有显著统计学意义(R2=93.39%)。15°种植体配合45°双平面负载时应力最低(95.75 MPa)，而45°种植体在90°额状负载时应力峰值达265.72 MPa，为临床优化种植体布局与咬合设计提供了量化依据。

　　

1 引言

牙科种植体已成为缺牙修复的主流方案，而All-on-4概念通过四颗种植体实现全牙弓修复，其中远端种植体倾斜设计可最大化骨利用。现有研究表明30°-45°倾斜能改善应力分布，但伴随角度增加会提升种植体周围骨应力，尤其在骨质量较差或悬臂较长时。咀嚼力产生的轴向负载与弯曲力矩会导致种植体及周围骨组织应力集中，斜向负载较垂直负载更易在远端种植体周围皮质骨产生高应力。近年来FEA与RSM联用成为优化种植体角度的有效工具，通过三维建模可精确评估不同角度与负载组合的生物力学效应。

2 材料与方法

研究构建了无牙颌下颌骨三维模型，采用SolidWorks 2024设计含15°、30°、45°远端种植体的All-on-4配置，通过ANSYS 2024R2进行有限元分析。材料属性设为均质各向同性线性弹性，皮质骨厚度统一为2 mm。负载条件设置为200 N静态咬合力，在矢状面(AP)和额状面(BL)分别施加45°、67.5°、90°方向力。采用中心复合设计(CCD)生成15组实验方案，以皮质骨最大von Mises应力为响应变量，通过RSM建立二阶回归模型。

3 结果

皮质骨应力显著高于其他结构，最高达265.72 MPa(45°种植体+90°额状负载)，最低为95.75 MPa(15°种植体+45°双平面负载)。种植体1(后牙区)承受最大应力(397.04 MPa)和应变(3,940 μ?)，显示后牙种植体生物力学负荷更重。应变分析显示种植体颈部存在明显集中，最高达3,940 μ?。响应面模型显示额状面负载角度(x_{3)贡献率最高(29.83%)，其次为种植体角度(x1)(26.96%)，两者交互作用显著(p=0.012)。}

4 讨论

15°种植体在垂直负载下表现最优，而45°倾斜配合斜向负载时应力峰值超过皮质骨耐受阈值(>200 MPa)。额状面负载角度对应力影响最大，这与临床观察到的侧向力危害性一致。尽管倾斜种植体可能增加应力，但临床研究显示其存活率与轴向种植体相当，提示生物适应性可能缓解机械应力。修复体与连接杆应力变化与皮质骨同步，表明结构间存在力学耦合。研究局限性包括材料均质化假设和缺少临床验证，未来需结合患者特异性建模。

5 结论

通过FEA-RSM耦合分析证实：额状面负载方向是影响All-on-4皮质骨应力的最关键因素，15°种植体配合轴向负载可获最佳生物力学表现。临床应优先控制侧向咬合力，并在骨条件允许时采用较小种植体倾斜角。该模型为个性化种植方案提供了量化决策工具，但需进一步临床验证其预测效能。