《Journal of Functional Biomaterials》：Biomechanical Effects of Pulpotomy Biomaterial Type and Thickness in Primary Molars: A Finite Element Analysis
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背景：本研究旨在通过有限元分析（Finite Element Analysis, FEA）评估三种不同生物材料（MTA、Biodentine、BioAggregate）及两种基底厚度（2 mm、3 mm）对接受牙髓切断术（pulpotomy）治疗的下颌第二乳磨
背景：本研究旨在通过有限元分析（Finite Element Analysis, FEA）评估三种不同生物材料（MTA、Biodentine、BioAggregate）及两种基底厚度（2 mm、3 mm）对接受牙髓切断术（pulpotomy）治疗的下颌第二乳磨牙模型应力分布的影响。方法：研究人员将一颗因正畸原因拔除的健康下颌第二乳磨牙进行微型计算机断层扫描（micro-CT），以构建精细的有限元模型。通过组合三种生物材料（MTA、Biodentine、BioAggregate）与两种基底厚度（2 mm、3 mm），共制备六个模型。所有模型均在45°斜向咬合载荷条件下进行评估，并分析四个解剖区域（近中根颈部区域、髓室底、根分叉区域及远中根颈部区域）的von Mises应力分布。结果：与2 mm修复构型相比，对应的3 mm构型通常表现出较低的局部应力值，尤其在髓室底区域。然而，不同材料与厚度组合之间的差异相对较小。结论：MTA、Biodentine和BioAggregate在牙髓切断术后的乳牙中表现出相似的生物力学行为。3 mm修复构型通常比对应的2 mm构型表现出更低的局部应力水平。然而，在临床材料选择中，除生物力学性能外，还应综合考虑凝固时间、操作便捷性和生物相容性等因素。
一、研究背景与问题提出
在乳牙列期，牙髓治疗的首要目标是保存牙齿及支持组织的健康，从而维持口颌系统功能（咀嚼、言语、美观），并确保牙齿在生理性脱落年龄之前保持健康状态。在儿童口腔医学中，牙髓切断术是治疗深龋且根髓健康乳牙的常用方法，该操作切除冠髓而保留根髓，并在剩余健康根髓表面覆盖盖髓材料以维持牙髓活力或促进固定。治疗的成功与生物材料的生物相容性、力学性能及其与牙髓和牙本质的相互作用直接相关。
近年来，基于硅酸钙的生物相容性和生物活性材料在儿童口腔医学中的应用日益增多。MTA以其优异的生物相容性、无致突变性、高封闭能力和促进牙骨质沉积的能力而著称；Biodentine是一种力学性能接近天然牙本质的硅酸钙基水门汀，具有诱导成牙本质分化及矿化的能力；BioAggregate则是一种用于穿孔修复和根尖倒充填的生物陶瓷材料，可刺激成牙骨质发生、提供密闭性封闭并影响成骨细胞和成牙本质细胞分化。
然而，尽管MTA、Biodentine和BioAggregate在乳牙牙髓切断术中广泛应用，这些材料的最佳厚度及其在咬合力下的生物力学行为仍缺乏充分认识。以往研究主要集中于其生物学和临床性能，而关于不同厚度下应力分布特征的信息有限。下颌第二乳磨牙对维持牙弓完整性和引导恒牙萌出至关重要，在恒牙先天缺失或萌出延迟的情况下，乳牙往往需要长时间保持功能。因此，确保牙髓切断术后乳牙的结构耐久性至关重要。本研究旨在通过有限元分析，评估不同生物材料类型和基底厚度对牙髓切断术后下颌第二乳磨牙根部和牙本质表面应力分布的影响，以填补这一研究空白，为临床材料选择提供标准化的定量比较依据。研究假设为：在模拟乳牙模型中使用不同生物材料和不同基底厚度会导致应力分布模式的差异。
二、研究设计与技术方法
研究人员从一名7岁患者因正畸目的拔除的下颌第二乳磨牙获取样本，拔除前通过根尖片确认无生理性根吸收、无龋坏及结构缺陷。采用SkyScan 1275微型计算机断层扫描系统进行高分辨率扫描，获取约1800层横断面图像并生成DICOM数据。随后将数据导入Geomagic软件和Ansys SpaceClaim软件进行三维模型重建和优化，构建包含牙釉质、牙本质、牙髓组织和牙周膜结构的实体模型。牙周膜通过在根面施加0.25 mm均匀偏移构建，周围牙槽骨为手动构建的简化支撑几何结构，皮质骨厚度设定为1.5 mm。模型导入Ansys Mechanical软件进行网格划分，牙齿结构、牙周膜和修复材料采用0.25 mm单元尺寸，皮质骨和松质骨采用0.5 mm单元尺寸，并进行网格收敛性分析验证数值收敛性。
研究设计了标准化的I类洞形，直径3.4 mm、垂直深度5.2 mm。在2 mm牙髓切断材料构型中，上覆玻璃离子水门汀和复合树脂层厚度分别为1.2 mm和2.0 mm；当材料厚度增至3 mm时，两层修复材料各减少0.5 mm，分别为0.7 mm和1.5 mm。共构建六个有限元模型：2 mm MTA、3 mm MTA、2 mm Biodentine、3 mm Biodentine、2 mm BioAggregate和3 mm BioAggregate。所有牙体组织和修复材料均假设为线性、均质、各向同性材料，各界面定义为粘接接触。每个模型包含133,447个节点和78,937个单元。材料弹性参数来源于已发表文献和制造商数据。载荷条件为330 N总咬合力，均匀分布于三个咬合接触点（中央窝、近中颊尖和远中颊尖），以45°斜向角度施加，方向为从舌侧向颊侧。牙槽骨块的外表面和基底表面在x、y、z三个方向均受约束。采用静力线性有限元分析，以von Mises应力作为主要力学指标，评估四个预设解剖区域（近中根颈部、髓室底、根分叉、远中根颈部）的最大应力值。
三、研究结果
3.1 MTA模型的应力分布
在2 mm MTA模型中，四个解剖区域中近中根颈部的von Mises应力最高（23.04 MPa），髓室底为5.95 MPa，根分叉为13.99 MPa，远中根颈部为13.48 MPa。当MTA厚度增至3 mm时，各区域最大应力分别降至21.72 MPa（近中根颈部）、4.98 MPa（髓室底）、13.49 MPa（根分叉）和12.70 MPa（远中根颈部）。将MTA厚度从2 mm增至3 mm，髓室底区域最大von Mises应力降低约16.3%，表明增加MTA厚度可降低髓室底的局部应力。
3.2 Biodentine模型的应力分布
在2 mm Biodentine模型中，近中根颈部区域应力最高（21.66 MPa），髓室底为6.34 MPa，根分叉为13.38 MPa，远中根颈部为13.92 MPa。3 mm构型对应值分别为21.04 MPa（近中根颈部）、5.17 MPa（髓室底）、13.99 MPa（根分叉）和12.02 MPa（远中根颈部）。厚度增加使髓室底应力降低约18.5%，而根分叉区域出现小幅增加。
3.3 BioAggregate模型的应力分布
2 mm BioAggregate模型的区域最大应力值为：近中根颈部21.69 MPa、髓室底6.20 MPa、根分叉13.56 MPa、远中根颈部12.61 MPa。3 mm构型对应值为20.94 MPa、5.21 MPa、14.10 MPa和11.86 MPa。与2 mm模型相比，近中根颈部、髓室底和远中根颈部应力降低，而根分叉区域小幅增加。髓室底应力降低约16.0%。
3.4 整体应力分布特征
在所有实验组中，近中根颈部区域始终表现出最高的区域von Mises应力，其中2 mm MTA模型最高（23.04 MPa）。整体模型的最大von Mises应力值（约32–34 MPa）位于咬合载荷施加区域，而区域报告值为四个预设解剖区域内的最大应力。3 mm修复构型总体表现出比对应2 mm构型更低的应力值，尤其在髓室底区域，但各材料间的差异相对较小。
四、讨论与结论
4.1 讨论总结
本研究的核心发现是3 mm修复构型通常比对应的2 mm构型表现出略低的von Mises应力值，而MTA、Biodentine和BioAggregate三种材料之间的差异相对较小。近中根颈部区域始终是应力集中最显著的部位，而2 mm与3 mm构型之间最明显的差异出现在髓室底。这些发现表明两种修复构型之间存在适度的生物力学差异，而非牙髓切断材料厚度的孤立效应。
与既往有限元研究相比，本研究结果与He等、Manaktala等、Demircan和Demir、Aslan和Ayna以及Eram等的研究发现基本一致，即硅酸钙基材料之间通常表现出大致相当的应力分布模式。然而，Aslan和Ayna的研究显示MTA比BioAggregate和Biodentine提供更有效的结构支持并产生更低应力值，这与本研究结果存在一定差异。研究初始假设认为不同生物材料和厚度会产生有意义的应力分布差异，虽然各模型间观察到数值差异，但幅度有限。3 mm修复构型通常表现出适度的应力降低，而三种材料的应力分布模式大致相当。值得注意的是，由于总体洞深保持恒定，将材料厚度从2 mm增至3 mm需要同时减少上覆玻璃离子水门汀和复合树脂层各0.5 mm，因此观察到的差异应解释为整体修复构型的生物力学响应，而非单纯牙髓切断材料厚度的效应。
4.2 局限性
本研究基于有限元分析，存在固有局限性：理想化几何模型不能完全反映个体解剖变异；材料属性采用文献固定值且假设线性、均质、各向同性行为；牙周膜弹性模量文献报道差异大；完全约束的骨块边界条件为理想化状态；仅评估静态载荷和单一45°斜向载荷方向；仅分析von Mises应力而未评估主应力、应变和位移等其他力学指标；生物学因素、材料-组织相互作用和长期结果未纳入建模。
4.3 研究优势
本研究的优势在于对牙髓切断材料类型和基底厚度两个变量在乳牙应力分布中的影响进行了标准化定量比较。在相同的几何、载荷和边界条件下系统评估了这两个变量，有助于界定MTA、Biodentine和BioAggregate之间生物力学差异的有限幅度，为解释牙髓切断术后乳牙中材料及厚度相关效应提供了受控的力学框架。
4.4 结论
本研究采用有限元分析比较了MTA、Biodentine和BioAggregate在下颌第二乳磨牙2 mm和3 mm修复构型中的应力分布。3 mm修复构型通常比对应的2 mm构型表现出适度较低的von Mises应力值，尤其在髓室底和根颈部区域。三种生物材料之间的差异相对较小，表明在标准化载荷条件下应力分布模式大致相当。由于将牙髓切断材料厚度从2 mm增至3 mm伴随上覆玻璃离子水门汀和复合树脂层的减薄，观察到的差异应解释为整体修复构型的效应而非单纯材料厚度的效应。因此，在选择牙髓切断材料时，生物力学考量应与生物学性能、操作特性和解剖约束等因素综合解读。需要进一步的实验和临床研究来验证这些发现。
