牙体预备设计与连接体几何调控增材制造牙周夹板力学行为：基于名义弯曲强度、变形角与骨折模式的体外三点弯曲研究

《Journal of Dentistry》：Preparation design and connector geometry influence the mechanical behavior of additively manufactured periodontal splints

　　

摘要：增材制造牙周夹板的结构设计指南仍不明确，尤其是牙体预备与连接体几何的相对影响。目的：该体外研究评估牙体预备设计和连接体横截面几何对上述夹板力学行为的影响，提供初步力学见解而非临床设计建议。材料与方法：标准化试件由下颌数字模型制作，组合三种预备设计（不预备、釉质斜面终止线（enamel chamfer finishing line, CFL）以及CFL联合邻面箱）与三种连接体横截面积（5、6、7 mm²）（每组n=10；N=90）。试件采用永久冠树脂（permanent crown resin）通过立体光刻（stereolithography）打印，并在三点弯曲（three-point bending）下测试（十字头速度1 mm/min）。记录名义弯曲强度（nominal flexural strength）、骨折前变形角和骨折模式，并采用方差分析（analysis of variance, ANOVA）与Bonferroni事后检验分析。结果：预备设计显著影响名义弯曲强度（p<0.001）。单独CFL显示最高名义弯曲强度（65.79 ± 20.98 MPa），显著高于不预备（27.36 ± 9.51 MPa）和CFL联合邻面箱（29.64 ± 12.20 MPa）。增加连接体面积仅在CFL组内改善性能，6与7 mm²之间无差异（73.75 ± 13.82 MPa vs. 81.45 ± 10.04 MPa；p>0.99）。变形能力呈相似模式，骨折模式主要由预备设计决定（p<0.0001）。结论：预备设计比单独连接体尺寸更是力学行为的更强决定因素。CFL联合连接体面积≥6 mm²与改善性能相关，但这些初步发现需在更具临床代表性的模型中验证。临床意义：牙体预备设计，尤其是有限的釉质斜面终止线，联合连接体横截面积≥6 mm²，在本实验条件下与改善的力学性能相关。这些发现为增材制造牙周夹板提供初步结构设计见解，并需在临床代表性模型中进一步验证。

论文解读：牙周支持降低后的牙齿松动是牙周治疗后仍常见的临床结果，可影响咀嚼功能、患者舒适度及修复治疗长期稳定性。牙周夹板（periodontal splints）通过连接松动牙并重新分布咬合力量，常用于改善功能稳定；但长期成功不仅依赖牙周维护，也取决于修复体设计。直接椅旁夹板技术如粘接金属丝或纤维增强复合材料虽微创简便，但高度依赖操作者，几何形态不均，骨折、变形和粘接失败等并发症常见；间接实验室制作夹板可更好控制几何和刚性，却常需更侵入性牙体预备。过度刚性可能增加粘接界面应力集中和脱粘，刚性不足则可能无法充分稳定并增加骨折风险。数字化工作流程可精确控制厚度分布和连接体几何，但牙周夹板仍需明确结构设计指南，牙体预备设计与连接体几何的相对贡献尚不确定。该研究因此采用标准化体外模型，评估三种牙体预备设计和三种连接体横截面几何对增材制造牙周夹板（additively manufactured periodontal splints）力学行为的影响。研究人员开展标准化三点弯曲（three-point bending）试验，记录名义弯曲强度（nominal flexural strength）、骨折前最大变形角和骨折模式。结果显示，预备设计和连接体面积及其交互作用均显著影响力学行为，预备设计的效应量最大；CFL联合连接体面积≥6 mm²表现较优。该研究为数字化牙周夹板结构设计提供初步力学依据，但作者强调结果不应直接外推临床。

关键技术方法（≤250字）：研究采用体外标准化三点弯曲模型。样本来源于单一患者口内扫描的下颌数字模型，该患者为牙周炎稳定后、正畸治疗结束需行下颌尖牙至尖牙夹板修复者。基于CAD设计3种牙体预备（不预备、CFL、CFL联合邻面箱）与3种连接体横截面积（5、6、7 mm²），共9组，每组n=10，N=90；夹板厚度标准化为1.0 mm。试件以立体光刻（stereolithography, SLA）和永久冠树脂打印。三点弯曲跨距5 mm，十字头速度1 mm/min，记录名义弯曲强度、骨折前最大变形角和骨折模式；变形角通过视频记录和ImageJ双人测量。统计采用双因素方差分析（ANOVA）、Bonferroni事后检验和Fisher检验。

研究结果：
名义弯曲强度：通过双因素ANOVA发现，牙体预备设计、连接体横截面积及二者交互作用均显著影响名义弯曲强度。预备设计效应量最大（偏eta平方（partial eta-squared, η²_p）=0.72），交互作用为0.31，连接体面积为0.28。单独CFL组名义弯曲强度最高（65.79 ± 20.98 MPa），显著高于不预备组（27.36 ± 9.51 MPa；p<0.001）和CFL联合邻面箱组（29.64 ± 12.20 MPa；p<0.001）；不预备与CFL联合邻面箱之间无显著差异（p>0.99）。联合分析显示，CFL联合6 mm²和7 mm²连接体最高（73.75 ± 13.82 MPa和81.45 ± 10.04 MPa），均显著高于其他条件（p<0.001），但6与7 mm²之间无显著差异（p>0.99）；不预备和CFL联合邻面箱组中，改变连接体面积未产生可测的强度改善。

最大变形角度：通过三点弯曲视频记录和ImageJ测量骨折前最大变形角，发现预备设计显著且效应较大，连接体面积及交互作用效应较小。单独CFL组变形角最高（155.40 ± 2.49°），其次为不预备组（149.53 ± 2.83°）和CFL联合邻面箱组（143.53 ± 2.49°）（p<0.0001），Bonferroni检验显示三者间均有显著差异（p<0.001）。九组分析中，CFL联合6 mm²组变形角最高（159.60 ± 3.72°），其次为CFL联合5 mm²组（153.91 ± 5.15°）；CFL联合邻面箱组最低（约143–144°），不预备组居中（约149–151°）。Bonferroni比较显示，CFL联合6 mm²组显著大于其他实验条件（p<0.005）。

骨折模式分布：通过Fisher检验分析骨折模式，发现其分布随牙体预备设计显著不同（p<0.0001）。不预备组骨折发生于31牙翼（40.0%）、中央连接体（36.7%）、41牙翼（16.7%）及双侧翼（6.7%）；单独CFL组主要发生于31牙翼（66.7%）；CFL联合邻面箱组主要发生于中央连接体（73.3%）。按连接体面积进一步分析，CFL组5 mm²以31牙翼骨折为主（80%），6 mm²为31牙翼骨折60%，7 mm²在31牙翼与中央连接体间分布较均衡；CFL联合邻面箱组6 mm²全部为中央连接体骨折（100%），7 mm²中央连接体骨折占90%；不预备组骨折定位更可变，6 mm²组31牙翼骨折占60%。

讨论总结：讨论指出，零假设被拒绝，牙体预备设计和连接体横截面几何均显著影响牙周夹板力学行为，且预备设计的作用强于单独连接体尺寸。传统固定修复中连接体增大常被视为抗折关键，但该原则不能完全外推至牙周支持降低、松动基牙和载荷分布改变的夹板系统。作者讨论认为，CFL预备可减少牙-夹板界面几何不连续并促进更均匀应力分布；CFL联合邻面箱可能引入内部几何不连续和应力集中区，促进裂纹起始，因此即使增加粘接面积也未必改善力学性能。连接体增大在有利预备设计下可改善抗弯性能，但不能补偿不预备和邻面箱设计的不利影响；CFL组6与7 mm²间无显著差异，提示可能存在超过后收益有限的阈值。研究刻意聚焦夹板自身力学行为而非粘接界面，试件未粘接于牙体组织；作者指出所用永久冠树脂弹性模量4.1 GPa低于传统树脂基复合材料及釉质、牙本质，粘接后可能产生界面剪切应力，需未来粘接模型研究。局限性包括简化体外模型、未模拟牙周膜（periodontal ligament, PDL）、未进行热机械老化或循环疲劳、仅评估孤立夹板节段、单一患者数字扫描、单向加载、二维变形角测量、未直接研究粘接界面，以及载荷传感器满量程3,334 N高于记录力范围约100–490 N可能带来测量噪声。未来需全牙弓夹板、热机械老化、循环加载、粘接性能、不同可打印材料比较及有限元分析（finite element analysis, FEA）等验证。

研究结论翻译：在该体外研究的局限内，这些发现为增材制造牙周夹板的结构行为提供初步力学见解。CFL联合连接体横截面积≥6 mm²在当前条件下与改善的力学性能相关。然而，这些发现需要在更具临床代表性的模型中验证后，方可进行临床外推。