聚合收缩与瞬态咬合载荷下MODⅡ类修复体的生物力学响应：一项有限元研究

《Applied Sciences》：Biomechanical Response of MOD Class II Restorations Considering Polymerization Shrinkage and Transient Occlusal Loading: A Finite Element Study

　　

摘要：Ⅱ类近中-颌-远中（MOD）修复体常用于修复大面积结构缺损的磨牙，常采用洞基保护牙本质并调节应力传递。然而，聚合物基修复材料在固化过程中会发生聚合收缩，产生残余应力，这些应力随后在咀嚼过程中叠加于功能性咬合载荷之上。在MOD修复体的有限元研究中，这两种应力场之间的相互作用很少被明确考虑。本研究通过三维有限元分析（3D-FEA）评估了洞基类型及无洞基情况对Ⅱ类MOD修复体的生物力学影响。从锥形束计算机断层扫描（CBCT）数据重建了三维人磨牙模型。模拟了从0到0.25秒的瞬态咬合加载周期，最大载荷为600 N，施加于0.15秒。含洞基修复体采用陶瓷和玻璃陶瓷修复材料与不同基底材料的组合进行建模，而无洞基修复体则采用不同二氧化硅含量的增强复合树脂进行建模。通过von Mises应力和最大主应力评估力学行为。结果表明，应力分布和应力大小取决于修复材料性能、洞基配置以及系统整体刚度之间的相互作用。特别地，某些无洞基增强复合材料配置表现出比某些多层配置更均匀的应力分布和更窄的应力范围。然而，这种行为不应推广至所有无洞基修复体，因为它取决于所评估材料的特定力学性能和修复系统的结构配置。这些发现强调了在MOD修复体的生物力学评估中共同考虑聚合收缩和瞬态咬合载荷的重要性，并表明在特定条件下，优化修复材料性能可能与引入中间层同样重要。

论文解读：聚合收缩与瞬态咬合载荷下MODⅡ类修复体的生物力学研究

一、研究背景与问题提出

在口腔修复领域，Ⅱ类近中-颌-远中（MOD）洞型因其同时丧失两个边缘嵴而成为一种力学上极为关键的构型。这种结构性中断显著改变了牙齿内部的自然载荷传递路径，导致应力集中增加、牙尖偏斜以及釉质和牙本质在功能载荷下易于萌生裂纹和扩展。聚合物基复合树脂因其良好的力学性能、粘接能力和微创修复适应性而被广泛用于MOD洞型的修复。然而，这类材料在固化过程中不可避免地发生体积收缩，产生残余应力。在临床服役条件下，这些残余应力与功能性咬合载荷叠加，可能损害修复体的边缘完整性和结构稳定性。

尽管已有大量数值和实验研究探讨了聚合收缩、洞基材料或修复材料刚度等单一变量，但这些研究多采用简化的静态加载条件。在临床实际中，聚合产生的残余应力与瞬态咬合载荷共存，产生应力叠加机制，这无法通过静态或单变量分析充分捕捉。因此，洞基配置与修复材料刚度在生理相关的瞬态咬合载荷下的联合力学影响尚未得到充分表征。基于此，研究人员开展了本研究，旨在通过三维有限元分析（3D-FEA），在考虑聚合收缩和瞬态咬合载荷的共同作用下，系统评估Ⅱ类MOD修复体的生物力学响应。

二、研究方法概述

研究人员采用的主要关键技术方法包括：

1. 1.
   几何模型重建：从锥形束计算机断层扫描（CBCT）图像数据重建成人磨牙的三维几何模型，并在SolidWorks 2021中进行平滑处理和标准化MOD洞型设计。
2. 2.
   有限元建模与分析：在ANSYS 2021中使用瞬态结构模块进行模拟，采用四面体实体单元网格，并在粘接层、洞基、修复材料和洞缘区域进行局部网格细化。通过网格收敛性分析验证了模型的数值稳定性。
3. 3.
   边界条件与瞬态咬合载荷：约束牙根基底部的所有平移自由度以模拟机械锚固。实施了一个0至0.25秒的瞬态咬合加载协议，最大载荷600 N于0.15秒时施加于简化食团表面，接触面积55.12 mm2，接触类型设为绑定接触。
4. 4.
   聚合收缩模拟：采用等效热应变法（热类比法）模拟聚合收缩，通过施加假想的温度变化（从22°C降至21°C）实现1%的线收缩和约3%的体积收缩，作为初始载荷步在瞬态咬合载荷之前施加。
5. 5.
   材料属性与修复配置：所有材料均假设为均质、各向同性且线弹性。考虑了含洞基（使用玻璃离子水门汀、低粘度树脂、硅酸三钙等基底材料搭配陶瓷/玻璃陶瓷修复材料）和无洞基（使用不同二氧化硅含量的增强复合材料及商业对照系统）两大类修复配置。

三、研究结果

3.1 瞬态咬合载荷下的应力响应

所有模型均承受了从0到0.25秒的瞬态咬合加载循环。完整牙齿的von Mises应力最低，为53.06 MPa。所有修复配置均显示出更高的应力水平，表明MOD洞型制备造成的结构不连续改变了牙体-修复体系统中的应力传递。最高应力主要集中在洞缘周围和修复体结构内部。传统直接复合树脂无洞基修复体的最大von Mises应力达到100.92 MPa，是代表案例中的最高值。

3.2 洞基材料对应力分布的影响

含洞基修复体展现出广泛的应力响应范围，具体取决于洞基材料与覆盖修复材料的特定组合。其中，采用硅酸三钙作为洞基的配置显示出最低的最大von Mises应力值，例如与steatite 920和锂铝硅酸盐组合时峰值分别为64.64 MPa和64.98 MPa。相反，将玻璃离子水门汀或低粘度树脂基底与玻璃陶瓷或玻璃基修复材料结合的配置则表现出更高的应力水平（约98-101 MPa）。这表明应力响应不能归因于单一的洞基材料，而是取决于整个修复系统的相互作用。

3.3 无洞基修复体的应力分布

无洞基修复体的应力响应因修复材料而异。在增强复合材料系统中，含有66.69%二氧化硅的Bis-GMA/TEGDMA基质复合材料获得了最低的最大von Mises应力（60.03 MPa），Filtek Z350也达到了62.74 MPa的低值。这表明某些无洞基增强复合材料在瞬态加载下表现出相对较低的应力变异性。然而，Bulk Fill参比复合树脂则表现出显著更高的应力值（88.94 MPa），证明无洞基修复体的力学响应强烈依赖于修复材料本身，不能被视为一个力学性质统一的群体。

四、讨论与结论总结

讨论部分指出，完整牙齿应力最低反映了结构完整性的生物力学重要性，而MOD洞型修复后的应力升高是替换连续生物结构为多材料修复系统的力学后果。洞基的作用并非孤立，而是作为一个中间层，其效果取决于与覆盖修复材料及周围牙体组织的弹性模量匹配度。无洞基增强复合材料在某些情况下表现良好，这可能与消除了额外界面和材料自身高填料含量带来的高刚度及低收缩有关，但这并不具备普遍优势。研究的创新贡献在于同时考虑了聚合收缩和瞬态咬合载荷，揭示了残余应力与功能载荷叠加效应对最终应力状态的关键影响。

研究结论翻译如下：

本研究通过三维有限元分析，整合聚合诱导残余应力与瞬态咬合载荷，评估了Ⅱ类近中-颌-远中（MOD）修复体的生物力学响应。在本研究采用的假设和条件下，可得出以下结论：

• •
  II类MOD洞型制备相关的结构不连续性增加了相对于完整牙齿的应力集中，证实了尽可能保存天然牙结构的生物力学相关性。
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  含洞基修复体的力学响应取决于完整的修复系统，包括洞基材料、覆盖修复材料及周围牙体组织之间的相互作用。因此，应力行为不能单独归因于洞基材料。
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  某些无洞基增强复合材料系统表现出比几种多层配置更低的应力变异性和更均匀的应力分布。然而，这种响应是材料依赖性的，不应推广至所有无洞基修复体，因为Bulk Fill参比复合树脂的应力值显著高于增强的无洞基系统。
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  共同考虑聚合收缩和瞬态咬合载荷为修复后磨牙的应力发展提供了更全面的描述，突出了残余-功能应力叠加在MOD修复体生物力学评估中的相关性。
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  MOD修复体的生物力学性能应被解释为一个系统级响应，受洞型几何形状、材料刚度、界面配置和加载条件之间相互作用的支配，而非单个修复变量的孤立效应。