骨密度对牙科种植体骨整合的影响：基于改进的机械调控算法的有限元模拟与敏感性分析

《Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials》：Effect of Bone Mineral Density on Dental Implant Osseointegration: A Finite Element Simulation and Sensitivity Analysis Using a Modified Mechano-Regulation Algorithm

　　

金东元|南珠贤|吴哲勋

韩国京畿道安山市汉阳大学机械工程系及BK21 FOUR ERICA-ACE中心，邮编15588

摘要

本研究旨在开发并评估一种基于有限元（FE）的种植体周围愈合模拟方法，该方法将骨密度（BMD）明确纳入改进的机械调节算法中，以预测牙科种植体的骨整合情况。同时，还研究了BMD以及临床相关设计和加载条件对预测结果的影响。构建了一个包含牙科种植体、皮质骨、松质骨和种植体周围骨痂的二维轴对称FE模型，用于计算愈合过程中的应变和细胞间液流动。将具有BMD依赖性材料特性的改进机械调节算法集成到FE模型中。通过骨-种植体接触（BIC）和骨痂区域的平均杨氏模量（E_avg）来量化骨整合程度。模型预测结果与两种BMD条件下的已发表的8周BIC数据进行了验证，并对种植体直径、种植体周围间隙大小和轴向位移进行了敏感性分析。在0.35–0.65 g/cm³的BMD范围内，较高的BMD与更快的骨成熟过程以及更高的BIC和E_{avg值相关。当BMD从0.35 g/cm³增加到0.65 g/cm³时，8周时的BIC从22.4%增加到58.3%，Eavg从623 MPa增加到1568 MPa。种植体直径的影响较小，而种植体周围间隙大小和轴向位移的影响较大，尤其是在低BMD条件下。这种考虑BMD的机械生物学模拟方法能够比较不同骨质量及临床条件下骨整合的情况。}

引言

牙科种植体、牙桥和假牙用于替代缺失的牙齿并恢复口腔功能。其中，牙科种植体因无需依赖相邻牙齿即可提供固定的修复方案而变得越来越普遍（Palmer, 1999）。然而，牙科种植体仍可能发生失败，导致骨质流失和感染等并发症。种植体失败的一个主要原因是骨整合不足。骨整合是指骨与种植体界面之间的结合（Van Staden et al., 2006）。因此，实现稳定的骨整合对于确保种植体的长期稳定性和预防相关并发症至关重要（Geng et al., 2001; Meredith, 1998）。

许多研究探讨了与骨-种植体界面稳定骨整合相关的因素（Chen et al., 2017; Deng et al., 2015; Sollazzo et al., 2008）。然而，在实验中难以控制加载和其他种植体周围条件，这限制了对种植体周围机械环境的系统评估。为了克服这些限制，有限元分析（FEA）被广泛用于牙科种植体研究。有两种主要方法用于模拟骨愈合过程：机械调节模型将组织分化描述为由愈合区域内产生的机械刺激驱动的过程（Prendergast et al., 1997; Lacroix and Prendergast, 2002），而基于反应-扩散的生物调节模型则通过生化因子的扩散和浓度来描述愈合过程（Bailón-Plaza and van der Meulen, 2001; Geris et al., 2008）。这两种方法针对不同的生物学机制，适用于不同的加载条件。

近年来，通过机械调节模型利用FEA评估了骨整合情况（Carter et al., 1998; Carter et al., 1988; Carter and Wong, 1988; Claes and Heigele, 1999; Geng et al., 2001; Pauwels, 1980）。机械调节模型基于组织分化由机械刺激驱动的理论。已经提出了几种用于骨折愈合的机械调节模型（Carter et al., 1998; Huiskes et al., 1997; Prendergast et al., 1997）。在机械调节模型中，机械刺激通常用八面体剪切应变和细胞间流速来表示（Lacroix and Prendergast, 2002; Lacroix et al., 2002）。基于这些概念，基于生物物理刺激的机械调节模型被应用于种植体周围愈合（Chou and Müftü, 2013; Huang et al., 2020; Irandoust and Müftü, 2020; Li et al., 2020）以及下颌骨折固定（Mehboob et al., 2025），以研究加载和设计参数如何影响组织分化和骨整合。

尽管由于种植体形状和表面特性的改进，种植体的稳定性有所提高（Lee et al., 2021; Park et al., 2022），但仍报告有高达10%的失败率，且患者之间的骨密度（BMD）差异被认为是重要因素（Vidyasagar and Apse, 2004; Vootla and Reddy, 2017）。BMD因年龄和吸烟状态等因素而在患者间存在差异，并且在不同颌骨区域也有所不同（Devlin et al., 1998; Di Stefano et al., 2019; Lee et al., 2020; Ward and Klesges, 2001）。然而，之前的种植体周围愈合机械调节研究将骨属性固定在一个代表性值上（Chou and Müftü, 2013; Huang et al., 2020; Irandoust and Müftü, 2020; Li et al., 2020），隐含地代表了单一的BMD条件。因此，种植体周围愈合的BMD依赖性行为尚未得到量化。此外，BMD如何与初始机械环境中的临床相关变化（如种植体直径、种植体周围间隙大小和轴向位移）相互作用仍不清楚。

本研究的目的是利用改进的机械调节模型研究BMD对牙科种植体骨整合的影响，并评估预测结果对临床相关的种植体直径、种植体周围间隙大小和轴向位移变化的敏感性。本研究重点关注种植体植入后前8周的愈合阶段，这一阶段决定了初始的骨整合结果。构建了一个牙科种植体系统的有限元（FE）模型，并建立了材料属性与BMD之间的关系。为了验证带有改进机械调节模型的FE框架，将模拟预测结果与先前报道的实验结果进行了比较（He et al., 2020; Yu et al., 2019）。然后在临床相关的BMD范围内评估了组织表型分布和固体/流体刺激，并对代表性低BMD和高BMD情况下的种植体直径、种植体周围间隙大小和轴向位移进行了敏感性分析。通过骨-种植体接触（BIC）和骨痂区域的平均杨氏模量（E_avg）来量化骨整合程度。

章节摘录

有限元模型

在牙科种植体系统中，基台和牙冠连接到植入颌骨中的种植体（图1(A)）。虽然包括基台和牙冠的3D FE研究可以分析实际加载条件下的应力分布（Ouldyerou et al., 2022），但由于关注的是种植体周围愈合区域，因此此处仅对骨和种植体进行了建模。由于种植体螺纹的几何复杂性以及3D FE模拟的高计算成本，

验证

在研究BMD对骨整合的影响之前，将模拟结果与在不同BMD下进行的两个实验研究进行了验证。两种BMD条件（0.35和1.15 g/cm³）下的模拟BIC值分别为33.5%和70.9%，与实验报告的8周值30.61 ± 3.13%（He et al., 2020）和72.14 ± 14.89%（Yu et al., 2019）非常接近（图4）。该框架再现了两种不同BMD下的8周BIC趋势

讨论

本研究使用改进的机械调节算法研究了在不同BMD和临床相关敏感性条件下的种植体周围组织分化和定量骨整合指标。首先检查了组织表型的时间和空间进展，以确认预测的愈合顺序与模型的生物学和机械生物学假设一致。在早期阶段（第1和2周），形成了成熟的骨组织

结论

本研究使用结合了BMD依赖性材料特性的有限元框架和改进的机械调节算法，研究了BMD对牙科种植体骨整合的影响。较高的BMD促进了向成熟骨组织的更快分化，并提高了预测的骨整合指标，包括骨痂区域的BIC和E_{avg值。种植体直径对BIC和Eavg的影响小于BMD。预测结果对}

CRediT作者贡献声明

金东元：撰写——初稿、方法论、数据整理、概念化。南珠贤：研究、正式分析。吴哲勋：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取、概念化

资助

本研究得到了韩国政府资助的国家研究基金会的资助（RS-2024-00333988）。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。