在保留骨皮质元素植入螺纹螺纹尺寸和螺纹轮廓的效果有限元研究.docx

1、在保留骨皮质元素植入螺纹螺纹尺寸和螺纹轮廓的效果有限元研究在保留骨皮质元素植入螺纹：螺纹尺寸和螺纹轮廓的效果：有限元研究S. Hanssona, , , M. Werkeba研究与发展部，阿斯特拉技术AB公司，PO专栏14，S -43121Mlndal，瑞典b瑞典生产工程研究学会，Argongatan30，S -43153Mlndal，瑞典摘要假设在高应力峰值骨能引发骨吸收的一个螺旋形的骨植入，应该给予这样的设计，一定负荷的结果，因在骨峰值应力，最小化。使用理想化的假设，研究的目的是分析的大小和轮廓的轴向加载，螺旋形，骨植入后的皮质骨的应力峰值幅度线程变化的影响。轴对称的有限元分析手段进行调查

2、。结果发现，螺纹轮廓的形状了深刻的影响后，在骨和一个有利的姿态，非常小的线程的压力的大小，可以相当有效。关键词：螺纹轮廓，螺纹尺寸;应力;骨;植入文章大纲1.简介2.方法3.结果4.讨论4.1.螺纹深度4.2.顶半径曲率/螺纹深度比4.3.无螺纹底部的直线部分4.4.在螺纹底部的直线部分4.5.底部的曲率半径值变化的影响5. 结论6.参考文献1.简介机械性刺激不足，已建议在牙科种植体观察背后的边际骨质流失往往是一个主要的致病因素(Wiskott and Belser, 1999). Carter et al. (1981), 发现骨与大多数工程材料相比，具有极其恶劣的疲劳强度。有人曾建议，在每

3、天发生的的微损伤是骨维修刺激(Carter et al., 1987). Hansson (1999) 建议保留的元素，例如在一个线程的形式，在骨内植入颈部会诱发机械性刺激，需要保持边际骨水平。这已被证实在动物(Al-Sayyed et al., 1994) 以及在临床研究(Nordin et al., 1998; Norton, 1998; Palmer et al., 2000)。 “应力性骨折”骨被认为是导致的微损伤的积累和凝聚发生时，骨重塑不足以保持与微损伤形成的步伐(Prendergast and Huiskes, 1996). Frost (1989)。Frost (1989) 建

4、议在正常的板层骨微损伤发生时的应变超过3000-4000显微对应约45-60兆帕的压力。Hoshaw et al. (1994) 受到兔胫骨中插入一个动态的每天500个周期的轴向拉伸负荷连续五天的Brnemark植入。这导致在种植体颈部周围的骨质流失。有限元分析表明在这一地区的高株。有人建议，骨质流失，骨建模和重塑继发骨微损伤的结果。Duyck et al. (2001) 发现火山口状骨缺损适用于安装在兔胫骨bicortically Brnemark植入一个动态的横向负载。的解释是，过度强调造成骨质流失。Roberts et al. (1996) 报告围绕植入线程的顶部高重塑率。在检索牙科植入

5、物的研究(Albrektsson and Sennerby, 1991，Tsuboi et al., 1996) 人们发现，骨缺损往往是位于线程顶部，在与上述牙科植入后果应给予这样的设计使周围骨加载，但避免了高应力峰。植入较高的负载越大时，强调这是引起骨。这意味着，为了最大限度地植入抵抗负载能力应该给予这样的设计使峰值应力所产生的骨植入，作为一个给定的最小化负载的结果。Albrektsson et al. (1983) 建议线程的顶部，以减轻应力集中四舍五入，调查一个Brnemark种植体周围应力分布的有限元分析手段。Van Oosterwyck et al. (1998)发现，高峰von M

6、ises应力轴向负荷导致骨植入界面被假定为抵抗拉伸，剪切和压应力时，在较低的线程侧翼传递到顶部呈弧形外螺纹顶部出现接口是假设只抵抗压应力。假设只抵抗压应力的骨植入界面，Hansson (2003)，在有限元研究发现，峰值压应力和轴向负荷引起的骨峰值von Mises应力出现在较低的线程侧翼传递到顶部呈弧形，而拉应力峰值位于圆形的顶部。在线程内部点骨的应力大大缩小。使用非常理想化的假设，Skalak and Zhao (2000) 分析显示，类似形式的保留元素的应力分布不依赖于元素的大小。一个系统地分析不同的线程配置文件后的骨应力的影响尚未作出。本研究的目的是分析的大小和理想化，轴向加载，螺旋形

7、的骨植入后的皮质骨的应力峰值幅度线程配置文件变化的影响。2.方法该调查是由有限元分析(Zienkiewicz, 1989)。弹性理论(Timoshenko and Goodier, 1984)被应用。程序中使用的是ANSYS，1修订5.0。模型中使用的，包含了一个直径3.5毫米的主要螺旋形种植体。植入物包括相同轴对称的成员，每个成员模仿一个植入的音调高度。线程被建模为一个对每个植入的成员珠。线程的个人资料（图1）是对称的。配置文件的参数表征的深度（D），顶端的曲率半径（RT），侧角（），底部的曲率半径（RB）和螺纹底部直线部分的长度S。被指定的弯曲部分的长度L.主题配置文件，按表1进行了分析。

8、全尺寸图片图1线程的形象特点的螺纹深度（D），顶端的曲率半径（RT），侧角（），底部的曲率半径（RB）和底部的直线部分的长度S线程。弯曲部分的长度是指定L。表1。线程配置文件分析代表所有的参数值如下（图1）组合螺纹深度（D）顶端曲率半径（RT）侧角（）底部曲率半径（RB）直线部分（S）0.1 mm0.1D00.1D00.4 mm0.2D100.2L0.4D200.4L0.6D300.8L0.8D401.6L1D5060螺纹深度，顶端的曲率半径，侧角和底部的曲率半径值的参数L值（线程弯曲部分的长度）的结果。植入物被假定为无限长，嵌在骨皮质缸（图1）。百分百骨植入物接触假设。骨缸有一个直径为10.

9、5毫米，沿定义的上限和下限的限制表面植入成员和圆柱体的信封表面的水平面之间的交集定义各界硬性固定。旋转对称的进一步假设。假设骨植入界面允许无摩擦滑动，只有压应力，种植体与骨之间的转移。通过接触元素，这些接口条件为蓝本。根据一阶理论“(Asplund, 1966)假设是如此之小，没有考虑需要给应用程序的负载点的位移变形进行了计算。植入物被假定为无限僵硬。骨被假定为均匀和各向同性。为了在有限元软件的算法收敛，它被认为是必要的分配更高的价值（150GPa）的，骨的弹性模量，在现实中出现的。骨的弹性模量（15GPa）的正常价值不衔接的原因可能是刚度的突然变化来完成的刚性接触元素桥;这往往造成问题的有限

10、元分析。如果被假定为融合植入骨骨的弹性模量异常高值，在理论上已经没有结果。这样做的原因是，当使用弹性理论，一阶理论应用于硬性固定在不同的地点和统一的弹性模量的弹性体，弹性材料弹性模量是不是在强调表达的因素(Timoshenko and Goodier, 1984; Young and Budynas, 2002; Hsu, 1990).。这种结构的例子是一个统一的材料帧，硬性固定在不同地点，弹性模量不弯矩表达式的一个因素(Hsu, 1989). 作者通过改变不同的有限元模型模拟硬性固定在一定的边缘和点弹性体的弹性模量，上述报表进行了核实。发现弹性模量的变化并没有改变的压力。然而，在本案中种植体

11、与骨之间的接触单元，引入一个非线形问题的组件，可能会改变这种。幸运的是，它是在测试中发现的，运行的骨（1500GPA）的弹性模量仍然较高的价值并没有改变骨应力。因此，得出的结论是骨的弹性模量高得离谱的价值没有影响的结果。设置为0.3的泊松比骨。轴向负荷，适用于大小达5牛顿/毫米植入成员的长度乘以每一个植入的成员。的假设，在骨的应力，应变和位移，将相同以外的所有成员的无限长的种植体就建立起来了。这与周围的骨上覆及相关对口接壤的成员，因此，分析可能是有限的，以与周围的骨植入成员，提供适当的边界条件指定。因此，植入成员上限表面定义的水平面中的所有节点在相应的节点在相同的植入成员的下限表面定义的水平面

12、硬性挂钩夫妇。随着上述这些刚性连接节点将发生在对相同的位移。在图中所描述的模型进行有限元分析。2。在数学术语中，它完全复制上述规定的条件。为蓝本完全僵硬，固定植入的成员，而在进一步的骨端应用负荷F。所要求的资料的峰值拉应力和压应力峰值骨作为不同的配置参数的值功能。全尺寸图片图2。做分析模型。一个单一的成员的植入，包括周围骨，被认为是。在骨，躺在植入成员上限表面定义的水平面所有节点设置为夫妇在水平面相应的骨植入成员的下限表面定义节点进行相同的位移。元网格参数就建立起来了。它包含四边形单元1129（外螺纹底部的直线部分的内容不包括在内）。在图。3元网格接近的植入是一个计算的例子（参数设置1）所示。

13、每个元素包含四个节点，每两个节点的自由度。全尺寸图片图3元网格和主应力1根据参数设置1（MPA）的螺纹轮廓轮廓（参展的最大拉应力）。植入物被假定为嵌入骨皮质。Reilly and Burstein (1975) 获得人类骨皮质的强度极限以下平均值：, , and (Fig. 4). 加号表示紧张和减号压缩。u0和u90意味着在与骨长轴平行，并在横向平面的极限强度分别。它来自自然，让骨应力的不同种类和不同方向的比例在这些方向的最终实力。比率u0/u0+和u90/u90+分别根据上述的1.45和2.61。因此，为了简化峰值拉应力和压应力峰值商数max/1.45和max/2.61的结果（见表2，表3

14、，表6和表7）之间的比较。考虑到在与骨的配置文件参数的值的组合，最大限度地减少了最高值的长轴平行强调max+和max/1.45，可能会被视为最有利的螺纹设计。如果在横向平面内应力是最关键的，同样可能被认为是结合配置文件参数的最高值max+和max/2.61，最大限度地减少值来指定线程设计选择。皮质骨的强度，不同病人之间，不同的解剖位置和也依赖于应变率(Carter and Hayes, 1977). 不过，这是建议，最终抗压强度和极限抗拉强度之间的上述关系仍然约申请。全尺寸图片图4最终应力（MPA）的人骨皮质根据Reilly and Burstein (1975).表2。螺纹深度为0.1毫米。

15、无螺纹底部的直线部分全尺寸图片max+价值+侧角和顶端的曲率半径不同的组合，为每单位长度的种植体的标准载荷的结果。在案件时max/1.45或max/2.61超过max+这些值也。顶端的曲率半径值表示螺纹深度（D）乘以一个系数。最有利的参数窗口阴影。表3。螺纹深度为0.4毫米。无螺纹底部的直线部分全尺寸图片max+价值+侧角和顶端的曲率半径不同的组合，为每单位长度的种植体的标准载荷的结果。在案件时max/1.45或max/2.61超过max+这些值也。顶端的曲率半径值表示螺纹深度（D）乘以一个系数。最有利的参数窗口阴影。表6。螺纹深度=0.1毫米全尺寸图片max+（表4）的线程减少的情况下，这个

16、长度是不等于零的底部直线部分的长度值的max+。这个值是给定的侧角和顶端的曲率半径不同的组合。在案件时max/1.45或max/2.61超过max+也给这些值（max+最小的线程底部直线部分的长度）。顶端的曲率半径值表示螺纹深度（D）乘以一个系数。最有利的参数窗口阴影。表7。螺纹深度为0.4毫米全尺寸图片max+（表5）的线程减少的情况下，这个长度是不等于零的底部直线部分的长度值。这个值是给定的侧角和顶端的曲率半径不同的组合。在案件时max/1.45或max/2.61超过max+也给这些值（max+最小的线程底部直线部分的长度）。顶端的曲率半径值表示螺纹深度（D）乘以一个系数。最有利的参数窗口

17、阴影。对于一个线程配置文件，参数设置1（螺纹深度为0.1毫米，侧角= 40 ，顶端曲率半径= 0.04毫米，底部曲率半径= 0.01毫米，比直/弯曲部分= 0），一个收敛性分析由炼元网格。3.结果在所有计算实例，在骨峰值拉应力位于外线程的顶部（图3）。在大多数情况下产生压应力峰值外点较低的线程侧翼传递到顶部呈弧形（图5）。线程的底部在一个相当长的直线部分相结合的侧角的大值压应力峰值位于线程侧翼接近底部。峰值拉应力，压应力峰值和在任何情况下植入长轴共享一个共同的垂直平面。全尺寸图片图52主应力轮廓（参展的最大压应力）根据参数设置1（MPA）的螺纹轮廓。在表2和表3的max+价值顶部半径曲率，侧角

18、和螺纹深度的不同组合。表参考的情况下，没有存在的直线部分（剖面参数被零）在线程的底部。设置具体的轮廓参数时，max/1.45和max/2.61超过max+，还介绍了这些值。表4和表5计算在底部，顶部半径曲率，侧角和螺纹深度的不同组合，最大限度地减少拉应力峰值线程的直线部分的长度（S）和峰值压所需的信息应力，分别。是通过线程（L）（图1）弯曲部分的长度乘以系数C的长度。该表列出了该系数的值。表4。螺纹深度=0.1 mmFlank角度顶曲率半径0.1D (mm)0.2D (mm)0.4D (mm)0.6D (mm)0.8D (mm)D(mm)0max+00.40.40.80.8max00.40.2

19、0.20.210max+000.80.80.80.8max00000020max+000.40.80.80.4max0000.20.2030max+0000.40.40.4max00000040max+0000.20.20.2max00000050max+000000max00000060max+000000max000000直螺纹底部的一部分（S）最小峰值拉应力和压应力峰值，分别长度。这个长度是表示这是由线程（L）（图1）弯曲部分的长度乘以一个系数C。表中列出了该系数的值。表5。螺纹深度=0.4 mmFlank角度顶曲率半径0.1D (mm)0.2D (mm)0.4D (mm)0.6D (m

20、m)0.8D (mm)D(mm)0max+00.40.40.80.8max00.40.40.2010max+000.20.40.80.8max000.200020max+0000.20.40.4max00000030max+00000.20.2max00000040max+000000max00000050max+000000max00000060max+000000max000000直螺纹底部的一部分（S）最小峰值拉应力和压应力峰值，分别长度。这个长度是表示这是由线程（L）（图1）弯曲部分的长度乘以一个系数C。表中列出了该系数的值。表6和表7目前max价值+顶部半径曲率，侧角和螺纹深度的不同

21、组合。这样做是为了在每个顶部半径曲率，侧角和螺纹深度的结合，最大限度地减少价值的max+的线程（表4和表5）底部的直线部分的长度。案件时max-/1.45和max-/2.61值超过max+也给这些值。 收敛性分析结果如表8所示。表8。结果螺纹轮廓收敛测试，根据参数设置1Elements网格在侧翼的要素在顶部的元素简介根据参数设置1max+max112916261.833.25262630501.903.81430340701.934.22三种不同的元素网（MPA）的峰值拉伸和压缩应力。该表还列出了在网格元素的数量（不包括线程的底部直线部分外的元素），线程侧面相邻的元素的数量和相邻的元素数量的顶

22、部弯曲部分线程。4讨论本研究着重于作为骨应力的响应，已建立骨整合后的界面反应。阿尔布雷克特松1987年提到的决定是否植入物将成为种植体的六个因素：（1）植入材料的生物相容性，（2）植入设计，（3）种植体表面的特点，（4）主机床的状态，（5）在植入安装过程中的手术技术，（6）事后应用负载条件。数学模型是以骨以外的所有线程轮流的应力分布是相同的方式构思的，这意味着评级的线程文件方面的峰值应力诱导骨是独立的设计和植入骨解剖。这样使线程有不同的大小，这将是困难的一种模式，旨在模拟临床情况。例如，考虑一个螺旋形的下颌牙植入配备一个线程的骨内颈部部分。还考虑一个微线程和在这项研究中使用模型中的微线程的宏线

23、程相比，毫不逊色宏观线程。一些植入设计骨峰值应力产生的轴向负荷往往发生在相当的水平的植入骨的地方（汉森，1999年）。有了这样的设计，它很可能是一个会产生较小的峰值骨应力比的微线程的有着更大间距的宏观线程。其他植入设计的峰值应力轴向负荷造成更深的下跌往往出现在骨（汉森2000年，2003年）。有了这样的设计，它很可能将是微线程最有利的。这意味着一定的螺纹尺寸和螺纹轮廓不仅可以在一个像在这项研究中所使用的理想化模型执行的基础上选择，也可以在进行验证时对预期的种植体设计和应用，执行骨解剖。本研究的目的是要找到线程配置文件的变化后的骨应力纯效果。出于这个原因，它是假设骨植入界面摩擦在现实中，从来没有

24、发生。在某种程度上应根据线程的效果叠加的表面粗糙程度将进一步被保留在骨中（汉森和诺顿，1999）。本研究只考虑轴向负荷。然而，由于假设无摩擦界面，轴向加载植入发挥了相当大的侧向力，可根据公式估计每个植入成员（图6）。此外像在本研究中使用的理想化模型中应用的水平荷载的影响，需要进一步调查。一个整体植入设计很大程度上依赖于线程之外的应力分布的轴向和横向联合负载的效果的临床试验。使用种植体-骨界面假定抵抗压缩，拉伸和剪切应力的有限元模型。施托伊贝尔（1988年）和Mailath等人（1989年）发现，峰值骨应力产生的轴向负荷的植入是和在顶部边缘骨一样的峰值骨应力产生的横向荷载的植入。这意味着两个不同

25、来源的骨峰值应力空间相吻合，因而彼此互相增加。为了避免诱导骨吸收的压力，有人建议使用植入设计来解决峰值骨应力产生的轴向负荷的空间分割所造成的横向负荷。对于牙种植体汉森（2000）和汉森（2003）发现与位于边际骨在骨内种植体颈部部分保留元素相结合的水平的一个锥形种植体基台界面的骨峰值应力轴向产生负载在骨内进一步下降暗示这是一个履行施托伊贝尔（1988）和Mailath等人（1989）要求的设计。Full-size image (7K)图6。左:一个F竖向荷载作用下引起的横向分布反力 的单位长度的地方单位在植入种植体直径D。右:产生的力量迫使后者分布式集成超过一半的金额的一场革命。体界面的假设都

26、不抗拉应力也是一个理想化的。然而，作者认为，这更类似真实情况比假设的一个界面，骨融合植入和界面无极限抗拉应力。范Oosterwyck丁晓萍。(1998)建议,在所有接口,不抵抗拉应力模拟情况与一个光滑植入表面使用的类型Branemark植入而完整的抗拉应力模拟条件与植体生物活性表面。当然,这过于简单化,即使有一定的背后逻辑。一个有趣的方法来模拟现实implant-bone界面的造型是由Duyck丁晓萍。(2001人)在有限元研究指定一个抗拉强度界面1兆帕的Branemark植体。假定均匀骨和100%的骨植入联系也是理想主义(Albrektsson和Albrektsson,1987)。但根据建议

27、，相对值的不同线程概况，表示应力峰值作为一个标准化的单位负荷植入物的长度，是大致相同的100%而不是骨头并列普遍存在。假设一个轴向载荷5 N /毫米植入的长度可能出现随意的。然而,与其他负载测试运行表明,骨量高峰期得到不同应力非常接近的大小成正比负荷。这意味着只有非线性部件的数学模型、接触单元,没有发生任何显著的非线性结果。这意味着不同的相对优点分析线剖面实际上是独立级的负荷。该模型是非常遥远的临床情况,这意味着其峰值应力的绝对值在骨是不感兴趣。什么是有兴趣的相对价值的峰值应力得到了不同的螺纹侧面。 在大多数情况下,外压应力峰值出现的地方旁边的低线转为曲线上(图5)。这个位置的压应力和峰值应力

28、的峰值由汉森（2003）的峰值Hansson应力有限元研究的范oosterwyck等人。（1998）和汉森和全集（1997）和峰值应力的光弹性研究的萨特（1996）发现的。因此有确凿的证据表明,这是一个关键点。拉应力峰值在所有情况下降落外螺纹顶(图3),这一结果证实了Hansson(2003),以及配合预测的Albrektsson丁晓萍。(1983)等人的观点。除型材结合大侧面角度之外，长直部分底部的螺纹骨应力接近底部的螺纹是微不足道的也是Albrektsson丁晓萍。(1983)。等人预测的。在收敛性分析拉应力峰值显示一个明确的趋势，收敛与越来越多的元素(表8)有关。然而峰值应力大大提高时网

29、格却精确到2626和4303股的元素(元素正剧外底部的线程不含元)。它可以怀疑有一个奇异的直侧面连接到弯曲的顶部，这意味着在一个无限的小面积压应力是无限的。这是一个神器,有时是因为这个假设出现完全线弹性材料。然而骨头被假设为均匀的。70个元素在包含4303元素网格边界圆螺纹上意味着元素宽度达几个微米。Sennerby丁晓萍。(1991年)发现一个100 - 400纳米晶层宽之间缺乏矿物植入和矿化骨在检索,临床上稳定的钛牙种植体。有理由相信这样一个层会作为应力阻尼器。这意味着微米假定均匀骨不再适用。因此它使毫无意义的精炼元素网格得到进一步发展。尺寸和形状的因素模型影响有限元分析的精度。在某种程度上,这些特性的不同可作为不同的计算实例。而且接触单元的存在会影响精度的应变值和毗邻这些联系的元素。在拉应力作用下发生骨峰值离开植体的情况。在这里既不接触单元的有限元模型,也没有上述非晶层缺乏矿物质临床植入的观察应该不会影响重读。显示一个明确的趋势，汇集了越来越多的元素。因此笔者认为,精度好的拉应力峰值可能与预定的极端情况下的顶端曲率半径的最高0.1线程深度系数和劣元素的形状有关。在压应力峰值处出现的情况更为复杂。尽管事实介绍一定弹性接触单元的有限元模型有一个奇异点在这个位置。然而,非晶态层缺乏矿物出现在临床植