口腔种植界面力学关系优化

（一）口腔种植界面与界面能的关系

由于口腔种植是种植体直接与机体组织接触，而机体组织的特定结构，解剖形态和生理、病理状态是受生物学控制的，但他们的作用方式和规律，又是服从一定的力学原则的。当种植体植入到人体后，其表面首先与血液和组织液相接触，构成材料 —体液 — 硬组织的接触关系。此时固体种植牙的表面与血液和组织液表面，其分子受到不平衡的分子间力的影响，此时与固体和液体内部分子相比较，他们具有附加的能量。种植材料表面存在固体表面能（即固体表面张力），血液和组织液中存在一种内力，使表面积趋于极小，这就是液体表面能（即液体表面张力）。在这两种凝聚相的界面，还存在界面能（即界面张力）。但界面能的测定是很难的，国内外一般采用固体表面的润湿临界张力及液体在固体上的接触角测定，来研究各种界面能。（图60）

图60　液体在固体表面的接触角

这种界面能对于机体组织在材料表面的结合将产生很大的影响。因为种植界面能愈低，润湿性就愈好，组织的结合性能就愈佳。若通过人工的办法控制材料的表面能，将会获得良好的种植效应。编者为探讨这种界面能与组织结合的关系，于1984年采用了八种种植材料，四种机体硬组织与四种液体（血清、唾液、人工体液和生理盐水），进行了表面接触角测定研究，结果表明：①四种机体组织液与同一材料表面的接触角近似，说明四种机体组织的表面能是基本相同的。②机体组织液与人体的骨、牙釉质、牙本质、牙骨质的接触角测定相比较，差异不大，而以人体骨的接触角最小，即表面能最低，润湿状态最好，与机体组织间的结合性最好，这与天然状态是一致的。③机体组织液与八种种植材料的接触角比较，羟基磷灰石的接触角最小，聚砜的接触角最大，说明不同种植材料的表面能不同，润湿状态不同，种植界面能亦不同，而与组织的结合性能也不同。对种植材料的筛选和对种植界面力学性能的探讨，都是非常重要的。按不同材料与四种液体的接触角大小顺序排列。（表66）

为了进一步研究不采用直接测定接触角的方法，而利用方程计算方法就能对界面性质作出初步估价，编者对 Zisman方程作了可行性探讨。因Zisman方程是从复合物界面研究提出来的，对于口腔种植材料的研究是否适用问题，釆用了八种种植材料、四种机体组织液和六种标准对照液，进行了固体的临界表面张力、液体的表面张力和固体—液体之间的接触角测定。将所测得的数据采用Zisman方程计算再通过计算机加以处理，其处理值与标准文献值对照，其结果基本相同，大多数回归直线的相关系数均在0.85左右，表明釆用Zisman方程计算法可以估算出种植体与机体组织的界面能。对材料的选择，对材料性能的初步估价均是一个简便易行的方法，为Zisman方程在口腔医学的应用开辟了新的途径。

表66　种植材料与组织液表面接触角的比较

图60　液体在固体表面的接触角

这种界面能对于机体组织在材料表面的结合将产生很大的影响。因为种植界面能愈低，润湿性就愈好，组织的结合性能就愈佳。若通过人工的办法控制材料的表面能，将会获得良好的种植效应。编者为探讨这种界面能与组织结合的关系，于1984年采用了八种种植材料，四种机体硬组织与四种液体（血清、唾液、人工体液和生理盐水），进行了表面接触角测定研究，结果表明：①四种机体组织液与同一材料表面的接触角近似，说明四种机体组织的表面能是基本相同的。②机体组织液与人体的骨、牙釉质、牙本质、牙骨质的接触角测定相比较，差异不大，而以人体骨的接触角最小，即表面能最低，润湿状态最好，与机体组织间的结合性最好，这与天然状态是一致的。③机体组织液与八种种植材料的接触角比较，羟基磷灰石的接触角最小，聚砜的接触角最大，说明不同种植材料的表面能不同，润湿状态不同，种植界面能亦不同，而与组织的结合性能也不同。对种植材料的筛选和对种植界面力学性能的探讨，都是非常重要的。按不同材料与四种液体的接触角大小顺序排列。（表66）

为了进一步研究不采用直接测定接触角的方法，而利用方程计算方法就能对界面性质作出初步估价，编者对 Zisman方程作了可行性探讨。因Zisman方程是从复合物界面研究提出来的，对于口腔种植材料的研究是否适用问题，釆用了八种种植材料、四种机体组织液和六种标准对照液，进行了固体的临界表面张力、液体的表面张力和固体—液体之间的接触角测定。将所测得的数据采用Zisman方程计算再通过计算机加以处理，其处理值与标准文献值对照，其结果基本相同，大多数回归直线的相关系数均在0.85左右，表明釆用Zisman方程计算法可以估算出种植体与机体组织的界面能。对材料的选择，对材料性能的初步估价均是一个简便易行的方法，为Zisman方程在口腔医学的应用开辟了新的途径。

表66　种植材料与组织液表面接触角的比较

（二）种植界面与材料力学的关系

在种植界面的力学关系中，种植材料本身的力学性质和在应力作用下的力传导性质，必须与骨的力学性质和力的传导性质相匹配，才能获得良好的力学相容性，提高种植的成功率。

在种植界面中，骨面是相对稳定不变的，而种植材料面是能控制的、可变的。因此从材料力学观点来看，最重要的是有关种植材料的弹性（弹性模量、弹性强度、弹性率）和刚性问题。目前的种植材料基本上采用高强度和高硬质的材料。用这些材料制成的种植体，在一般情况下，承受咀嚼1～5年，大多数出现了根周骨质吸收和破坏，少数种植体最终导致松动、甚至脱落而失败。除种植材料本身的性质影响外，还与力的传导方式有重要关系。

金属材料，陶瓷材料与天然骨和牙相比，弹性模量高，刚性大，两者存在明显差异（如钛合金为11.0×105，钴铬合金为21.7×105，羟基磷灰石为20.3×105，玻璃陶瓷为9.5×105，皮质骨为2.03×106，牙釉质为1.8×105，牙本质为 8.2×105），在常用的种植材料中，高分子材料如聚砜，超高分子量聚乙烯的弹性模量和刚性与骨和牙虽然接近一些，但因高分子材料在体内容易降解和老化变质的问题还未完全解决，因此目前的应用受到一定的限制。因种植界面没有牙周膜存在，弹性模量高和刚性大的种植材料在受垂直或水平应力时，应力不能得到分散和缓冲，加上骨组织又是多相而非均一的多孔体，应力应变成粘弹性关系，在这种情况下很容易形成种植体周围的应力集中，造成骨吸收和破坏。在同一大小的水平应力与垂直应力对种植界面的影响相比，水平应力大于垂直应力，特别是应力的作用点愈高影响愈大。若将口腔内种植桩三等分，选ABC三个点在相同应力作用下，B是C的1.7倍，A是B的 3倍。（图61）所以，要求任何种植体埋入骨内深度不得小于5毫米，才能减少水平应力的影响。

（二）种植界面与材料力学的关系

在种植界面的力学关系中，种植材料本身的力学性质和在应力作用下的力传导性质，必须与骨的力学性质和力的传导性质相匹配，才能获得良好的力学相容性，提高种植的成功率。

在种植界面中，骨面是相对稳定不变的，而种植材料面是能控制的、可变的。因此从材料力学观点来看，最重要的是有关种植材料的弹性（弹性模量、弹性强度、弹性率）和刚性问题。目前的种植材料基本上采用高强度和高硬质的材料。用这些材料制成的种植体，在一般情况下，承受咀嚼1～5年，大多数出现了根周骨质吸收和破坏，少数种植体最终导致松动、甚至脱落而失败。除种植材料本身的性质影响外，还与力的传导方式有重要关系。

金属材料，陶瓷材料与天然骨和牙相比，弹性模量高，刚性大，两者存在明显差异（如钛合金为11.0×105，钴铬合金为21.7×105，羟基磷灰石为20.3×105，玻璃陶瓷为9.5×105，皮质骨为2.03×106，牙釉质为1.8×105，牙本质为 8.2×105），在常用的种植材料中，高分子材料如聚砜，超高分子量聚乙烯的弹性模量和刚性与骨和牙虽然接近一些，但因高分子材料在体内容易降解和老化变质的问题还未完全解决，因此目前的应用受到一定的限制。因种植界面没有牙周膜存在，弹性模量高和刚性大的种植材料在受垂直或水平应力时，应力不能得到分散和缓冲，加上骨组织又是多相而非均一的多孔体，应力应变成粘弹性关系，在这种情况下很容易形成种植体周围的应力集中，造成骨吸收和破坏。在同一大小的水平应力与垂直应力对种植界面的影响相比，水平应力大于垂直应力，特别是应力的作用点愈高影响愈大。若将口腔内种植桩三等分，选ABC三个点在相同应力作用下，B是C的1.7倍，A是B的 3倍。（图61）所以，要求任何种植体埋入骨内深度不得小于5毫米，才能减少水平应力的影响。

图61

为了解决应力和应力传导问题，一方面可从材料合成时就考虑到如何降低弹性模量和刚性。可采用多孔体，或与疏松的材料复合或添加微量元素等方法，都可收到良好的效果。比如在种植陶瓷中加入氧化钇，不仅可获得较好的力学性质，而且还可提高材料的生物相容性和X射线阻射性。另一方面对种植体的大小、形态设计，以及进行表面改性，都可能减缓应力作用和改善应力传导而达到目的。

（三）种植界面应力及传导的测定方法

因为种植界面的应力分布和传导是一个非常复杂的问题，目前还很难找到一种有效的测定方法。为研究这一问题，一般有以下几种方法：

1.润湿接触角测定法：可分析了解种植界面能。(www.xing528.com)

2.二维或三维光弹应力分析法：测定种植体在负荷作用下瞬间的应力传导和分布。

3.有限元计算法：分析种植体单位面积上所承受的应力及分布。

4.等高线立体描绘法：分析应力的集中点和分布变化。

5.三维模型分析法：直接模拟种植体和周围组织结构的整体模型，进行种植界面的三维空间分析。

6.超声波和声发射联用法：对界面应力传导及动态分析。

7.激光全息干涉法：测定种植体表面波长量级的位移，计算应力大小及力的传导。

以上仅是几种常用的方法，在研究过程中应具体根据种植材料、种植体形态、种植部位等，设计出更多更有效的检测方法。

本节仅从种植界面的若干问题中的一部分进行论述，只能代表一个方面的观点和认识，在口腔种植研究的长河中，还等待众多的研究者随时加以更新，使这个领域能迅速地向纵深方向发展，终将会取得成功。

图61

为了解决应力和应力传导问题，一方面可从材料合成时就考虑到如何降低弹性模量和刚性。可采用多孔体，或与疏松的材料复合或添加微量元素等方法，都可收到良好的效果。比如在种植陶瓷中加入氧化钇，不仅可获得较好的力学性质，而且还可提高材料的生物相容性和X射线阻射性。另一方面对种植体的大小、形态设计，以及进行表面改性，都可能减缓应力作用和改善应力传导而达到目的。

（三）种植界面应力及传导的测定方法

因为种植界面的应力分布和传导是一个非常复杂的问题，目前还很难找到一种有效的测定方法。为研究这一问题，一般有以下几种方法：

1.润湿接触角测定法：可分析了解种植界面能。

2.二维或三维光弹应力分析法：测定种植体在负荷作用下瞬间的应力传导和分布。

3.有限元计算法：分析种植体单位面积上所承受的应力及分布。

4.等高线立体描绘法：分析应力的集中点和分布变化。

5.三维模型分析法：直接模拟种植体和周围组织结构的整体模型，进行种植界面的三维空间分析。

6.超声波和声发射联用法：对界面应力传导及动态分析。

7.激光全息干涉法：测定种植体表面波长量级的位移，计算应力大小及力的传导。

以上仅是几种常用的方法，在研究过程中应具体根据种植材料、种植体形态、种植部位等，设计出更多更有效的检测方法。

本节仅从种植界面的若干问题中的一部分进行论述，只能代表一个方面的观点和认识，在口腔种植研究的长河中，还等待众多的研究者随时加以更新，使这个领域能迅速地向纵深方向发展，终将会取得成功。