牙体组织生物力学.ppt

牙体组织生物力学,在牙体牙髓治疗中的力学问题,牙齿经过长期进化和自然选择形成特殊结构和力学性能,保证其咀嚼功能:那些因素影响修复的强度？这些因素与宏观结构及微结构之间有怎样的关系？牙体与其修复体的设计与其力学性质的关系如何?牙体或修复体断裂的原因及过程?,怎样提高联合体的可靠性?具有怎样的强度材料可用于怎样的部位?因此，牙体牙髓病的治疗必须考虑牙体组织的力学性质，修复材料的力学性质，修复体的力学性质，牙体预备体的力学性质、牙-修复体联合体的力学性质；以生物力学为设计指导，建立力学评价指标。,牙体组织的结构特点,直接行使咀嚼功能的器官硬组织：牙釉质、牙本质、牙骨质软组织：牙髓,牙釉质,钙化程度最高、最硬的组织对磨损具有较大的抵抗力釉柱和柱间质、无细胞细长的柱状体，贯穿釉质全层绞釉（内2/3）和直釉（表面1/3）柱间质：钙化粘连质、呈均质性釉柱内晶体各部排列方向不同-特殊形状的釉柱,晶体扁平六边形。较骨和牙骨质中的大。釉柱由紧密排列的晶体组成，晶体排列的方向相当有规律，呈高度器官化。晶体的长轴大多平行于釉柱的长轴，釉柱中轴的晶体更是如此。但越靠近釉柱的边缘，离中轴越远，晶体的倾斜度越大。釉板、釉丛、釉梭和釉牙本质界是釉质内有机物比较集中的部位。受力时容易产生应力集中，是力学的薄弱环节。,牙本质,牙本质是构成牙体的主体，是有活力的组织；属于矿物化的、无血管的结缔组织；牙本质由造牙本质细胞、胞浆突起、牙本质小管、管周牙本质和管间牙本质组成。,牙本质内的有机物主要是胶原和蛋白多糖。胶原是I型胶原，形成胶原原纤维，占牙本质重量的17，有机物的93；胶原纤维主要分布在管间牙本质，而管周牙本质和造牙本质细胞周围非常少；,牙本质的钙化是晶体围绕原纤维或在原纤维之间进行。晶体的长轴与原纤维的方向平行。因为牙本质中的原纤维成网状，晶体的分布是呈多个方向的，较牙釉质复杂，不如釉质内晶体分布的器官化程度高。,牙骨质,在牙颈部较薄，根尖和磨牙根分叉处较厚；无细胞性牙骨质和细胞性牙骨质；无细胞性牙骨质较薄，覆盖在根部牙本质外，但在靠近根尖的三分之一处，往往缺如；硬度和骨相似，低于牙釉质但高于牙本质。,正常情况下，牙骨质不发生吸收，只会增厚；牙根受损伤时，牙骨质担负修复的任务。根折和创伤性吸收后修复，就是通过牙骨质的沉积来实现的。根尖部牙骨质的沉积，还可以部分补偿因咀嚼磨损而引起的牙冠部硬组织的缺失，临床表现为为继续萌出。,牙体组织的基本力学性能,轴向拉伸与压缩（Axial Tension and Compression）,轴向拉伸轴力作用下，杆件伸长（简称拉伸）轴向压缩轴力作用下，杆件缩短（简称压缩）,拉、压的特点：1.两端受力沿轴线，大小相等，方向相反2.变形 沿轴线,应力为了引入应力的概念，参照下图，首先围绕K点取微小面积，有分布内力的合力，应力定义为,应力是一个矢量平均应力某个范围内，单位面积上的内力的平均集度K点的应力当面积趋于零时，平均应力的大小和方向都将趋于一定极限，得到,应力即单位面积上的内力某截面处内力的密集程度应力的国际单位为N/m2 1N/m2=1Pa（帕斯卡）,应变构件任一点的变形，线变形和角变形两种基本变形，分别由线应变和角应变来度量线应变,线应变 单位长度上的变形量，无量纲，其物理意义是构件上一点沿某一方向变形的大小 角应变 切应变 即一点单元体两棱角直角的改变量，无量纲,拉应力或张应力(tensile stress)：材料受到拉伸时的内部应力。压应力或压缩应力(pressive stress)：材料受到压缩时的内部应力。,抗拉强度或抗张强度(tensile strength)：在试件上施加拉伸载荷，至试件破坏时的单位面积载荷值。压缩强度或抗压强度(pressive strength)：施加压缩载荷时弯曲强度(bending strength)：又称挠曲强度或抗弯强度，在试件的两支点之间施加载荷，至试件破坏时的单位面积载荷值。,牙釉质的拉伸和压缩力学性质,典型的各向异性、非均质材料。牙位不同、部位不同、所取方向不同，其力学性质表现明显差异。钙化程度、结构变异均可影响其力学性质。拉伸强度明显低于压缩强度；脆性是牙釉质力学性质的典型特征之一。,牙本质的拉伸和压缩力学性质,牙本质的拉、压、弯弹性模量无明显差别；弯曲比例极限明显低于压缩比例极限。抗压抗弯强度相近，最高；剪切强度次之，抗拉强度最小。部位和方向对牙本质的压缩力学性质影响很小。,比例极限：应力与应变保持成正比关系的应力最高限。当应力小于或等于比例极限时，应力与应变满足胡克定律，即应力与应变成正比。弹性极限：弹性阶段的应力最高限。在弹性阶段内，载荷除去后，变形全部消失。这一阶段内的变形称为弹性变形。绝大多数工程材料的比例极限与弹性极限极为接近，因而可近似认为在全部弹性阶段内应力和应变均满足胡克定律。,牙体组织的剪切力性质,剪切弹性模量：弹性阶段内，剪应力与剪应变的比例常数（G）；弹性模量：弹性阶段内，法应力与线应变的比例常数（E）；泊松比：垂直于加载方向的线应变与沿加载方向线应变之比（）；上述3种弹性常数之间满足GE2（1v）；牙釉质的剪切模量明显高于牙本质。,切错作用力时，相互平行部分发生滑动时的内部应力。三种应力形式多同时存在。如咀嚼压力作用于固定桥,弹性变形和塑性变形,牙体结构的力学效应,牙齿结构的力学分析 空心厚壁管形，冠部相对粗大，主要由牙本质构成的这种结构形式具有良好的强度和刚度，又有良好的稳定性和吸收能量的能力。牙齿受力分析 合力作用下，在牙齿组织结构中产生压缩应力。,正常情况下，咀嚼时咬合的能量会被牙齿和食物吸收。牙齿的特殊外形和内在结构能吸收外在的能量；牙釉质的弹性模量大，能够承受巨大的冲击力；同时，牙本质的弹性模量相对小有利于吸收能量。,牙体组织的各向异性性质,各向异性：物体内一点的各方向上的力学性能不同，性能是方向的函数；非均质性：物体在各处有不同的性能，性能是位置的函数。,口腔生物力学基本假说,口腔的软、硬组织及修复体结构十分复杂，其组成和材料各不相同。为便于对它们的强度、刚度、稳定性、应力状态等进行分析研究，必须对材料性能(包括生物体)、结构形式等作某些基本假设，适当简化模型和计算。但这种假设或简化往往是按力学常规而进行的，通常有以下几点：,连续性假设：固体材料内部分子结构间均存在不同程度的空隙，在材料力学中通常假设材料(或构件)的整体体积内为均无空隙地充满物质。当空隙的大小和结构尺寸相比极为微小时，通常将它忽略不计。这样，构件中的一些物理量(如各点的位移)即可用坐标的连续函数表示，也可采用无限小的分析方法。,均匀性假设,各种材料其基本组成部分的性能都存在着不同程度的差异，但由于构件的尺寸远远大于基本组成部分，按统计学观点，仍可把材料看成是均匀的，即认为构件内部任何部位所取得的微小单元体(或称为微体)的性能与构件体的性能都是完全相同的。同样认为，通过试件所测得的材料特性，也可用于构件内的任何部位。,各向同性假设,凡沿各个方向均具有相同性能的材料称其为各向同性材料，但严格地说，材料沿各个方向往往具有不完全相同的性能，由于构件中微细的分子极多，而且它们在构件中的排列又极不规则，所以按统计学观点，可以近似看成各向同性材料。如牙釉质、牙本质、牙槽骨、牙周膜等单项材料，就自身而论视其为各向同性材料。,线弹性假设：认为材料受载荷时的应力与应变关系为线性关系，当载荷卸除以后，结构变形完全恢复。小变形假设：结构物在外力作用下产生变形，其变形量远小于结构物的尺寸。在研究结构的平衡时，可以不计结构变形的影响，仍按变形前结构物的几何尺寸进行分析计算。简化结构图：口腔生物力学研究对象的结构形态大多很复杂，需对所研究对象的结构形态加以合理的简化，显示其基本特点。,牙体组织的断裂力学性质,把牙齿看作裂纹体，不是均匀的连续体。裂纹的存在，引起牙齿的脆性断裂；,断裂力学fracturemechanics,研究含裂纹物体的强度和裂纹扩展规律的科学。固体力学的一个分支。又称裂纹力学。传统力学是把材料看成均匀的，没有缺陷的，没有裂纹的理想固体，但实际的材料存在各种宏观缺陷乃至宏观裂纹，传统力学解决不了带裂纹构件的断裂问题。,牙齿的自然断裂,大静载或大冲击载可引起牙齿的自然断裂；低载荷高频率也可引起本身存在疲劳裂纹的牙齿自然断裂；重复的咀嚼负荷和冷热食物的循环刺激是引起牙齿疲劳、破坏的原因。,牙釉质的自然断裂主要是平行断裂-即平行于釉柱的基本方向；牙釉质垂直断裂仅局限于近釉牙本质界的区域绞釉的存在阻止了平行于釉柱的表面裂纹扩展穿过釉质，起到保护的作用；牙本质的自然断裂多为垂直断裂；,生物力学在牙体牙髓病治疗中的应用,抗力形：完成牙体修复治疗后，修复体、患牙及二者联合体均能抵抗合力而不至于折裂。修复材料的力学性能 具有较强的抗拉、抗压、抗冲击强度、适当的硬度、弹性、刚性、塑性，尽量与所替代的牙体组织相匹配。,增加修复体抗力的措施1.保证预备体抗断裂的前提下提供适当的厚度、体积给修复体2.合理控制外形，避免应力集中3.根据具体的部位、要求、设计选择材料4.控制合面的形态、方向，避免应力集中,增加牙体预备抗力的措施1.设计应考虑患牙的组织结构和缺损情况：避免薄壁弱尖、合力作用在薄弱部位与修复体的界面上。2.去除易折的薄壁；降低高尖陡斜面；修整尖锐的边缘嵴和轴面角。3.缺损过大，考虑辅助措施。,增加修复体-牙体抗力的措施1.修复材料、牙体组织生物力学性质相匹配2.处理好牙预备外形-抗力形-固位形3者的关系；3.界面结合良好，不产生破坏性应力集中现象。,牙体缺损和治疗与牙体抗折强度的关系,牙体缺损程度与牙体强度有直接的关系,通过体外试验证明牙体组织的损伤会降低牙体强度,尤其是边缘嵴的完整性对牙体强度的影响最大。根管治疗本身对牙体强度的影响没有明确的结论。,牙体的完整性受到破坏以后,在与充填材料的结合界面不可避免的存在薄弱环节;但是随着材料的不断改进,有学者认为用粘结性高强度材料充填后牙可以达到较好的的抗折力;原因除材料本身强度提高外,粘结后的界面结合力提高,也就是对最薄弱的界面有所增强,用体外非破坏试验测试完整的离体上颌第二前磨牙用不同方法修复后的强度:结果:当设完整牙的相对强度为1 时,测得铸造金属全冠(2.11),银汞充填(0.35),牙本质粘结作用的粘结剂粘结的复合树脂(0.87)牙釉质粘结作用的(0.51)。,所谓最佳的修复方法,并不是修复后强度越大越好,只要达到或超过完整牙也就是牙列中的其他牙齿就可以了,这样在行使功能时患牙就不会成为牙列中的弱点而首先发生破坏。,随着新材料、新技术的发展。窝洞制备原则也由GV Black最先提出的预防性扩展(extension for prevention)发展到目前学者普遍认同的尽量保留健康牙体组织，不做预防性扩展。,许多学者对GV Black的传统洞型设计提出了改良意见。多认为：各种修复材料的物理性能差别较大，因而洞型的设计也应做相应改变，才能充分发挥其良好性能。合理的修复洞型才能最大限度地保留正常牙体组织又能使各种修复材料和牙体组织均发挥出最佳的物理性能。,银汞合金充填治疗后牙体组织有限元应力分析,基底料与牙本质弹性模量越接近,牙体组织应力水平越低,分布也越合理,磷酸锌水门汀与牙本质弹性模量相接近,且厚度增大,缓冲能力增加,反之减少。银汞合金厚度越大,牙体组织应力越大,牙体折裂的可能性也越大。因此,在牙髓治疗后的牙体充填中,不应随意增加银汞合金(或减少磷酸锌水门汀)的充填厚度;在保证修复体固位力和抗折能力的前提下,银汞合金厚度以薄为宜。,在下颌第一磨牙设计5种类复合洞型，并用银汞合金和复合树脂充填，用三维有限元法分析不同类复合洞型对银汞合金和复合树脂产生应力的影响。结果：银汞合金无粘接性充填时洞型设计为有固位沟狭孔洞型较好，而用复合树脂修复时设计为无固位沟狭孔洞型较好。,有限元法对不同洞缘角与复合树脂充填体应力之间的关系进行研究（90、75、60、45度及弧型等5种洞缘角）。结果:采用斜面洞缘，不但可增加树脂与牙体的密合度还有利于减少充填体的应力值特别是在为75/60洞缘角有较好的应力缓冲效果。为类复合洞型及洞缘角的优化设计提供了理论基础。,桩修复使牙本质的应力分布模式发生了改变：高弹性模量的金属桩将应力集中于桩周的牙本质界面上应力分布模式改变最为明显；低弹性模量的复合树脂改变应力分布模式较小。从生物力学的角度提示：复合树脂桩中置入高弹性模量的金属增强支架形成复合桩。一方面会因为树脂的存在不会在桩周界面形成应力集中；另一方面由于金属支架的增强作用，使得复合桩的刚度有所增加，从而在一定程度上保护了牙体和桩本身，提高了修复的成功率。,桩核修复后的应力分析,三维有限元模型,分别分析铸造钴铬合金,碳纤维增强树脂,钛合金,铸瓷桩修复牙体牙本质的应力分布;结果:牙本质应力主要分布于根上1/3,愈靠近牙根表面应力值愈高,碳纤维加强树脂桩较传统钴铬合金桩桩和牙本质交界处应力集中不明显结论:低弹性模量材料修复后牙本质内应力分布更有利于牙体抗折,通过对金属桩和树脂桩的比较后,发现与牙本质具有类似弹性模量的复合树脂在较大的冲击载荷下先于牙体断裂,缓冲载荷进而保护了牙体组织,而金属桩在较大的冲击载荷下牙体组织首先断裂;对碳纤维加强树脂作为桩核修复材料的临床应用回顾显示：在大载荷条件下材料束状纤维断裂但不出现完全性的根折.,Castro Albuquerque 等对天然牙和不同材料不同形状桩核修复的上颌中切牙进行应力分析。结果：牙本质的应力模式发生明显的改变。应力主要集中在牙根冠方13腭侧、牙本质与桩的交界面，并且应力的大小主要受不同材料的影响，受桩的形状影响较小。对于相同形状的桩，不锈钢桩诱导的张应力最大，钛桩次之，碳纤维桩最小。提示：对桩的选择不仅要有适当的形状，更重要的是最适合的材料。,在受到载荷时，高弹性摸量材料吸收的应力较低，能够将载荷更多地传导至根部牙体组织。在受到过大的冲击载荷时，强度低的牙体组织将首先折裂。如果用弹性模量较低的桩材料，则有利于缓冲载荷，降低牙体折裂的可能性。提示：选择弹性模量最好与牙体组织的弹性模量接近的的桩核材料。,Borcic J用有限元法分析了上颌第一前磨牙在正常/异常咬合力下牙体硬组织的最大应力分布状况。结果：应力主要集中在牙颈部在正常咬合力的时候，牙颈部的最大理论应力值范围远小于错颌牙颈部的最大理论应力，特别是颊侧区的张应力。提示：咬合力在牙颈部非龋性缺损形成过程中的作用，特别是有早接触或者合干扰的情况下,楔状缺损,Thank you！,