种植义齿是在口腔缺牙区的牙槽骨内植入种植体,待种植体与骨组织发生骨结合后再在其上端制作完成的一类缺牙修复体。种植义齿能有效地提高咀嚼效率,具有类似真牙的舒适感,而且不损伤邻牙,已逐渐成为牙列缺损和牙列缺失的主要修复形式之一。种植体植入后以骨结合的方式获得牙槽骨组织的固位和支持,骨结合是种植义齿成功的关键,骨结合界面的损坏会导致种植体的松动甚至脱落。在日常咀嚼过程中,种植义齿所承受的咬合力近似于准静态施加于种植体并传导至周围牙槽骨组织上。咀嚼活动中的这种咬合力刺激是维持种植体周围牙槽骨组织稳定和改建的重要因素。但在交通事故、体育竞赛、士兵训练、地质灾害、军事冲突等许多突发情况下,种植义齿往往会承受外部瞬态冲击力的作用。冲击力的特点是作用时间短,持续时间在几十微秒到几毫秒之间,并且载荷幅值远高于准静态载荷。冲击载荷对人体组织所造成的破坏与冲击力的作用时间及幅值密切相关。当冲击载荷的脉冲宽度在微秒量级时,载荷是以应力波的形式在种植体与牙槽骨组织中进行传播,应力波往往会沿着种植体、骨结合界面以及骨组织组成的复合结构中传播和反射,当牙槽骨组织不能发生相应的组织形态改变来吸收和缓冲所承载的冲量时,种植体与骨结合界面便会出现破坏和分离,周围骨组织的微结构也会发生改变。以往关于种植体的生物力学研究多以静态载荷加载下进行分析,对种植体动态加载的研究较少,特别是对冲击载荷作用下种植体周围骨组织的损伤和破坏的研究还未见报道。本研究拟以动物实验模型为基础建立包含骨小梁微观结构的有限元模型,导入冲击载荷的载荷-时间历程,进行动态加载的数值模拟分析。通过改变载荷方向和载荷冲量研究不同冲击载荷作用下种植体周围骨组织的受力情况和应力分布的动态变化。将模拟分析结果与动物实验micro-ct和组织切片vg染色观察到的种植体周围骨结构改变进行比较,研究冲击载荷对种植体周围牙槽骨组织损伤特征和破坏机理,为临床冲击载荷作用下种植体周围骨组织损伤情况的预测及防护提供参考依据。本研究包括以下四部分:1.冲击损伤有限元模型的建立常规动物实验将种植体植入兔股骨,待形成良好的骨结合后对种植体施加冲击载荷,建立冲击损伤实验动物模型,观察种植体周围骨组织形态改变。对实验动物进行micro-ct扫描,将扫描后骨组织数据导入逆向工程软件和有限元分析软件,建立包含种植体与骨小梁结构的适用于冲击载荷加载的有限元模型。实验结果表明:冲击载荷加载后种植体底端骨小梁出现微结构改变,骨结合界面处骨组织出现高应力区,易造成骨结合界面发生脱离和断裂。所建立的微观结构有限元模型能较好的反应出应力波的传播过程和种植体周围骨小梁的应力分布情况,为后续分析冲击损伤特征奠定基础。2.冲击载荷作用下种植体周围骨组织的损伤特征将模拟分析结果与动物实验进行对比,验证数值模拟计算可靠性,获得能准确描述种植体与周围骨组织动力学特性的有限元模型。对上述所建模型施加不同方向和不同作用时间的冲击载荷进行分析,研究不同冲击载荷作用下种植体周围骨组织和骨结合界面处应力波的传播、反射以及组织的受力、变形情况。分析揭示冲击损伤特征,为后续分析冲击后骨组织破坏机理奠定基础。实验结果表明:种植体受到冲击载荷作用时,种植体颈部皮质骨首先出现应力变化,然后应力波从颈部向颊舌侧的松质骨内传播,骨组织发生损伤的部位和程度与载荷方向和载荷冲量相关。随着水平向载荷增大,种植体颊、舌侧及底端松质骨应力分布范围扩大。当载荷作用时间增加时,骨组织最大应力值也增大,同时应力波传播时间随之延长。模拟分析结果与动物实验中出现骨组织损伤的区域相一致。3.冲击载荷作用下种植体周围骨组织的破坏机理将实验测定的兔股骨应力-应变曲线及屈服强度等参数导入有限元模型中,分析种植体周围骨组织和骨结合界面破坏情况,结合骨组织力学特性数据,揭示冲击载荷的破坏机理。实验结果表明:冲击载荷作用下,骨组织高应力区主要分布在种植体底部松质骨内,应力波的透射和反射使得骨结合界面处骨组织中也出现应力集中,这些局部的高应力区会出现骨小梁断裂和骨结合界面的破坏,模拟分析结果与动物实验中出现骨组织损伤的部位相一致。4.下颌后牙种植体有限元模型的建立与种植体周围牙槽骨冲击损伤的预测通过建立人下颌骨种植义齿有限元模型,研究冲击力作用下种植体周围牙槽骨组织的应力分布动态变化,分析牙槽骨组织冲击损伤的发生和特点。实验结果表明:冲击载荷作用下种植体颈部舌侧皮质骨和底端松质骨处出现应力集中。随着载荷冲量增大和方向改变,种植体底部松质骨处应力分布范围增大,应力值升高。冲击载荷形成的应力集中容易造成种植体底部松质骨区域出现骨损伤,提示对冲击损伤患者的临床诊疗过程中,应对其损伤情况做全面检查和评估。结论:1.冲击载荷加载后种植体周围骨组织应力分布主要集中在种植体颈部和底部骨组织,导致周围骨小梁出现断裂。骨小梁应力分布和损伤部位以及损伤程度与冲击载荷方向和载荷冲量相关。2.冲击载荷作用下应力波的传递和反射使得种植体骨结合界面处骨组织中出现高应力区,结合实验测定的骨组织力学参数分析,这些局部的高应力区会出现骨结合界面的破坏。3.本研究所建的微观结构模型通过与动物实验结果对比验证,可较好的反应冲击载荷作用下种植体周围牙槽骨的应力分布和损伤特点,其结果为临床冲击载荷作用下种植体周围骨组织损伤情况的预测及防护提供参考依据。