骨质疏松样低密度骨模型下基于骨压密技术的种植体周围骨密度对牙槽嵴顶皮质骨应变的调控作用：一项三维静态线性有限元分析

《Journal of Functional Biomaterials》：Mechanostat-Informed Strain Mapping of Osseodensification-Inspired Peri-Implant Densification Versus Conventional Drilling in Osteoporotic-like Low-Density Cancellous Bone: A 3D Static Linear Finite Element Analysis Mesut Tuzlali, Nagehan Baki, Nazik ?rem ?nüg?ren, Kübra Aral, Erkan Bah?e and Cüneyt As?m Aral

针对骨质疏松样低密度骨中，传统备孔（CD）导致种植体周围骨支撑减弱、牙槽嵴顶皮质骨应变升高的问题，研究人员开展了一项关于骨压密（OD）技术的三维有限元分析。研究证实，OD形成的种植体周围骨密度梯度壳可有效降低牙槽嵴顶皮质骨在轴向和45°斜向载荷下的高尾应变（εeq、εmax、|εmin|），尤其在轴向载荷下降低更显著。该研究为在低密度骨中应用OD以优化种植体负载分布、降低皮质骨过载风险提供了生物力学依据。

　　

在追求种植牙长期成功的道路上，如何为骨骼“脆弱”的患者（如骨质疏松症患者）提供稳固的骨支撑，一直是临床面临的巨大挑战。这类患者常伴有低密度骨，骨小梁结构稀疏，支撑力不足。在口腔种植领域，这意味着种植体周围的骨组织在承受日常咀嚼力时，更容易发生变形，尤其在牙槽嵴顶的皮质骨区域，应力（Strain）容易集中，长期以往可能导致骨吸收、种植体边缘骨水平降低甚至植入失败。为了增强初期稳定性，一种名为“骨压密（Osseodensification, OD）”的技术应运而生。与常规钻孔（Conventional Drilling, CD）切削去除骨组织不同，OD通过特殊的器械和手法，在备孔过程中挤压、压实周围的骨小梁，理论上能在种植窝洞周围形成一个密度更高的骨质“加固层”。虽然已有研究表明OD能提高种植体的初期稳定性和骨-种植体接触率，但它究竟如何从生物力学层面改变种植体周围，特别是牙槽嵴顶皮质骨的应力分布，尤其在模拟骨质疏松的低密度骨环境中，其“减负”效果究竟如何，此前仍缺乏精确的量化评估。为了回答这个核心问题，Mesut Tuzlali, Nagehan Baki, Nazik ?rem ?nüg?ren, Kübra Aral, Erkan Bah?e 和 Cüneyt As?m Aral 等研究人员开展了一项三维静态线性有限元分析研究，旨在从应变水平上，系统比较OD技术与传统CD技术在骨质疏松样低密度骨模型中对牙槽嵴顶皮质骨的生物力学影响。相关研究论文发表在《Journal of Functional Biomaterials》上，为OD技术的生物力学机制提供了新的理论支撑。

为了系统评估骨压密（OD）技术与常规钻孔（CD）在生物力学效应上的差异，研究人员建立了一个高度标准化的三维有限元模型。该模型模拟了一个下颌后段骨块，具有2.0毫米厚的均匀皮质骨壳和一个代表低密度（D4型，模拟骨质疏松样）的骨小梁核心。模型中植入了一个4.3×11.4毫米的钛种植体，并带有粘接的一体式氧化锆牙冠。研究人员设定了两个对比条件：CD模型采用直径为4.0毫米的柱状备孔；而OD模型则在相同的备孔基础上，在其周围增加了一个具有径向密度梯度的同心环状“骨压密壳层”，其密度从贴近种植体的D1型（高密度）向外逐渐降低至D3型，以模拟OD技术形成的骨质压实效果。此外，OD模型还包含了轻微的皮质骨（颊舌向）扩张。模型中所有骨-种植体界面均被设定为完全粘结状态，模拟成熟的骨结合（osseointegration）后的力学状态。研究人员对该模型施加了100N的轴向（垂直）载荷和45°斜向（非轴向）载荷，以模拟后牙区常见的咬合受力情况。通过有限元软件（ANSYS Workbench 2024 R2）进行计算，重点分析并比较了牙槽嵴顶皮质骨区域的三种应变指标：等效应变（ε_eq）、最大主应变（ε_max，代表拉伸）和最小主应变（ε_min，代表压缩），并采用“高尾（high-tail）”描述符（即应变最高前10个节点的平均值）来减少数值尖峰的影响，从而更稳健地反映峰值力学需求。

3.1. 皮质骨应变结果

研究结果显示，在两种载荷条件下，OD模型牙槽嵴顶皮质骨区域的高尾应变均持续低于CD模型。无论是等效弹性应变、最大主弹性应变还是最小主弹性应变（压缩应变的绝对值），OD模型都表现出一致的降低趋势。应变云图也证实，最高的应变区域集中在种植体颈部周围的牙槽嵴顶皮质领圈处。值得注意的是，斜向载荷在两个模型中均显著放大了皮质骨应变。在CD模型中，斜向载荷下的应变约为轴向载荷下的1.77至3.38倍；而在OD模型中，这一放大倍数在2.01至4.06倍之间。这表明，尽管OD降低了应变，但斜向载荷仍然是导致牙槽嵴顶皮质骨高应变的主要驱动因素。这通过对比应变云图（eq）云图">、max）云图">、min）云图">）可以直观地看出，OD模型降低了高应变区域的强度和空间范围。

3.2. 等效应变

具体数据显示，在100N轴向载荷下，OD模型使牙槽嵴顶皮质骨的平均高尾等效应变（ε_eq）从CD模型的1470微应变降低至1210微应变，降幅达17.7%。在100N、45°斜向载荷下，等效应变从CD模型的3370微应变降低至OD模型的3040微应变，降幅为9.8%。轴向载荷下的降幅相对更大。

3.3. 最大主应变

对于最大主应变（ε_max），在轴向载荷下，OD模型使其从CD模型的1420微应变降至1150微应变，降幅为19.0%。在斜向载荷下，则从2510微应变降至2310微应变，降幅为8.0%。OD模型同样降低了拉伸应变的峰值集中。

3.4. 最小主应变

对于最小主应变（ε_min，压缩应变），在轴向载荷下，其绝对值（|ε_min|）从CD模型的900微应变降低至OD模型的683微应变，降幅为24.1%，这是所有观测指标中降幅最大的。在斜向载荷下，压缩应变绝对值从3040微应变降至2770微应变，降幅为8.9%。

该研究在结论与讨论部分，从多个维度阐释了其发现的意义。首先，从“机械稳态（mechanostat）”理论框架来看，骨组织会根据所受的机械刺激（如应变）进行适应性改建。研究观察到OD能够降低高尾应变，这提示在低密度骨中，OD可能创造一个使牙槽嵴顶皮质骨处于更有利力学环境的条件，减少了高应变诱发过度骨改建的风险。其次，研究结果与现有OD证据基础相互印证。以往研究多关注OD在提高初期稳定性、改善骨密度方面的表现，而本研究从应变分布的角度，为OD“为何有效”提供了生物力学解释：种植体周围骨质被压实、密度增高（即刚度增加）后，能够更好地分担来自种植体的载荷，从而“卸载”牙槽嵴顶皮质领圈所承受的应力。特别是在轴向载荷下，这种“减负”效果更为明显。然而，研究也明确指出了OD的局限性：斜向载荷仍然是导致牙槽嵴顶高应变的“主导驱动因素”，即使应用了OD技术，斜向载荷下的应变放大效应依然显著。这从生物力学上强调了，在临床实践中，无论采用何种备孔技术，优化修复体的咬合设计、尽量减少非轴向（off-axis）的侧向力，对于保护种植体周围骨组织、尤其是低密度骨条件下的种植体，具有根本性的重要意义。这项研究将OD技术对骨组织的“物理性”改变（密度增加）与其“功能性”后果（应变降低）直接联系起来，为OD技术在骨质疏松风险患者中的应用提供了理论依据。它提示，OD不仅可能通过提高初期稳定性来帮助种植体获得成功，还可能通过优化长期的力学负载分布，为种植体的长期稳定创造更有利的骨内环境。当然，作者也谨慎地指出了研究的局限性，如模型的线性弹性、各向同性假设，未考虑骨组织的粘弹性、循环载荷及骨改建过程，且模型边界条件较为理想化。因此，结论应被理解为在标准化比较条件下的一种相对趋势，而非对具体患者生理状况的绝对预测。未来的研究需要结合更复杂的模型、更真实的解剖结构以及实验验证，以进一步推动这一发现的临床转化。总而言之，这项研究为理解骨压密技术在低密度骨中的生物力学优势提供了量化证据，并再次凸显了控制咬合力方向在种植修复中的核心地位。