牙种植体连接稳定性及疲劳性能研究

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牙种植体的稳定性是提高种植体的使役寿命的关键。在牙种植体系统中,基台是连接上部牙冠与下部种植体之间实现抗旋防松的关键结构,由于在日常咀嚼时基台-种植体内连接会经常受力扭转,并且植入操作有扭矩的要求,基台-种植体连接需要保证足够的抗扭转和变形的能力,才能更稳定和耐用,连接结构对种植体系统整体稳定性具有重要影响。同时,种植体系统承受长期的咀嚼力后会出现松动和折断等机械并发症,探究种植体系统疲劳性能内在规律,并进行疲劳预判十分有意义。本文运用有限元仿真、实验方法和理论分析对牙种植体连接稳定性及疲劳性能研究。首先,参考有限元分析通用规则(GB/T 33582-2017)通过有限元方法对不同种基台-种植体连接结构的种植体进行抗旋和变形性能仿真分析,同时结合受力分析。研究不同连接结构对种植体稳定性影响,确定一种较高稳定的内连接结构。然后,根据种植体动态疲劳试验标准(BS EN ISO 14801:2016)明确种植体疲劳加载最坏条件,对该连接结构种植体系统进行有限元仿真分析。提出通过静载荷、正弦交变载荷、随机动载荷负载状态模拟结果进行对比分析,对种植体系统进行更全面的力学性能评估。最后,设计进行了两组疲劳试验,通过试验结果和断口形貌分析,提出了全面研究种植体系统的疲劳性能和失效规律以及疲劳预判的方案。本文研究的主要结论有:(1)高水平应力集中在极小的区域,这些局部应力集中区是易于塑性变形和损坏的,塑性变形会导致永久变形和缩短使用寿命。应力分析Torx所承受的扭矩明显高于四角、六角结构。变形分析Torx连接种植体塑性变形程度最低。受力分析,Torx具破坏作用的径向力较小,且Torx是面接触,扩大了接触面,降低了磨损和变形。Torx能更好传递扭矩、更高的扭转强度、更小的塑性变形。因此,Torx和微锥形结构配合有很好密封性能、抗旋防松性能,确定是一种较高稳定的内连接结构;(2)种植体系统静载荷、正弦交变载荷、随机动载荷模拟,确定种植体系统各部件的应力集中区和最大应力点都位于接触面处。分别位于种植体与包埋界面受压侧接触面、种植体与基台受压侧接触面、种植体与连接螺丝受拉侧螺纹连接第一二级螺纹处。静载荷仿真结果表明:应力分析和疲劳分析判断低于550N,在可承受范围内。正弦交变载荷:系统的应力波动和正弦载荷有着相同的趋势,根据材料屈服极限判断60~600N是种植体系统正弦负载耐用临界值。随机动载荷:系统的应力和载荷具有一定的强相关性,根据材料屈服极限判断50s、100s时间序列随机载荷600N为种植体系统耐用极限值。对比分析三种类型载荷,判断该种植体系统耐用临界载荷在550~600N之间。(3)疲劳试验分析表明,种植体系统弯曲疲劳极限τ-1与拉压疲劳极限σ-1之间存在一定关系:τ-1=(0.35~0.55)σ-1。评估了牙种植体系统的疲劳性能,得到了一系列静载荷、动载荷、循环周期数、位移形变量规律相关的经验公式,对疲劳失效进行预判。根据断口形貌得到了疲劳失效机制,揭示疲劳缺陷源头和裂纹扩展的方向,找到了断面形貌和不同动载荷之间的关系及疲劳失效过程的差异性。
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