上颌骨复杂缺损3D打印精准重建支架的生物力学研究

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近年来，3D打印技术和数字化仿真技术逐渐应用于医学领域[14]。3D打印是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可黏合材料，通过逐层堆叠来构造物体的技术[15]。计算机辅助设计结合3D打印技术可以利用患者锥形束投照计算机断层(cone beam computer tomography, CBCT)数据，对上颌骨进行三维重建和虚拟排牙，同时利用镜像技术，根据不同形状骨缺损设计个性化的植入体。数字化仿真技术对植入体进行生物力学分析，从而进行植入体结构优化和材料选择。最后，选择光固化、挤压、烧结、熔融等方式生成实物[16]。

基于现有修复方法的优缺点以及临床对颌骨缺损修复后咬合重建的需求[17],结合CBCT、数字化仿真以及3D打印技术，本文提出一种修复上颌骨缺损的个性化方案，即根据患者个性化CBCT数据，利用数字化技术设计、优化、制作3D打印个性化植入体。该方案的提出将有望制造出更为适合临床应用的精准、力学性能良好、对患者损伤小、可恢复咬合重建的颌面部植入体。

材料与方法

1.1 颌骨重建及植入体设计

选择1例因车祸导致左侧颌面部大范围缺损的患者CBCT数据，征得患者同意后，拟设计1个颌面部植入体，设计分为三部分：第1部分为骨贴合区域，用于固定植入体；第2部分为面部支撑区域，用于恢复面部形态；第3部分为固位桩，相当于传统种植修复中的基台，用于与口腔义齿结合。植入体设计流程如下：① 三维重建。将颌骨扫描后的CBCT数据以DICOM格式导入Mimics 19.0软件(Materialise公司，比利时),重建出患者上下颌骨、牙齿等模型。② 口腔扫描和排牙。使用3 Shape口腔扫描仪(3 Shape公司，丹麦)对患者口腔进行扫描，得到患者口腔缺损情况以及牙齿咬合情况。根据口腔扫描数据进行虚拟排牙，便于固位桩定位。③ 虚拟放置种植体。将口腔扫描数据、排牙数据及颌骨数据以STL格式导入3-matic 12.0(Materialise公司，比利时)软件中进行模型配准，根据排牙的咬合情况和牙位缺损，放入种植体和基台。④ 植入体设计。综合考虑镜像功能恢复后的颌骨解剖形态、骨量限制、种植体摆放位置、预留咬合空间等因素设计植入体和钛钉固位孔(见图1)。

1.2 植入体构型优化

植入体初次设计完成，使用ANSYS 19.2(ANSYS公司，美国)对其进行仿真分析，有限元分析的输出结果用于构型优化。将颌骨、植入体、天然牙、义齿、关节窝、钛钉等模型以STL 格式文件导入Geomagic Studio 2015(Raindrop公司，美国)软件中，经修复、光滑处理和曲面重建后保存为 IGES 格式导入ANSYS软件(见图2),对各实体部件采用4节点四面体单元进行网格划分。其中，皮质骨节点数114 521,单元数 385 886;天然牙节点数 26 329,单元数 93 083;关节盘节点数7 081,单元数 23 208;义齿节点数 19 660,单元数 73 899;植入体节点数28 643,单元数 96 890;钛钉节点数 17 060,单元数 59 003。模型中各个实体简化为连续均质、各向同性的线性弹性材料，设定钛合金、聚醚醚酮(polyetheretherketone, PEEK)材料、钽金属、聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate , PMMA)、皮质骨、关节盘、天然牙的弹性模量分别为110、4、186、3.2、15、0.044 1、20 GPa, 泊松比分别为0.30、0.36、0.35、0.36、0.30、0.40、0.30)[18,19,20]。各模型组件之间的接触关系中除植入体与钛钉、骨骼、义齿为不分离，其余均为绑定。植入体在口腔内前牙区、后牙区的受力载荷分别为108、216 N[21]。

本实验把初次设计的植入体命名为构型A,第1、2次优化后模型分别为构型B、C。首先在ANSYS中对构型A进行有限元分析，得到构型A的最大等效应力云图。点击封顶等值面(capped isosurface)命令，查看应力小于5 MPa的节点范围，导出这些节点，在3-matic 12.0中优化设计为构型B,在其他所有条件不变情况下进行第2轮有限元分析。在构型B的基础上优化生成构型C,在其他所有条件不变情况下进行第3轮有限元分析。最后，整体比较3组模型中植入体、颌骨的最大等效应力以及钛钉的总位移。

1.3 植入体材料选择

已知钛合金、钽金属、PEEK材料都具有良好的生物相容性，是目前广泛使用的医疗植入材料[22]。因此，本研究第2次有限元分析是比较3种材料的力学性能，以确定打印材料。植入体构型经过力学优化后，确定构型C为最终构型。比较构型C在3种不同材料下的最大等效应力、颌骨最大等效应力和钛钉总位移，各组间除了植入体的材料属性不同外，无任何不同。

2 结果

2.1 不同构型有限元分析结果

结果表明，构型A植入体、颌骨最大等效应力分别为111.44、5.51 MPa, 钛钉总位移为0.52 μm。构型B植入体、颌骨最大等效应力分别为167.37、8.74 MPa, 钛钉总位移为0.67 μm。构型C植入体、颌骨最大等效应力分别为129.68、5.64 MPa, 钛钉总位移为0.63 μm(见图3)。构型C植入体、颌骨最大等效应力和钛钉的总位移均小于构型B,故选择构型C为最终构型。

2.2 不同材料有限元分析结果

结果表明，钛合金植入体、最大等效应力分别为129.68、5.64 MPa, 钛钉总位移为0.63 μm。Peek材料植入体、颌骨最大等效应力分别为101.3、6.46 MPa, 钛钉总位移为0.58 μm。钽金属植入体、颌骨最大等效应力分别为142.05、6.30 MPa, 钛钉总位移为0.52 μm(见图4)。3组不同材料植入体、颌骨最大等效应力和钛钉总位移的结果相差不大，综合考虑选择钛合金为打印材料。