一种新型个性化钛网的数字化建模和生物力学研究

王 超，夏 荣，刘 芮，肖楠楠

牙周病、外伤、肿瘤等各种疾病会导致牙齿的丧失，随之丧失的还有周围菲薄的牙槽骨和邻间龈乳头，对后期种植修复后的美学重建造成不利影响。而种植体间的软组织又不同于正常牙齿的牙周组织，其类似于瘢痕组织，使得临床预后复杂化。因而，牙槽嵴解剖形态的保存或重建是美学种植治疗成功先决条件[1]。钛网(titanium mesh，TM)具有良好的空间支持能力和生物相容性，被广泛应用于骨缺损美学重建手术中[2]。但商业TM存在手术时间长、边缘锐利、术后暴露率高等缺点，逐渐被淘汰。随着3D打印(3D printing,3DP)技术的发展，借助于三维软件设计，3DP定制的TM减少了手术创伤、缩短了手术时间，并且有效减少术后TM的暴露[3-4]。然而，传统3DP的 TM并没有针对牙槽嵴解剖形态进行设计，术后种植体周围及邻间隙骨组织支撑不足，后期软组织退缩，形成“黑三角”等美学缺陷。

该研究通过构建上颌骨有限元模型，探索一种近似于天然牙牙槽嵴美学形态的TM的建模方法，分析对比新型个性化TM、传统打印TM重建上颌骨骨缺损后结构应力、位移等参数变化，探讨新型个性化TM的设计优势，以及是否存在受力缺陷，为后期临床实验应用提供理论参考依据。

1 材料与方法

1.1TM几何模型建立

1.1.1影像采集和三维重建 从安徽医科大学第二附属医院口腔种植科选取1名志愿者进行锥形束CT(CBCT)扫描，将医学数字成像与通讯(DICOM)数据导入mimics19.0(比利时Materialise公司)软件中重建出头颅部位的三维模型，通过控制阈值，获得上颌骨的原始蒙罩，去除上颌骨以外的颅骨部分，继而得到上颌骨三维模型。

1.1.2正逆向工程处理 将上颌骨三维模型导入3-matic 11.0(比利时Materialise公司)软件中，对上颌1|1牙槽嵴进行部分虚拟切除(长高宽为6 mm×8 mm×10 mm)，植入代表种植体的两个圆柱体(直径4.1 mm，长度12.0 mm)，见图1A。根据已发表的相关数据要求[4-5]，分别以两个植体为参照建立冠状面和矢状面草图，见图1B。冠状面草图上，测量修复体邻接点与植体间牙槽嵴顶间垂直距离(D1)，取D1≤ 3 mm(此处取D1= 3 mm)为顶点构建曲线，即重建后植体间牙槽嵴的轮廓和高度，见图1C；矢状面草图上，在植体唇侧构建曲线，测量曲线距离植体的最小水平距离(D2)，取D2≥ 2 mm(此处取D2=2 mm)，保证唇腭侧足够的骨量，见图1D。绘制出骨缺损重建范围，最后，重建出植体邻间和唇侧牙槽嵴的形态和高度。

图1 缺损上颌骨几何模型

A： 虚拟切除; B：矢、冠状面草图; C： 冠状面草图中D1值； D： 矢状面草图中D2值

1.1.3TM模型建立 利用3-matic11.0中的标记功能标记出TM覆盖范围，通过表面移动拉伸出TM外形，再进行包裹、光滑、布尔运算和修剪编辑，得到最终的TM几何模型，见图2A、2B。同时，根据文献[6]中对传统打印TM的设计要求，通过Geomagic Studio2014(美国Raindrop公司)等软件对上颌骨1|1骨缺损牙槽嵴进行常规重建、修复后，获得传统打印TM的几何模型，见图2C、2D。

图2 TM修复几何模型

A：新型TM修复；B：新型TM；C：传统打印TM修复；D：传统打印TM

1.2有限元模型建立将缺损未修复上颌骨、传统打印TM修复上颌骨、新型TM修复上颌骨，这3种几何模型文件分别导入Hypermesh13.0(美国Altair公司)软件中进行网格划分，然后在MSC.Patran/Nastran2012(美国MSC公司)软件中进行有限元网格二次处理和其他组织网格划分。其中新型TM修复上颌骨模型约49 232个节点(Nodes)，239 900个四面体实体单元(Tet4 Elements)，16 999个三角面单元(Tria3 Elements)。

1.3材料参数设定参考文献[7-9]，各结构的弹性模量和泊松比取值，见表1。

表1 颌骨各结构组织材料参数表

1.4边界约束及荷载设置边界约束：由于骨结构组织材料特性复杂及相关材料实验条件的限制，假定上颌骨(皮质骨、松质骨)、牙齿等各组织结构均为各向同性、均质、连续的弹性材料。对上颌骨上端与颅骨接触的区域设置固定约束，限制其XYZ位移自由度。受力加载：加载方式采用正常咬合对双侧后牙区垂直加载，模拟咀嚼力[9-10]，在余留后牙区自第二磨牙至第一前磨牙上分别垂直加载40 N、40 N、35 N、35 N的压力。

2 结果

2.1TM数字化模型和打印成品通过本实验方法成功设计出具有近似牙槽嵴形态的TM模型，见图3A。打印的TM成品，厚度薄，边界和转角圆润光滑，牙槽嵴形态明显，见图3B。

图3 TM数字化模型和打印成品A：数字化模型；B：打印成品

2.2不同TM缺损修复数据对比与分析在正常咀嚼下，两种TM修复上颌骨缺损后各主要结构Von Mises应力分布、结构位移变化等生物力学特性，见图4～5。经有限元模拟分析，对比了3种模型骨缺损修复后上颌骨对应的 Von Mises应力及位移的变化情况，见表2～3。 两种TM修复后的上颌骨整体区域的Von Mises应力最值降低约50%，说明TM修复上颌骨后会减少上颌骨的局部应力集中现象；新型TM修复上颌骨后在前牙区、TM、种植体、前牙修复体的Von Mises应力要稍微高于传统TM修复，两者应力相差不大，差异约在0.63%～24.03%。两者的应力云图分布相对较为均匀，上颌骨和TM的应力较大区域主要发生在前牙两侧附近，且应力最值变化范围大概4.43～5.53 MPa；各结构的位移变形较少，位移的数据范围基本保持在0.05 mm范围内。

图4 两种TM修复上颌骨后应力云图

A：传统TM修复上颌骨；B：传统TM；C：新型TM修复上颌骨；D： 新型TM

图5 两种TM修复上颌骨后位移云图

A：传统TM修复上颌骨；B：传统TM；C：新型TM修复上颌骨；D：新型TM

表2 不同TM缺损修复后各结构应力最值表

表3 不同TM缺损修复后各结构位移最值表

3 讨论

利用有限元方法仿真模拟颌骨TM修复缺损结构的生物力学特性，可较大程度减少对大量人尸体或动物实验的依赖，同时,在一定程度上可以预测颌骨在TM修复前后的结构受力等情况。本研究通过有限元方法的使用，对比传统打印TM，建立使用两种TM修复重建上颌骨骨缺损的三维有限元模型，并模拟咀嚼运动，施加相应荷载，观察两种TM修复缺损上颌骨进行各结构应力及位移变化情况。结果表明，新型TM和传统TM均可以减少骨缺损区的应力集中，新型TM修复后Von Mises应力稍微高于传统TM修复，但结果可控。两者的应力云图分布相对较为均匀，各结构的位移变形差异不明显。均可证明新型TM设计上无明显缺陷。