3D 打印下顎骨植入體設計

周小宇 張國慶

（周口師范學院 機械與電氣工程學院，河南 周口466000）

1 概述

下顎骨是口腔的重要組成部分，為牙齒和肌肉提供附著，組成顳下頜關節，承擔語言表達、咀嚼、吞咽等功能[1]。然而受到骨疾病、意外骨創傷、先天性畸形等因素影響，一些下顎骨病變患者無法正常生活，若不及時修復損傷部位則嚴重影響生活質量，病情嚴重時則需要通過手術對下顎骨進行修復或更換。目前，所采用的植入體大多數是通過預制標準寬度、厚度的連接板對骨創傷部位進行簡單修復，此類型植入體與人體骨骼匹配性較差、相似性較低，表面質量也不好。因此，研究開發個性化植入體的建模和成型方法，對模擬手術過程及提高病人的生活質量具有重要意義。

近年來隨著材料科學、生物化學、骨組織工程技術、增材制造技術的快速發展，3D 打印技術在骨科移植領域也發揮著越來越重要作用[2]。該技術以數字模擬文件為基礎，通過專用軟件對三維模型進行切片分層，獲得離散的截面數據，然后將離散數據導入快速成型設備，采用材料逐層累加的方法制造實體零件[3]。3D 打印技術因具有精度高、個性化程度高和材料利用率高等優點，如今已成為國內外學者研究的熱點。

針對上述生物植入體修復和3D 打印成型的特點，本文主要對3D 打印下顎骨植入體進行設計，對成型技術進行研究，優化下顎骨植入體的匹配性和成型質量，提高手術中植入的簡便性，最終提高病人的生活質量。

2 下顎骨的逆向建模

傳統建模方法所建的模型與人體自身骨骼在結構上還有著較大的差異，隨著三維建模技術的快速發展深化，人們對于產品三維模型的建立有了更多新的選擇，利用三維建模技術對人體骨骼進行建模已成為常用的一種方法。考慮到下顎骨模型匹配程度和真實性，本文將一志愿者的真實顱骨CT 掃描數據導入到醫學軟件Mimics 中對患者下顎骨掃描數據進行處理，通過調整圖像的灰度值將二維模型轉化為清晰的、可重建最初下顎骨三維模型，由于掃描及處理軟件分辨精度影響，所提取出的下顎骨模型還存在許多缺陷和不足，且表面質量也較差，然而植入體表面質量的好壞直接影響患者的使用體驗。

針對上述問題，以最初CT 模型輪廓模型為基礎，本文對下顎骨模型進行逆向設計與重新建模。現存在的事物通常由點、線、面、體基本形態特征要素組成，可以將復雜事物分解為若干點、線、面、體幾何特征等要素，通過點、線、面、體基本形態特征要素來實現的，當然下顎骨植入體的個性化設計也可追溯到若干基本幾何形體特征，以基本幾何形體特征為設計切入點進行逆向設計[4-5]。首先，在下顎骨模型重要位置放置面，通過面與最初曲面模型相交得到下頜骨的輪廓截交線，當然直接所生成的截交線的形狀非常不規則、不平滑。因此，本文提出在截交線重要位置上放置若干點，然后將點連接成樣條曲線，這樣即可得到平順的曲線。最后，通過邊界混合將線生成面，曲面模型如圖1所示，由于本文主要研究面部下顎骨植入體模型與植入部位的匹配性，因此建模過程過對牙齒部位進行了省略。

CT 模型曲面是由大量三角面組成的，且表面凹凸不平，最小高斯曲率：-56.8008，最大高斯曲率：3892.070，整個模型表面曲率波動范圍大，曲面不順滑，質量較差。經過逆向設計的下頜骨曲面模型著色曲率分析如圖2 所示，最小高斯曲率：-0.035，最大高斯曲率：0.0226，著色曲率顏色變化平滑，曲面的曲率變化波動小，曲面流暢順滑，質量較高，可滿足使用要求。

圖1 下頜骨曲面著色曲率分析

3 下顎骨植入體與多孔結構的設計

3.1 下顎骨植入體外殼設計

在下顎骨曲面模型創建的基礎上，首先，對曲面進行加厚處理生成實體模型，考慮打印工藝性，本文中將下顎骨外殼模型厚度設置成1mm。其次，模擬選取下顎骨上病變位置，在病變部位兩端插入兩平面，利用平面將所選取的植入體截取出來。最后，為了使植入體連接結構能與植入部位無縫連接，提高植入體的匹配性，利用曲面偏移工具偏移出四個曲面連接板，接板的厚度為1mm，進而實現植入體與連接板一體化建模，如圖2 所示，端部還設計直徑為2mm 的連接孔，這樣植入體兩端可通過4 個M2 螺釘將植入體連接板與原下顎骨模型植入部位實現連接固定。

圖2 下顎骨修復模型

3.2 下顎骨多孔結構的設計

3D 打印的植入體所用材料的力學性能與人體自身的骨骼相比一般還有很大的差異。若將打印的下顎骨三維實體模型直接植入人體，將會使所植入的成型體承受過多的附加應力，使其周圍的健康骨骼承受較小的應力，最終由于健康的骨骼得不到應有的應力刺激而逐漸消失，并且若打印的假體內部不是多孔結構，也會造成植入體質量過大和材料浪費等問題。另外，研究認為孔與孔之間相互連通可使細胞長入和遷移，可使生長因子和營養物質等進入材料內部。因此，為了解決植入體與人體自身骨骼所受的應力不平衡、植入體輕量化設計、表面積體積比及提高材料的利用率等問題，常用設計多孔結構填充到3D打印零部件殼體內部。

理論上植入體殼體內多孔結構單元是可以進行隨意選取，根據具體需求通過調整參數可以實現不同形狀多孔結構的建模。本文中植入體多孔結構采用邊長為8mm 的正方體晶格單元進行填充，晶格結構包含內部水平梁、內部豎直梁、外部水平、外部豎直梁、角度梁，梁橫截面形狀為直徑1mm 的圓柱梁，中心連接球體直徑為2.5mm。所設計多孔結構植入體模型如圖3 所示，經軟件計算總體積為2.78×1000 立方毫米，與實心植入體相比體積和質量降低了66.8%，因此，該結構設計可有效縮短打印時間，減小打印材料，降低打印成本。

圖3 植入體內部多孔結構

4 材料的選取及打印

近年來可以代替人體骨骼植入物的材料主要有鎳鈦合金、不銹鋼、生物陶瓷、光敏樹脂、PLA 等材料[6]。考慮到熱熔性、制造成本、生物降解性等因素，本文中所用材料為PLA。最終3D 打印成型的下顎骨修復模型如圖4 所示，由圖可看出成品表面質量較好，圖5 為植入體內部多孔結構模型，由圖可以看出打印的成品內部結構與所設計的模型結構一致，成品總體精確、壁厚均勻。

圖4 成品修復模型

圖5 植入體內部結構圖

5 結論

本文以醫學影像數據為基礎，通過逆向工程設計出個性化程度高、匹配性好、曲面質量高、固定連接一體化的下顎骨植入體殼體模型，完成植入體內部多孔結構的設計，所設計的連接結構植入操作簡便和可行性強。經過3D 打印下顎骨植入體模型，完成了修復模擬操作。綜上所述，本文中下顎骨植入體的設計與3D 打印成型研究，為復雜下顎骨修復提供了重要參考，具有重要理論價值和現實意義。