3D打印定制化鈦缺損替代物修復的下頜骨在3種加載方式下三維有限元應力分析

高俊武 汪慧淵 高 琳

1.包頭醫(yī)學院，內(nèi)蒙古包頭 014040；2.內(nèi)蒙古科技大學，內(nèi)蒙古包頭 014040

腫瘤、炎癥等可能造成下頜骨缺損，影響面部形態(tài)、咀嚼、吞咽等功能[1]。常規(guī)修復方法存在骨瓣塑形困難、手術(shù)時間較長、次數(shù)多[2]、創(chuàng)傷大、咀嚼功能恢復差等弊端[3]，尤其不能做到定制化修復，形態(tài)只能達到大致相似的修復水平，功能性修復難度更大。

現(xiàn)在利用3D打印（3D printing）技術(shù)可以達到形態(tài)上定制化修復的目的[4-6]。但需要進一步研究這種修復體對下頜骨的生物力學環(huán)境有何影響。本研究的初衷是采用有限元法對修復后的下頜骨在正中咬合（ICP）、前牙咬合（INC），側(cè)方咬合（RMOL）3種不同加載狀態(tài)的應力分布進行分析。力求對以后修復體的優(yōu)化設(shè)計提供一定的思路，最大限度滿足生物學要求。

1 資料與方法

1.1 一般資料

1.2 研究方法

首先CT平掃下頜骨：掃描范圍上界為眶上緣，下界為下頜骨下緣，在CT工作站對CT影像進行三維與多平面重建。然后將上述數(shù)據(jù)導入圖形軟件MIMICS17中重建，調(diào)節(jié)灰度值（Thresholds）來識別出目標區(qū)域，并對其進行三維運算，然后把以3D形式顯示的目標區(qū)域保存成.stl格式待用。在Geomagic Studio12中對目標進行“抽殼”操作，確定下頜骨缺損范圍（模擬左側(cè)體部部分缺損），設(shè)計出替代物3D模型。替代物由行使缺損修復功能的“體部”和起到固位功能的“固定板”兩部分構(gòu)成。“體部”長2.2 cm，寬1 cm，厚1 mm，高1.5 cm。“固定板”長1.6 cm，高1.2 cm，厚1 mm。在軟件中生成直徑為2.5 mm的圓柱體，通過該圓柱體與修復體的“布爾操作”在“體部”打出6個直徑為2.5 mm的圓孔。同時在“固定板”相應位置生成6個長7 mm，直徑3 mm的圓柱體來模擬固定用鈦釘。分別將各模型保存成.iges文件備用。最后將上述各模型的.iges文件分別導入Ansys10.0中組合后進行一系列特定操作，進行力學分析。

1.2.1 邊界約束和荷載大小及方向的確定 為了模擬功能狀態(tài)下的下頜骨，將髁突頂點按鉸鏈支撐處理，對下頜牙牙面進行約束，用以模擬ICP；對下頜前牙進行約束，模擬INC；對健側(cè)（右側(cè)）后牙牙面進行約束，模擬右側(cè)RMOL。根據(jù)咬肌（淺深）、顳肌、翼內(nèi)肌、翼外肌的解剖位置確定各咀嚼肌附著的節(jié)點號。由Fimax=PA[7]計算出各咀嚼肌最大咀嚼肌力的大小。P為內(nèi)在強度常數(shù)4×105N/m2，A為各咀嚼肌的橫斷面面積。取最大咀嚼肌力的1/2為實際加載力量。本實驗采用的相關(guān)咀嚼肌肌力向量參考相關(guān)文獻[8]，見表1。

表1 咀嚼肌各咬合狀況下的肌力值及方向

1.2.2 實驗假設(shè)條件 模型中的各組織材料均為線彈性材料[9]。其各自彈性模量與泊松比參考相關(guān)文獻[10-12]，見表 2。

表2 各組織材料屬性

1.2.3 觀察部位及指標 ①不同工況下雙側(cè)髁突應力分布情況。②不同工況下定制化替代物的應力情況。

2 結(jié)果

以Von Mises應力為觀測指標

2.1 替代物修復后的下頜骨三維有限元模型的建立

將上述各模型導入軟件Ansys10.0，通過布爾操作等一系列特定的處理后，最后以Solid45/Solid65對各模型進行網(wǎng)格劃分，得到一個具有22 928個節(jié)點，101 251個單元的定制化替代物修復后的下頜骨三維有限元模型（圖1）。

圖1 替代物修復下頜骨網(wǎng)格圖

2.2 三種工況下下頜骨和替代物的應力云圖

在該三維有限元模型上進行3種不同邊界約束條件和荷載分布后計算得到三種不同工況下的Von Mises應力云圖。其中A工況：ICP；B工況：INC；C 工況 RMOL）。圖 2～7。

圖2 A工況下頜骨

圖3 B工況下頜骨

圖4 C工況下頜骨

圖5 A工況替代物

圖6 B工況替代物

圖7 C工況替代物

2.3 生物力學分析結(jié)果

2.3.1 A工況力學分布情況 A工況與正常下頜骨相比較，除在雙側(cè)髁突前斜面（關(guān)節(jié)翼肌窩）及頸部應力不對稱外（健側(cè)應力值25.31 MPa，患側(cè)為6.57 MPa），雙側(cè)髁突的頂部、后斜面等部位應力值大小無明顯差異。應力在替代物上總體分布較均勻，應力集中區(qū)出現(xiàn)在“體部”和“固定板”的移行處，最明顯的地方出現(xiàn)在靠近健側(cè)下頜骨下緣處，最大應力值為139.01 Mpa。

2.3.2 B工況力學分布情況 B工況條件下定制化替代物修復后的下頜骨各部位應力分布不均。雙側(cè)髁突及頸部應力不對稱, 患側(cè)前斜面（翼肌窩）46.62 Mpa，后斜面20.13 Mpa。健側(cè)前斜面（翼肌窩）24.23 Mpa，后斜面6.66 Mpa。在替代物固定板附著處的下頜骨出現(xiàn)明顯的應力集中，尤以下頜骨下緣近缺損處為甚，最大應力值為995.71 MPa。替代物應力分布總體上趨勢與A工況一致。

2.3.3 C工況力學分布情況 C工況條件下定制化替代物修復后的下頜骨兩側(cè)應力分布大致均勻。雙側(cè)髁突及頸部應力不對稱, 患側(cè)前斜面（翼肌窩）37.82 Mpa，后斜面6.2 Mpa。健側(cè)前斜面（翼肌窩）28.15 Mpa，后斜面5.83 Mpa。與B工況一樣，在替代物固定板附著處的下頜骨出現(xiàn)明顯的應力集中，尤以下頜骨下緣近缺損處為甚，最大應力值為521.65 MPa。

3 討論

人的顳下頜關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)精細而復雜[9-13]。為了使實驗得出的結(jié)論更客觀準確，本研究將髁突頂點按鉸鏈支撐處理，限制了Z方向上的自由度，X和Y方向上不做限制，從而較好的模擬了下頜骨三種基本運動方式，符合其生理狀態(tài)。較為真實的模擬了顳下頜關(guān)節(jié)的運動[14]。

研究結(jié)果顯示，替代物修復下頜骨后，下頜骨應力出現(xiàn)異常變化，而這一變化在兩側(cè)的髁突前斜面，尤以關(guān)節(jié)翼肌窩處最為明顯，這與以往的研究結(jié)果一致[15]。具體來看：正中咬合時左右關(guān)節(jié)翼肌窩應力值差值為18.74 Mpa；前伸咬合時應力值差值為22.39 Mpa；側(cè)方咬合時應力值差值為9.67 Mpa。可以看出前牙咬合時整個下頜骨的應力分布趨勢變化明顯大于正中及后牙咬合時，變化趨勢最明顯處位于髁突前斜面，提示咬合部位對髁突前斜面的受力有重要影響。同時，前牙咬合時在替代物“體部”與“固定板”移行區(qū)及其附著處的下頜骨出現(xiàn)的應力集中情況、最大應力值也分別明顯大于側(cè)方咬合時的情況。可以看出后牙加載時下頜骨的生物力學行為明顯優(yōu)于前牙加載時，提示術(shù)后需進食流質(zhì)或使用后牙咀嚼軟食并避免前牙咬合。

目前利用3D打印技術(shù)制造的下頜骨替代物，雖然可以在外形上做到定制化、個體化的修復，完美解決下頜骨形態(tài)恢復上的難題。但本實驗結(jié)果顯示這種替代物對下頜骨原有的生物力學環(huán)境產(chǎn)生了影響，這就提示應該對下頜骨替代物進行設(shè)計優(yōu)化，使其修復后下頜骨應力分布最大程度接近生理狀態(tài)，減小其對下頜骨生物力學環(huán)境的不良影響，避免顳頜關(guān)節(jié)疾病產(chǎn)生。修復不僅僅是形態(tài)上的，更應該是功能上的。