一種新型個性化鈦網(wǎng)的數(shù)字化建模和生物力學(xué)研究

王 超，夏 榮，劉 芮，肖楠楠

牙周病、外傷、腫瘤等各種疾病會導(dǎo)致牙齒的喪失，隨之喪失的還有周圍菲薄的牙槽骨和鄰間齦乳頭，對后期種植修復(fù)后的美學(xué)重建造成不利影響。而種植體間的軟組織又不同于正常牙齒的牙周組織，其類似于瘢痕組織，使得臨床預(yù)后復(fù)雜化。因而，牙槽嵴解剖形態(tài)的保存或重建是美學(xué)種植治療成功先決條件[1]。鈦網(wǎng)(titanium mesh，TM)具有良好的空間支持能力和生物相容性，被廣泛應(yīng)用于骨缺損美學(xué)重建手術(shù)中[2]。但商業(yè)TM存在手術(shù)時間長、邊緣銳利、術(shù)后暴露率高等缺點，逐漸被淘汰。隨著3D打印(3D printing,3DP)技術(shù)的發(fā)展，借助于三維軟件設(shè)計，3DP定制的TM減少了手術(shù)創(chuàng)傷、縮短了手術(shù)時間，并且有效減少術(shù)后TM的暴露[3-4]。然而，傳統(tǒng)3DP的 TM并沒有針對牙槽嵴解剖形態(tài)進(jìn)行設(shè)計，術(shù)后種植體周圍及鄰間隙骨組織支撐不足，后期軟組織退縮，形成“黑三角”等美學(xué)缺陷。

該研究通過構(gòu)建上頜骨有限元模型，探索一種近似于天然牙牙槽嵴美學(xué)形態(tài)的TM的建模方法，分析對比新型個性化TM、傳統(tǒng)打印TM重建上頜骨骨缺損后結(jié)構(gòu)應(yīng)力、位移等參數(shù)變化，探討新型個性化TM的設(shè)計優(yōu)勢，以及是否存在受力缺陷，為后期臨床實驗應(yīng)用提供理論參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1TM幾何模型建立

1.1.1影像采集和三維重建 從安徽醫(yī)科大學(xué)第二附屬醫(yī)院口腔種植科選取1名志愿者進(jìn)行錐形束CT(CBCT)掃描，將醫(yī)學(xué)數(shù)字成像與通訊(DICOM)數(shù)據(jù)導(dǎo)入mimics19.0(比利時Materialise公司)軟件中重建出頭顱部位的三維模型，通過控制閾值，獲得上頜骨的原始蒙罩，去除上頜骨以外的顱骨部分，繼而得到上頜骨三維模型。

1.1.2正逆向工程處理 將上頜骨三維模型導(dǎo)入3-matic 11.0(比利時Materialise公司)軟件中，對上頜1|1牙槽嵴進(jìn)行部分虛擬切除(長高寬為6 mm×8 mm×10 mm)，植入代表種植體的兩個圓柱體(直徑4.1 mm，長度12.0 mm)，見圖1A。根據(jù)已發(fā)表的相關(guān)數(shù)據(jù)要求[4-5]，分別以兩個植體為參照建立冠狀面和矢狀面草圖，見圖1B。冠狀面草圖上，測量修復(fù)體鄰接點與植體間牙槽嵴頂間垂直距離(D1)，取D1≤ 3 mm(此處取D1= 3 mm)為頂點構(gòu)建曲線，即重建后植體間牙槽嵴的輪廓和高度，見圖1C；矢狀面草圖上，在植體唇側(cè)構(gòu)建曲線，測量曲線距離植體的最小水平距離(D2)，取D2≥ 2 mm(此處取D2=2 mm)，保證唇腭側(cè)足夠的骨量，見圖1D。繪制出骨缺損重建范圍，最后，重建出植體鄰間和唇側(cè)牙槽嵴的形態(tài)和高度。

圖1 缺損上頜骨幾何模型

A： 虛擬切除; B：矢、冠狀面草圖; C： 冠狀面草圖中D1值； D： 矢狀面草圖中D2值

1.1.3TM模型建立 利用3-matic11.0中的標(biāo)記功能標(biāo)記出TM覆蓋范圍，通過表面移動拉伸出TM外形，再進(jìn)行包裹、光滑、布爾運算和修剪編輯，得到最終的TM幾何模型，見圖2A、2B。同時，根據(jù)文獻(xiàn)[6]中對傳統(tǒng)打印TM的設(shè)計要求，通過Geomagic Studio2014(美國Raindrop公司)等軟件對上頜骨1|1骨缺損牙槽嵴進(jìn)行常規(guī)重建、修復(fù)后，獲得傳統(tǒng)打印TM的幾何模型，見圖2C、2D。

圖2 TM修復(fù)幾何模型

A：新型TM修復(fù)；B：新型TM；C：傳統(tǒng)打印TM修復(fù)；D：傳統(tǒng)打印TM

1.2有限元模型建立將缺損未修復(fù)上頜骨、傳統(tǒng)打印TM修復(fù)上頜骨、新型TM修復(fù)上頜骨，這3種幾何模型文件分別導(dǎo)入Hypermesh13.0(美國Altair公司)軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后在MSC.Patran/Nastran2012(美國MSC公司)軟件中進(jìn)行有限元網(wǎng)格二次處理和其他組織網(wǎng)格劃分。其中新型TM修復(fù)上頜骨模型約49 232個節(jié)點(Nodes)，239 900個四面體實體單元(Tet4 Elements)，16 999個三角面單元(Tria3 Elements)。

1.3材料參數(shù)設(shè)定參考文獻(xiàn)[7-9]，各結(jié)構(gòu)的彈性模量和泊松比取值，見表1。

表1 頜骨各結(jié)構(gòu)組織材料參數(shù)表

1.4邊界約束及荷載設(shè)置邊界約束：由于骨結(jié)構(gòu)組織材料特性復(fù)雜及相關(guān)材料實驗條件的限制，假定上頜骨(皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨)、牙齒等各組織結(jié)構(gòu)均為各向同性、均質(zhì)、連續(xù)的彈性材料。對上頜骨上端與顱骨接觸的區(qū)域設(shè)置固定約束，限制其XYZ位移自由度。受力加載：加載方式采用正常咬合對雙側(cè)后牙區(qū)垂直加載，模擬咀嚼力[9-10]，在余留后牙區(qū)自第二磨牙至第一前磨牙上分別垂直加載40 N、40 N、35 N、35 N的壓力。

2 結(jié)果

2.1TM數(shù)字化模型和打印成品通過本實驗方法成功設(shè)計出具有近似牙槽嵴形態(tài)的TM模型，見圖3A。打印的TM成品，厚度薄，邊界和轉(zhuǎn)角圓潤光滑，牙槽嵴形態(tài)明顯，見圖3B。

圖3 TM數(shù)字化模型和打印成品A：數(shù)字化模型；B：打印成品

2.2不同TM缺損修復(fù)數(shù)據(jù)對比與分析在正常咀嚼下，兩種TM修復(fù)上頜骨缺損后各主要結(jié)構(gòu)Von Mises應(yīng)力分布、結(jié)構(gòu)位移變化等生物力學(xué)特性，見圖4～5。經(jīng)有限元模擬分析，對比了3種模型骨缺損修復(fù)后上頜骨對應(yīng)的 Von Mises應(yīng)力及位移的變化情況，見表2～3。 兩種TM修復(fù)后的上頜骨整體區(qū)域的Von Mises應(yīng)力最值降低約50%，說明TM修復(fù)上頜骨后會減少上頜骨的局部應(yīng)力集中現(xiàn)象；新型TM修復(fù)上頜骨后在前牙區(qū)、TM、種植體、前牙修復(fù)體的Von Mises應(yīng)力要稍微高于傳統(tǒng)TM修復(fù)，兩者應(yīng)力相差不大，差異約在0.63%～24.03%。兩者的應(yīng)力云圖分布相對較為均勻，上頜骨和TM的應(yīng)力較大區(qū)域主要發(fā)生在前牙兩側(cè)附近，且應(yīng)力最值變化范圍大概4.43～5.53 MPa；各結(jié)構(gòu)的位移變形較少，位移的數(shù)據(jù)范圍基本保持在0.05 mm范圍內(nèi)。

圖4 兩種TM修復(fù)上頜骨后應(yīng)力云圖

A：傳統(tǒng)TM修復(fù)上頜骨；B：傳統(tǒng)TM；C：新型TM修復(fù)上頜骨；D： 新型TM

圖5 兩種TM修復(fù)上頜骨后位移云圖

A：傳統(tǒng)TM修復(fù)上頜骨；B：傳統(tǒng)TM；C：新型TM修復(fù)上頜骨；D：新型TM

表2 不同TM缺損修復(fù)后各結(jié)構(gòu)應(yīng)力最值表

表3 不同TM缺損修復(fù)后各結(jié)構(gòu)位移最值表

3 討論

利用有限元方法仿真模擬頜骨TM修復(fù)缺損結(jié)構(gòu)的生物力學(xué)特性，可較大程度減少對大量人尸體或動物實驗的依賴，同時,在一定程度上可以預(yù)測頜骨在TM修復(fù)前后的結(jié)構(gòu)受力等情況。本研究通過有限元方法的使用，對比傳統(tǒng)打印TM，建立使用兩種TM修復(fù)重建上頜骨骨缺損的三維有限元模型，并模擬咀嚼運動，施加相應(yīng)荷載，觀察兩種TM修復(fù)缺損上頜骨進(jìn)行各結(jié)構(gòu)應(yīng)力及位移變化情況。結(jié)果表明，新型TM和傳統(tǒng)TM均可以減少骨缺損區(qū)的應(yīng)力集中，新型TM修復(fù)后Von Mises應(yīng)力稍微高于傳統(tǒng)TM修復(fù)，但結(jié)果可控。兩者的應(yīng)力云圖分布相對較為均勻，各結(jié)構(gòu)的位移變形差異不明顯。均可證明新型TM設(shè)計上無明顯缺陷。