基于SLM多孔牙種植體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探究

蔣炳忠

（江蘇創(chuàng)英醫(yī)療器械有限公司 江蘇 常州市213149）

引言

在牙科臨床實(shí)踐中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)牙種植體因磨損或產(chǎn)生松動(dòng)而引發(fā)更多不良反應(yīng)，通常情況下牙種植體使用壽命僅僅能維持在10～15年，不能滿足人們長(zhǎng)期使用的要求。而與人體組織相比較，普通鑄造鈦合金彈性模量能達(dá)到10倍左右，因此普通鑄造鈦合金牙種植體無(wú)法及時(shí)將應(yīng)力傳遞到周?chē)墙M織中，長(zhǎng)期使用過(guò)程中必然會(huì)產(chǎn)生異常明顯的“應(yīng)力屏蔽”現(xiàn)象，這種可能引發(fā)骨吸收從而導(dǎo)致牙齒炎癥，造成牙種植體松動(dòng)或脫落。

1 多孔結(jié)構(gòu)牙種植體優(yōu)勢(shì)

鑒于臨床上牙種植體使用壽命短、無(wú)法及時(shí)傳遞壓力的一些弊端，通過(guò)制備多孔結(jié)構(gòu)牙種植體是非常可行的一種方法。多孔結(jié)構(gòu)牙種植體具有以下一些優(yōu)勢(shì)：首先，多孔結(jié)構(gòu)能夠讓牙種植體與骨組織之間的接觸面積增大，對(duì)于骨組織與牙種植體的骨結(jié)合強(qiáng)度有促進(jìn)作用，能產(chǎn)生牢固的生物固定作用；其次，三維空孔結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒐墙M織生長(zhǎng)過(guò)程中所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和體液進(jìn)行良好運(yùn)輸，進(jìn)一步促進(jìn)組織重建和再生，對(duì)組織愈合也有積極促進(jìn)作用[1]；再次，通過(guò)改變多孔組織孔隙結(jié)構(gòu)，能有效提升牙種植體孔隙率，在此情況下，牙種植體力學(xué)性能也會(huì)相應(yīng)產(chǎn)生改變，達(dá)到相近彈性模量，與人體骨組織之間的力學(xué)性能更加匹配；最后，通過(guò)多種結(jié)構(gòu)搭載藥物刺激后，能夠進(jìn)一步促進(jìn)牙種植體與骨組織的初期結(jié)合，縮短骨結(jié)合的時(shí)間。而且還可以利用多孔組織的聯(lián)通結(jié)構(gòu)來(lái)聚集營(yíng)養(yǎng)液，進(jìn)一步促進(jìn)細(xì)胞的增值分化，為組織生長(zhǎng)持續(xù)提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。基于SLM技術(shù)下的多孔牙種植體在制造過(guò)程中通過(guò)梯度孔隙率排布方式，形成頸部孔隙率低、彈性模量高的牙種植體，這種牙種植體與皮質(zhì)骨具有良好匹配性；而在其端部孔隙率更高，彈性模量則相對(duì)較低，從而使得牙種植體與松質(zhì)骨實(shí)現(xiàn)良好匹配，有助于應(yīng)力傳導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)牙種植體的長(zhǎng)期穩(wěn)定；多孔結(jié)構(gòu)的牙種植體能夠在牙齒種植修復(fù)過(guò)程中攜帶蛋白藥物，從而構(gòu)建起藥物緩釋系統(tǒng)，蛋白藥物能夠?qū)ΨN植體與骨界面新骨的生長(zhǎng)和成熟形成積極促進(jìn)作用，并進(jìn)一步加速種植體修復(fù)[2]。

2 基于SLM的多孔牙種植體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前市場(chǎng)上比較常見(jiàn)的嚴(yán)重問(wèn)題都是在傳統(tǒng)的機(jī)械加工方式下制造而成，而機(jī)械加工制造過(guò)程對(duì)于牙種植體的表面形貌結(jié)構(gòu)即整體楊氏模量不能進(jìn)行有效控制。本文在研究過(guò)程中主要是以“鈦骨”種植體為基礎(chǔ)來(lái)實(shí)施進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)牙種植體表面多孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行重點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.1 種植體機(jī)體和尺寸設(shè)計(jì)

目前在全球范圍內(nèi)牙種植系統(tǒng)品牌非常多，但是不同種植系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)、質(zhì)量、維護(hù)、壽命等各個(gè)方面都存在較大差異。且目前臨床上主要有埋入式和非埋入式兩種種植方式[3]。對(duì)于埋入式種植體來(lái)說(shuō)Branemark種植系統(tǒng)是非常典型的一種代表，在植入程序、修復(fù)設(shè)計(jì)方案方面形成了整套標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，但是目前也有一些缺陷需要進(jìn)一步克服，這種種植系統(tǒng)相對(duì)來(lái)說(shuō)比較傳統(tǒng)。非埋入式種植體最典型的代表是ITI種植系統(tǒng)，這種種植系統(tǒng)在表面處理技術(shù)方面非常先進(jìn)，而且具有莫氏錐度這種專利，該種植體在植入6周后即可實(shí)現(xiàn)修復(fù)，使得治療時(shí)間大大縮短，而且種植體的穩(wěn)定性也比較好。

本文的研究過(guò)程中主要是以“鈦骨”為原型來(lái)進(jìn)行牙種植體優(yōu)化設(shè)計(jì)?！扳伖恰狈N植體是由意大利LEADER公司生產(chǎn)制造，種植體規(guī)格根據(jù)基臺(tái)連接結(jié)構(gòu)的不同分為很多種，本文選取最為常見(jiàn)的根型內(nèi)連接種植體進(jìn)行研究。牙種植體的表面孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)發(fā)展能起到引導(dǎo)作用，同時(shí)還會(huì)影響種植體與骨組織的結(jié)合，能有效的傳導(dǎo)牙種植體受到的咬合力，從而有效緩解牙種植體與骨組織之間產(chǎn)生“應(yīng)力遮蔽”，這也是本次設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。牙種植體的多孔結(jié)構(gòu)涉及到了截面形狀、孔徑、孔深、孔隙率等多項(xiàng)參數(shù)，因牙種植體的多孔結(jié)構(gòu)不僅對(duì)生物組織生長(zhǎng)有積極作用，同時(shí)也能夠發(fā)揮出機(jī)械固定作用，因此牙種植體的多孔結(jié)構(gòu)必須要在孔隙率、孔徑方面滿足種植體使用過(guò)程中的強(qiáng)度、與骨組織匹配彈性模量、以及骨長(zhǎng)入空間，充分體現(xiàn)出骨引導(dǎo)的特性。為了能夠體現(xiàn)出良好的骨引導(dǎo)能力，必須保證種植體表面具備三維聯(lián)通機(jī)構(gòu)，而且要保證孔隙大小處在200～500μm的范圍內(nèi)?？紫督孛娴脑O(shè)計(jì)可以將其看成是平面正方形或者是正方體上其中一個(gè)面的截面形狀設(shè)計(jì)。在牙種植體設(shè)計(jì)過(guò)程中通常有圓形、三角形、方形等幾種形狀[4]，而根據(jù)相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)正方形截面更加有利于骨組織生長(zhǎng)。從生物學(xué)固定效果方面發(fā)現(xiàn)，與正方形孔相比較，菱形孔具有更好的固定效果?？紤]到本次設(shè)計(jì)中主要采取的是SLM加工方法，結(jié)合其加工特征最終選擇正菱形來(lái)作為孔隙形狀。種植體孔徑大小目前并未形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，而根據(jù)相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，565μm以40%孔隙率在機(jī)械性能方面表現(xiàn)良好，對(duì)骨組織生長(zhǎng)也有促進(jìn)作用，而對(duì)于多孔鈦合金牙種植體來(lái)說(shuō)當(dāng)其孔徑處在300～500μm范圍內(nèi)的情況下在力學(xué)性能和生物學(xué)性能方面更優(yōu)。根據(jù)上述研究成果并充分結(jié)合SLM加工過(guò)程中材料的收縮率，最終選定牙種植體多孔結(jié)構(gòu)的孔隙邊長(zhǎng)以及孔深度為500μm。在確定孔隙邊長(zhǎng)和孔深度之后，可以根據(jù)相關(guān)計(jì)算公式找出孔隙率和孔徑大小之間的關(guān)系。結(jié)合制造工藝和種植體本身特征最終設(shè)置了三種孔隙結(jié)構(gòu)，其間隔分別為30°、45°、60°，三種孔隙結(jié)構(gòu)在種植體圓周方向上分布，如下圖所示。

2.2 牙種植體強(qiáng)度分析

針對(duì)本次優(yōu)化設(shè)計(jì)的牙種植體強(qiáng)度分析主要利用的是三維有限元法，經(jīng)過(guò)建模分析后發(fā)現(xiàn)，由于多孔結(jié)構(gòu)牙種植體存在孔隙，因此與無(wú)孔隙種植體相比較，頸部周?chē)膽?yīng)力集中現(xiàn)象更為普遍，因此實(shí)際受到的應(yīng)力也更大；牙根的實(shí)際極限強(qiáng)度為121.7MPa。因此即使采取最小規(guī)格的3.3×8mm牙種植體，其頸部最大應(yīng)力僅僅達(dá)到120MPa，牙齒正常咬合力為100N，因此本次設(shè)計(jì)過(guò)程中所采取的3.3、3.75牙種植體完全滿足強(qiáng)度要求。

在有限元分析過(guò)程中分別對(duì)8.0、10.0、11.5、13.0mm幾種不同長(zhǎng)度的多孔牙種植體實(shí)施了強(qiáng)度比較，在保證有限元處理?xiàng)l件不變的情況下經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，在多孔牙種植體直徑為3.75mm的情況下，4種長(zhǎng)度的牙種植體應(yīng)力均集中出現(xiàn)在頸部，在最大應(yīng)力條件下多孔牙種植體完全滿足強(qiáng)度要求。同時(shí)發(fā)現(xiàn)牙種植體長(zhǎng)度增加會(huì)使得受到應(yīng)力相應(yīng)下降，但是應(yīng)力下降幅度非常有限。可見(jiàn)長(zhǎng)度變化對(duì)牙種植體的強(qiáng)度影響較小，充分說(shuō)明多孔牙種植體強(qiáng)度基本不會(huì)受到長(zhǎng)度影響。

3 結(jié)束語(yǔ)

基于SLM技術(shù)加工的多孔牙種植體在生物力學(xué)性能和與骨結(jié)合方面都表現(xiàn)出良好的性能，多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模式在牙種植體研究領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。但是，基于SLM技術(shù)的多孔結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜，而且結(jié)構(gòu)精度要求高，需要在后續(xù)設(shè)計(jì)過(guò)程中針對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)加工工藝進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。