3D打印定制化鈦缺損替代物修復(fù)的下頜骨在3種加載方式下三維有限元應(yīng)力分析

高俊武 汪慧淵 高 琳

1.包頭醫(yī)學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭 014040；2.內(nèi)蒙古科技大學(xué)，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(fù)方法存在骨瓣塑形困難、手術(shù)時(shí)間較長(zhǎng)、次數(shù)多[2]、創(chuàng)傷大、咀嚼功能恢復(fù)差等弊端[3]，尤其不能做到定制化修復(fù)，形態(tài)只能達(dá)到大致相似的修復(fù)水平，功能性修復(fù)難度更大。

現(xiàn)在利用3D打?。?D printing）技術(shù)可以達(dá)到形態(tài)上定制化修復(fù)的目的[4-6]。但需要進(jìn)一步研究這種修復(fù)體對(duì)下頜骨的生物力學(xué)環(huán)境有何影響。本研究的初衷是采用有限元法對(duì)修復(fù)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(yīng)力分布進(jìn)行分析。力求對(duì)以后修復(fù)體的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的思路，最大限度滿足生物學(xué)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(duì)CT影像進(jìn)行三維與多平面重建。然后將上述數(shù)據(jù)導(dǎo)入圖形軟件MIMICS17中重建，調(diào)節(jié)灰度值（Thresholds）來(lái)識(shí)別出目標(biāo)區(qū)域，并對(duì)其進(jìn)行三維運(yùn)算，然后把以3D形式顯示的目標(biāo)區(qū)域保存成.stl格式待用。在Geomagic Studio12中對(duì)目標(biāo)進(jìn)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(jì)出替代物3D模型。替代物由行使缺損修復(fù)功能的“體部”和起到固位功能的“固定板”兩部分構(gòu)成?！绑w部”長(zhǎng)2.2 cm，寬1 cm，厚1 mm，高1.5 cm?！肮潭ò濉遍L(zhǎng)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(fù)體的“布爾操作”在“體部”打出6個(gè)直徑為2.5 mm的圓孔。同時(shí)在“固定板”相應(yīng)位置生成6個(gè)長(zhǎng)7 mm，直徑3 mm的圓柱體來(lái)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(dǎo)入Ansys10.0中組合后進(jìn)行一系列特定操作，進(jìn)行力學(xué)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(diǎn)按鉸鏈支撐處理，對(duì)下頜牙牙面進(jìn)行約束，用以模擬ICP；對(duì)下頜前牙進(jìn)行約束，模擬INC；對(duì)健側(cè)（右側(cè)）后牙牙面進(jìn)行約束，模擬右側(cè)RMOL。根據(jù)咬?。\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(diǎn)號(hào)。由Fimax=PA[7]計(jì)算出各咀嚼肌最大咀嚼肌力的大小。P為內(nèi)在強(qiáng)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(shí)際加載力量。本實(shí)驗(yàn)采用的相關(guān)咀嚼肌肌力向量參考相關(guān)文獻(xiàn)[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(shí)驗(yàn)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(xiàn)[10-12]，見表 2。

表2 各組織材料屬性

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

2 結(jié)果

以Von Mises應(yīng)力為觀測(cè)指標(biāo)

2.1 替代物修復(fù)后的下頜骨三維有限元模型的建立

將上述各模型導(dǎo)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(duì)各模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到一個(gè)具有22 928個(gè)節(jié)點(diǎn)，101 251個(gè)單元的定制化替代物修復(fù)后的下頜骨三維有限元模型（圖1）。

圖1 替代物修復(fù)下頜骨網(wǎng)格圖

2.2 三種工況下下頜骨和替代物的應(yīng)力云圖

在該三維有限元模型上進(jìn)行3種不同邊界約束條件和荷載分布后計(jì)算得到三種不同工況下的Von Mises應(yīng)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(xué)分析結(jié)果

2.3.1 A工況力學(xué)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(yīng)力不對(duì)稱外（健側(cè)應(yīng)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(yīng)力值大小無(wú)明顯差異。應(yīng)力在替代物上總體分布較均勻，應(yīng)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(yīng)力值為139.01 Mpa。

2.3.2 B工況力學(xué)分布情況 B工況條件下定制化替代物修復(fù)后的下頜骨各部位應(yīng)力分布不均。雙側(cè)髁突及頸部應(yīng)力不對(duì)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(yīng)力集中，尤以下頜骨下緣近缺損處為甚，最大應(yīng)力值為995.71 MPa。替代物應(yīng)力分布總體上趨勢(shì)與A工況一致。

2.3.3 C工況力學(xué)分布情況 C工況條件下定制化替代物修復(fù)后的下頜骨兩側(cè)應(yīng)力分布大致均勻。雙側(cè)髁突及頸部應(yīng)力不對(duì)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(yīng)力集中，尤以下頜骨下緣近缺損處為甚，最大應(yīng)力值為521.65 MPa。

3 討論

人的顳下頜關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)精細(xì)而復(fù)雜[9-13]。為了使實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論更客觀準(zhǔn)確，本研究將髁突頂點(diǎn)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(yùn)動(dòng)方式，符合其生理狀態(tài)。較為真實(shí)的模擬了顳下頜關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)[14]。

研究結(jié)果顯示，替代物修復(fù)下頜骨后，下頜骨應(yīng)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(lái)看：正中咬合時(shí)左右關(guān)節(jié)翼肌窩應(yīng)力值差值為18.74 Mpa；前伸咬合時(shí)應(yīng)力值差值為22.39 Mpa；側(cè)方咬合時(shí)應(yīng)力值差值為9.67 Mpa?？梢钥闯銮把酪Ш蠒r(shí)整個(gè)下頜骨的應(yīng)力分布趨勢(shì)變化明顯大于正中及后牙咬合時(shí)，變化趨勢(shì)最明顯處位于髁突前斜面，提示咬合部位對(duì)髁突前斜面的受力有重要影響。同時(shí)，前牙咬合時(shí)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(yīng)力集中情況、最大應(yīng)力值也分別明顯大于側(cè)方咬合時(shí)的情況。可以看出后牙加載時(shí)下頜骨的生物力學(xué)行為明顯優(yōu)于前牙加載時(shí)，提示術(shù)后需進(jìn)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(gè)體化的修復(fù)，完美解決下頜骨形態(tài)恢復(fù)上的難題。但本實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示這種替代物對(duì)下頜骨原有的生物力學(xué)環(huán)境產(chǎn)生了影響，這就提示應(yīng)該對(duì)下頜骨替代物進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，使其修復(fù)后下頜骨應(yīng)力分布最大程度接近生理狀態(tài)，減小其對(duì)下頜骨生物力學(xué)環(huán)境的不良影響，避免顳頜關(guān)節(jié)疾病產(chǎn)生。修復(fù)不僅僅是形態(tài)上的，更應(yīng)該是功能上的。