上頜骨復雜缺損3D打印精準重建支架的生物力學研究

來源：生物力學分析
作者：鄭玲玲1,3,陳 丹1, 王 濤2, 王超1, 樊瑜波1
(1. 北京航空航天大學 生物與醫(yī)學工程學院,醫(yī)學科學與工程學院,生物力學與力生物學教育部重點實驗室,北京市生物醫(yī)學工程高精尖創(chuàng)新中心,北京 100083;2. 重慶醫(yī)科大學附屬口腔醫(yī)院口腔頜面外科,重慶 401147;3. 重慶工港致慧增材制造技術(shù)研究院有限公司,重慶 400060)

導讀：目的 提出一種用于修復上頜骨大面積骨缺損的 3D 打印植入體設(shè)計、優(yōu)化、制造的個性化方案。

方法：基于患者 CBCT 和口腔掃描數(shù)據(jù)信息,首先進行植入體優(yōu)化設(shè)計;采用有限元分析方法對植入體的結(jié)構(gòu)迭代優(yōu)化與材料選擇。 模擬植入體在口腔內(nèi)的受力情況,得到植入體所受應(yīng)力大小、傳導方向與分布,據(jù)此對植入體結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。 比較同種構(gòu)型植入體在鈦合金、鉭金屬、聚醚醚酮( polyetheretherketone, PEEK)3 種不同材料下的最大等效應(yīng)力、頜骨最大等效應(yīng)力和鈦釘總位移,確定植入體的打印材料。 采用 3D 打印技術(shù)打印植入體,臨床進行面部重塑和咬合重建。

結(jié)果：經(jīng)過結(jié)構(gòu)迭代優(yōu)化得出植入體的最佳構(gòu)型,并確定選擇鈦合金材料。 將 3D 打印植入體應(yīng)用于臨床,完成了咬合重建。

結(jié)論：本研究描述的個性化方案具備臨床可行性,適用于不同分類的上頜骨缺損病例。設(shè)計出的植入體尺寸精確、力學性能良好,不僅能恢復患者的頜面部外形,還滿足了臨床對頜骨缺損修復后咬合重建的需求。

近年來，3D打印技術(shù)和數(shù)字化仿真技術(shù)逐漸應(yīng)用于醫(yī)學領(lǐng)域[14]。3D打印是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過逐層堆疊來構(gòu)造物體的技術(shù)[15]。計算機輔助設(shè)計結(jié)合3D打印技術(shù)可以利用患者錐形束投照計算機斷層(cone beam computer tomography, CBCT)數(shù)據(jù)，對上頜骨進行三維重建和虛擬排牙，同時利用鏡像技術(shù)，根據(jù)不同形狀骨缺損設(shè)計個性化的植入體。數(shù)字化仿真技術(shù)對植入體進行生物力學分析，從而進行植入體結(jié)構(gòu)優(yōu)化和材料選擇。最后，選擇光固化、擠壓、燒結(jié)、熔融等方式生成實物[16]。

基于現(xiàn)有修復方法的優(yōu)缺點以及臨床對頜骨缺損修復后咬合重建的需求[17],結(jié)合CBCT、數(shù)字化仿真以及3D打印技術(shù)，本文提出一種修復上頜骨缺損的個性化方案，即根據(jù)患者個性化CBCT數(shù)據(jù)，利用數(shù)字化技術(shù)設(shè)計、優(yōu)化、制作3D打印個性化植入體。該方案的提出將有望制造出更為適合臨床應(yīng)用的精準、力學性能良好、對患者損傷小、可恢復咬合重建的頜面部植入體。

1、材料與方法

1.1 頜骨重建及植入體設(shè)計
選擇1例因車禍導致左側(cè)頜面部大范圍缺損的患者CBCT數(shù)據(jù)，征得患者同意后，擬設(shè)計1個頜面部植入體，設(shè)計分為三部分：第1部分為骨貼合區(qū)域，用于固定植入體；第2部分為面部支撐區(qū)域，用于恢復面部形態(tài)；第3部分為固位樁，相當于傳統(tǒng)種植修復中的基臺，用于與口腔義齒結(jié)合。植入體設(shè)計流程如下：① 三維重建。將頜骨掃描后的CBCT數(shù)據(jù)以DICOM格式導入Mimics 19.0軟件(Materialise公司，比利時),重建出患者上下頜骨、牙齒等模型。② 口腔掃描和排牙。使用3 Shape口腔掃描儀(3 Shape公司，丹麥)對患者口腔進行掃描，得到患者口腔缺損情況以及牙齒咬合情況。根據(jù)口腔掃描數(shù)據(jù)進行虛擬排牙，便于固位樁定位。③ 虛擬放置種植體。將口腔掃描數(shù)據(jù)、排牙數(shù)據(jù)及頜骨數(shù)據(jù)以STL格式導入3-matic 12.0(Materialise公司，比利時)軟件中進行模型配準，根據(jù)排牙的咬合情況和牙位缺損，放入種植體和基臺。④ 植入體設(shè)計。綜合考慮鏡像功能恢復后的頜骨解剖形態(tài)、骨量限制、種植體擺放位置、預(yù)留咬合空間等因素設(shè)計植入體和鈦釘固位孔(見圖1)。

1.2 植入體構(gòu)型優(yōu)化

植入體初次設(shè)計完成，使用ANSYS 19.2(ANSYS公司，美國)對其進行仿真分析，有限元分析的輸出結(jié)果用于構(gòu)型優(yōu)化。將頜骨、植入體、天然牙、義齒、關(guān)節(jié)窩、鈦釘?shù)饶Ｐ鸵許TL 格式文件導入Geomagic Studio 2015(Raindrop公司，美國)軟件中，經(jīng)修復、光滑處理和曲面重建后保存為 IGES 格式導入ANSYS軟件(見圖2),對各實體部件采用4節(jié)點四面體單元進行網(wǎng)格劃分。其中，皮質(zhì)骨節(jié)點數(shù)114 521,單元數(shù) 385 886;天然牙節(jié)點數(shù) 26 329,單元數(shù) 93 083;關(guān)節(jié)盤節(jié)點數(shù)7 081,單元數(shù) 23 208;義齒節(jié)點數(shù) 19 660,單元數(shù) 73 899;植入體節(jié)點數(shù)28 643,單元數(shù) 96 890;鈦釘節(jié)點數(shù) 17 060,單元數(shù) 59 003。模型中各個實體簡化為連續(xù)均質(zhì)、各向同性的線性彈性材料，設(shè)定鈦合金、聚醚醚酮(polyetheretherketone, PEEK)材料、鉭金屬、聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate , PMMA)、皮質(zhì)骨、關(guān)節(jié)盤、天然牙的彈性模量分別為110、4、186、3.2、15、0.044 1、20 GPa, 泊松比分別為0.30、0.36、0.35、0.36、0.30、0.40、0.30)[18,19,20]。各模型組件之間的接觸關(guān)系中除植入體與鈦釘、骨骼、義齒為不分離，其余均為綁定。植入體在口腔內(nèi)前牙區(qū)、后牙區(qū)的受力載荷分別為108、216 N[21]。

本實驗把初次設(shè)計的植入體命名為構(gòu)型A,第1、2次優(yōu)化后模型分別為構(gòu)型B、C。首先在ANSYS中對構(gòu)型A進行有限元分析，得到構(gòu)型A的最大等效應(yīng)力云圖。點擊封頂?shù)戎得?capped isosurface)命令，查看應(yīng)力小于5 MPa的節(jié)點范圍，導出這些節(jié)點，在3-matic 12.0中優(yōu)化設(shè)計為構(gòu)型B,在其他所有條件不變情況下進行第2輪有限元分析。在構(gòu)型B的基礎(chǔ)上優(yōu)化生成構(gòu)型C,在其他所有條件不變情況下進行第3輪有限元分析。最后，整體比較3組模型中植入體、頜骨的最大等效應(yīng)力以及鈦釘?shù)目偽灰啤?br />
1.3 植入體材料選擇

已知鈦合金、鉭金屬、PEEK材料都具有良好的生物相容性，是目前廣泛使用的醫(yī)療植入材料[22]。因此，本研究第2次有限元分析是比較3種材料的力學性能，以確定打印材料。植入體構(gòu)型經(jīng)過力學優(yōu)化后，確定構(gòu)型C為最終構(gòu)型。比較構(gòu)型C在3種不同材料下的最大等效應(yīng)力、頜骨最大等效應(yīng)力和鈦釘總位移，各組間除了植入體的材料屬性不同外，無任何不同。

2 、結(jié)果

2.1 不同構(gòu)型有限元分析結(jié)果
結(jié)果表明，構(gòu)型A植入體、頜骨最大等效應(yīng)力分別為111.44、5.51 MPa, 鈦釘總位移為0.52 μm。構(gòu)型B植入體、頜骨最大等效應(yīng)力分別為167.37、8.74 MPa, 鈦釘總位移為0.67 μm。構(gòu)型C植入體、頜骨最大等效應(yīng)力分別為129.68、5.64 MPa, 鈦釘總位移為0.63 μm(見圖3)。構(gòu)型C植入體、頜骨最大等效應(yīng)力和鈦釘?shù)目偽灰凭�小于�?gòu)型B,故選擇構(gòu)型C為最終構(gòu)型。

2.2 不同材料有限元分析結(jié)果

結(jié)果表明，鈦合金植入體、最大等效應(yīng)力分別為129.68、5.64 MPa, 鈦釘總位移為0.63 μm。Peek材料植入體、頜骨最大等效應(yīng)力分別為101.3、6.46 MPa, 鈦釘總位移為0.58 μm。鉭金屬植入體、頜骨最大等效應(yīng)力分別為142.05、6.30 MPa, 鈦釘總位移為0.52 μm(見圖4)。3組不同材料植入體、頜骨最大等效應(yīng)力和鈦釘總位移的結(jié)果相差不大，綜合考慮選擇鈦合金為打印材料。

3、討論
基于現(xiàn)有上頜骨重建手術(shù)方案的優(yōu)缺點,本文提出一種修復上頜骨缺損的個性化方案,并進行體外研究和臨床實驗驗證其有效性和實用性。 該方案流程分為三部分:
① 根據(jù) CBCT 影像數(shù)據(jù)重建患者上下頜骨,使用鏡像等功能恢復頜面部正常解剖形態(tài),同時用口腔掃描儀獲得患者咬合情況,以修復效果為設(shè)計導向進行植入體初步設(shè)計。
② 利用數(shù)字化仿真技術(shù)對植入體進行力學分析,分為兩組,第 1 組對植入體構(gòu)型進行迭代優(yōu)化,使其滿足力學要求的同時減輕重量;第 2 組對同種構(gòu)型不同材料的植入體進行有限元分析,選出適合的材料。
③ 采用 3D 打印技術(shù)打印出植入體并運用到臨床,

以臨床效果評價驗證該方案的可行性、有效性。在植入體設(shè)計部分,鈦釘固位孔的設(shè)計遵循了以下 4 個原則:
① 固位孔設(shè)計的位置要在骨量充足的地方,保證鈦釘?shù)姆�(wěn)定性;
② 要符合頜骨的解剖結(jié)構(gòu)以及避開重要解剖位置;
③ 釘子排列整齊、分布均勻。
④ 考慮臨床手術(shù)操作需求。

因此,本實驗中的鈦釘固位孔位置設(shè)計了 3 處,分別為前牙區(qū)、頜面、蝶骨翼突區(qū),因解剖結(jié)構(gòu)和骨量限制,前牙區(qū)設(shè)計了兩個固位孔,蝶骨翼突區(qū)設(shè)計了 3 個固位孔。 頜面固位孔的設(shè)計考慮到支架植入方式為口內(nèi)植入,切口較小,醫(yī)生操作術(shù)區(qū)小,且三維重建與患者實際骨質(zhì)可能會存在差異,術(shù)前設(shè)計的固位孔位置在術(shù)中也許不合適,故頜面固位孔設(shè)計較多,便于臨床手術(shù)應(yīng)變選擇。

在植入體進行構(gòu)型優(yōu)化時,選擇優(yōu)化 0 ~ 5 MPa范圍內(nèi)的節(jié)點。 植入體加載載荷后得到植入體各節(jié)點的應(yīng)力,若只選擇應(yīng)力為 0 的節(jié)點,則發(fā)現(xiàn)在植入體某些薄壁部位(如鈦釘固位孔、骨斷面接觸部位)會有缺損。 經(jīng)過多次迭代實驗,最終選擇優(yōu)化受力在 0 ~ 5 MPa 范圍內(nèi)的節(jié)點,目的是盡可能減少非承載部位且維持支架的結(jié)構(gòu)完整性。 本研究構(gòu)建了 3 種構(gòu)型。 首先,依據(jù)頜面部骨骼解剖形態(tài)等臨床因素得到構(gòu)型 A,再根據(jù)構(gòu)型 A 所受應(yīng)力分布及傳導方向,拓撲優(yōu)化具備鏤空結(jié)構(gòu)的構(gòu)型 B。

對比構(gòu)型 A、B 的有限元分析結(jié)果,最大等效應(yīng)力分別為 111. 44、167. 37 MPa,鈦釘總位移分別為 0. 52、0. 67 μm。 雖然構(gòu)型 B 應(yīng)力和鈦釘位移大于構(gòu)型 A,但遠小于屈服強度,可以保證臨床使用,且達到了輕量化的目的。 然而,由于構(gòu)型 B 單純按照受力情況優(yōu)化,在非承載部位消除所有實體結(jié)構(gòu),故導致其上存在懸空、懸臂等薄弱環(huán)節(jié)。 基于冗余設(shè)計原則,為減小植入體在臨床使用中失效概率,對構(gòu)型 B 進一步優(yōu)化,消除薄弱結(jié)構(gòu)得出構(gòu)型 C。 對比構(gòu)型 B、C 的有限元結(jié)果,最大等效應(yīng)力分別為167. 37、129. 68MPa, 鈦 釘 總 位 移 分 別 為0. 67、0. 63 μm,植入體應(yīng)力明顯減小,接近構(gòu)型 A 的分析結(jié)果。 經(jīng)過兩輪優(yōu)化,最終達到輕量設(shè)計與避免失效雙重目標。

在植入體進行材料選擇時,鈦合金、鉭金屬和Peek 材料植入體、頜骨最大等效應(yīng)力以及鈦釘總位移相差不大,但考慮到材料的物理性能,鉭金屬密度為 16. 654 g / cm3,遠大于鈦合金和 Peek材料密度,會導致植入體的質(zhì)量過大,故予以排除。 比較鈦合金和 Peek 材料,Peek 材料植入體最大等效應(yīng)力和鈦釘總位移小于鈦合金植入體,但是頜骨最大等效應(yīng)力大于鈦合金植入體下的頜骨最大等效應(yīng)力。 同時,對鈦合金和 Peek 材料植入體的最大等效應(yīng)力進行頻率分析發(fā)現(xiàn),鈦合金植入體受力情況更均勻。 因此,綜合考慮材料物理性能、植入體受力分布、頜骨受力情況等因素,選擇鈦合金打印植入體。

設(shè)計優(yōu)化完成后即為植入體加工及臨床應(yīng)用階段。 由結(jié)構(gòu)優(yōu)化和不同材料有限元結(jié)果可知,構(gòu)型 C 為最優(yōu)構(gòu)型,鈦合金為最佳材料。 將設(shè)計好的植入體數(shù)據(jù)保存為 STL 格式,傳輸?shù)?SLM-PR 成型機進行選擇性激光熔融成型。 植入體上部修復結(jié)構(gòu)采用桿卡式覆蓋義齒修復,在鈦合金植入體打印出來后,口腔義齒加工廠根據(jù)植入體上的固位樁切削出與其精準匹配的 PEEK 材料連接橋。 術(shù)后 6 個月進行復診發(fā)現(xiàn),植入體固位效果良好;術(shù)后 1 年進行上部結(jié)構(gòu)修復,最終完成咬合重建。本研究設(shè)計制造的植入體與現(xiàn)有修復方式相比,有以下優(yōu)點:

① 創(chuàng)傷面小,不需要從患者其他部位取軟、硬組織,且手術(shù)路徑為口內(nèi)植入不會在頜面部留下瘢痕; ② 手術(shù)時間短,本研究中的患者手術(shù)時間約為 3h;

③ 以修復效果為導向的設(shè)計方法能夠重建咬合,不僅恢復了患者的頜面形態(tài),更重要的是恢復了口腔功能;④ 操作可逆,若植入體發(fā)生斷裂或鈦釘松動等情況,可以取出植入體再行修復,未對患者造成其他軟、硬組織損傷。

本研究臨床效果表明,3D 打印個性化植入體可以有效恢復患者頜面部功能與美觀,具有較好的臨床應(yīng)用前景。 但由于骨缺損面積較大、面部肌肉靜態(tài)壓力、金屬材料對黏膜的刺激等原因,導致術(shù)后3 個月患者前牙區(qū)出現(xiàn)了輕微的植入體暴露。 因此,本研究還需要進一步對 3D 打印個性化植入體暴露原因進行探索,同時進一步優(yōu)化設(shè)計方案:① 對頜面部肌肉對于植入體的靜態(tài)壓力進行三維有限元分析; ② 對植入體進行失效分析和植入體疲勞的仿真分析。

4、結(jié)論
本研究提出的用于修復上頜骨大面積骨缺損的一種 3D 打印植入體的設(shè)計、優(yōu)化、制造的個性化方案可行且有效,適用于不同分類的上頜骨大面積缺損病例。 通過該方案設(shè)計優(yōu)化的植入體力學性能良好,不僅可以恢復頜面部外形,還滿足了臨床對頜骨缺損重建后咬合修復的需求。 本研究證明,3D 打印技術(shù)結(jié)合數(shù)字化仿真技術(shù)用于上頜骨缺損的修復可以得到良好的實際效果,具備廣闊的臨床應(yīng)用前景和重要指導意義。

參考文獻：略