3D打印定制化钛缺损替代物修复的下颌骨在3种加载方式下三维有限元应力分析

高俊武 汪慧渊 高 琳

1.包头医学院，内蒙古包头 014040；2.内蒙古科技大学，内蒙古包头 014040

肿瘤、炎症等可能造成下颌骨缺损，影响面部形态、咀嚼、吞咽等功能[1]。常规修复方法存在骨瓣塑形困难、手术时间较长、次数多[2]、创伤大、咀嚼功能恢复差等弊端[3]，尤其不能做到定制化修复，形态只能达到大致相似的修复水平，功能性修复难度更大。

现在利用3D打印（3D printing）技术可以达到形态上定制化修复的目的[4-6]。但需要进一步研究这种修复体对下颌骨的生物力学环境有何影响。本研究的初衷是采用有限元法对修复后的下颌骨在正中咬合（ICP）、前牙咬合（INC），侧方咬合（RMOL）3种不同加载状态的应力分布进行分析。力求对以后修复体的优化设计提供一定的思路，最大限度满足生物学要求。

1 资料与方法

1.1 一般资料

1.2 研究方法

首先CT平扫下颌骨：扫描范围上界为眶上缘，下界为下颌骨下缘，在CT工作站对CT影像进行三维与多平面重建。然后将上述数据导入图形软件MIMICS17中重建，调节灰度值（Thresholds）来识别出目标区域，并对其进行三维运算，然后把以3D形式显示的目标区域保存成.stl格式待用。在Geomagic Studio12中对目标进行“抽壳”操作，确定下颌骨缺损范围（模拟左侧体部部分缺损），设计出替代物3D模型。替代物由行使缺损修复功能的“体部”和起到固位功能的“固定板”两部分构成。“体部”长2.2 cm，宽1 cm，厚1 mm，高1.5 cm。“固定板”长1.6 cm，高1.2 cm，厚1 mm。在软件中生成直径为2.5 mm的圆柱体，通过该圆柱体与修复体的“布尔操作”在“体部”打出6个直径为2.5 mm的圆孔。同时在“固定板”相应位置生成6个长7 mm，直径3 mm的圆柱体来模拟固定用钛钉。分别将各模型保存成.iges文件备用。最后将上述各模型的.iges文件分别导入Ansys10.0中组合后进行一系列特定操作，进行力学分析。

1.2.1 边界约束和荷载大小及方向的确定 为了模拟功能状态下的下颌骨，将髁突顶点按铰链支撑处理，对下颌牙牙面进行约束，用以模拟ICP；对下颌前牙进行约束，模拟INC；对健侧（右侧）后牙牙面进行约束，模拟右侧RMOL。根据咬肌（浅深）、颞肌、翼内肌、翼外肌的解剖位置确定各咀嚼肌附着的节点号。由Fimax=PA[7]计算出各咀嚼肌最大咀嚼肌力的大小。P为内在强度常数4×105N/m2，A为各咀嚼肌的横断面面积。取最大咀嚼肌力的1/2为实际加载力量。本实验采用的相关咀嚼肌肌力向量参考相关文献[8]，见表1。

表1 咀嚼肌各咬合状况下的肌力值及方向

1.2.2 实验假设条件 模型中的各组织材料均为线弹性材料[9]。其各自弹性模量与泊松比参考相关文献[10-12]，见表 2。

表2 各组织材料属性

1.2.3 观察部位及指标 ①不同工况下双侧髁突应力分布情况。②不同工况下定制化替代物的应力情况。

2 结果

以Von Mises应力为观测指标

2.1 替代物修复后的下颌骨三维有限元模型的建立

将上述各模型导入软件Ansys10.0，通过布尔操作等一系列特定的处理后，最后以Solid45/Solid65对各模型进行网格划分，得到一个具有22 928个节点，101 251个单元的定制化替代物修复后的下颌骨三维有限元模型（图1）。

图1 替代物修复下颌骨网格图

2.2 三种工况下下颌骨和替代物的应力云图

在该三维有限元模型上进行3种不同边界约束条件和荷载分布后计算得到三种不同工况下的Von Mises应力云图。其中A工况：ICP；B工况：INC；C 工况 RMOL）。图 2～7。

图2 A工况下颌骨

图3 B工况下颌骨

图4 C工况下颌骨

图5 A工况替代物

图6 B工况替代物

图7 C工况替代物

2.3 生物力学分析结果

2.3.1 A工况力学分布情况 A工况与正常下颌骨相比较，除在双侧髁突前斜面（关节翼肌窝）及颈部应力不对称外（健侧应力值25.31 MPa，患侧为6.57 MPa），双侧髁突的顶部、后斜面等部位应力值大小无明显差异。应力在替代物上总体分布较均匀，应力集中区出现在“体部”和“固定板”的移行处，最明显的地方出现在靠近健侧下颌骨下缘处，最大应力值为139.01 Mpa。

2.3.2 B工况力学分布情况 B工况条件下定制化替代物修复后的下颌骨各部位应力分布不均。双侧髁突及颈部应力不对称, 患侧前斜面（翼肌窝）46.62 Mpa，后斜面20.13 Mpa。健侧前斜面（翼肌窝）24.23 Mpa，后斜面6.66 Mpa。在替代物固定板附着处的下颌骨出现明显的应力集中，尤以下颌骨下缘近缺损处为甚，最大应力值为995.71 MPa。替代物应力分布总体上趋势与A工况一致。

2.3.3 C工况力学分布情况 C工况条件下定制化替代物修复后的下颌骨两侧应力分布大致均匀。双侧髁突及颈部应力不对称, 患侧前斜面（翼肌窝）37.82 Mpa，后斜面6.2 Mpa。健侧前斜面（翼肌窝）28.15 Mpa，后斜面5.83 Mpa。与B工况一样，在替代物固定板附着处的下颌骨出现明显的应力集中，尤以下颌骨下缘近缺损处为甚，最大应力值为521.65 MPa。

3 讨论

人的颞下颌关节结构精细而复杂[9-13]。为了使实验得出的结论更客观准确，本研究将髁突顶点按铰链支撑处理，限制了Z方向上的自由度，X和Y方向上不做限制，从而较好的模拟了下颌骨三种基本运动方式，符合其生理状态。较为真实的模拟了颞下颌关节的运动[14]。

研究结果显示，替代物修复下颌骨后，下颌骨应力出现异常变化，而这一变化在两侧的髁突前斜面，尤以关节翼肌窝处最为明显，这与以往的研究结果一致[15]。具体来看：正中咬合时左右关节翼肌窝应力值差值为18.74 Mpa；前伸咬合时应力值差值为22.39 Mpa；侧方咬合时应力值差值为9.67 Mpa。可以看出前牙咬合时整个下颌骨的应力分布趋势变化明显大于正中及后牙咬合时，变化趋势最明显处位于髁突前斜面，提示咬合部位对髁突前斜面的受力有重要影响。同时，前牙咬合时在替代物“体部”与“固定板”移行区及其附着处的下颌骨出现的应力集中情况、最大应力值也分别明显大于侧方咬合时的情况。可以看出后牙加载时下颌骨的生物力学行为明显优于前牙加载时，提示术后需进食流质或使用后牙咀嚼软食并避免前牙咬合。

目前利用3D打印技术制造的下颌骨替代物，虽然可以在外形上做到定制化、个体化的修复，完美解决下颌骨形态恢复上的难题。但本实验结果显示这种替代物对下颌骨原有的生物力学环境产生了影响，这就提示应该对下颌骨替代物进行设计优化，使其修复后下颌骨应力分布最大程度接近生理状态，减小其对下颌骨生物力学环境的不良影响，避免颞颌关节疾病产生。修复不仅仅是形态上的，更应该是功能上的。