关键词： 有限元分析   无托槽隐形矫治器   磨牙远移   支抗钉   精密切割   弹性牵引  

摘要： 背景:支抗钉辅助无托槽隐形矫治器远移磨牙是临床中常用的矫治方法,而支抗钉不同植入位置及不同牙位的精密切割会对矫治效果产生影响。目的:运用有限元分析不同牙位精密切割及颊、腭侧支抗钉辅助无托槽隐形矫治器远移磨牙的生物力学效应。方法:通过整合志愿者锥形束CT及Itero口内扫描数据构建高精度有限元模型,模拟支抗钉联合精密切割行弹性牵引辅助无托槽隐形矫治器,同时远移上颌第一、二磨牙,设计远移量为0.2 mm。基于颊侧支抗钉、腭侧支抗钉及尖牙处和第一前磨牙处精密切割的设计,建立4组工况,分别为颊侧支抗钉配合在尖牙颊侧做精密切割、颊侧支抗钉配合在第一前磨牙颊侧做精密切割、腭侧支抗钉配合在尖牙舌侧做精密切割、腭侧支抗钉配合在第一前磨牙舌侧做精密切割。使用ANSYS软件分析各工况中上颌牙齿在三维方向的位移趋势及牙周膜最大等效应力。结果与结论:①无论精密切割位于尖牙还是第一前磨牙,相较于颊侧支抗钉,腭侧支抗钉能增大上颌磨牙远移量、减少前磨牙近中移动和前牙唇倾趋势,磨牙牙周膜最大等效应力增大,前牙牙周膜最大等效应力减小;②无论支抗钉位于颊侧还是腭侧,相较于在第一前磨牙处做精密切割,在尖牙处做精密切割时,前牙唇倾趋势减小,磨牙远中移动量减小,前磨牙近中移动量增大,磨牙及前牙牙周膜最大等效应力均减小;③无论支抗钉位于颊侧还是腭侧、精密切割位于尖牙还是第一前磨牙,磨牙均无法实现整体移动;④结果显示,无托槽隐形矫治器配合腭侧支抗钉及在第一前磨牙处做精密切割更有利于提高上颌磨牙远移效率,但需要注意保护前牙支抗及磨牙转矩控制;无托槽隐形矫治器配合腭侧支抗钉及在尖牙处做精密切割更有利于远移磨牙后内收前牙,但磨牙远移效率会相对减小。

关键词： 舌骨   舌骨上肌群   吞咽障碍   生物力学   有限元   工程化骨组织  

摘要： 背景:目前对于吞咽障碍的临床研究较多,而吞咽障碍状态对骨骼及舌骨肌群应力影响的研究较少。目的:建立吞咽肌骨三维模型,探讨吞咽运动中舌骨及舌骨上肌群的应力变化。方法:选取1名健康成年男性并拍摄头颈部CT,通过影像数据提取法构建三维模型。根据舌骨的位移情况,设定舌骨的最低位置及最高位置,依次加载舌骨上肌群的肌力,观察生理状态下舌骨上肌群对舌骨的应力影响。通过改变肌肉的材料属性,模拟不同程度吞咽障碍,观察吞咽异常状态下舌骨上肌群的应力变化。结果与结论:①建立了包含C2-C4椎体、部分颞骨、下颌骨、舌骨及下颌舌骨肌-颏舌骨肌的有限元模型,可反映患者吞咽时舌骨位移情况及应力变化。②生理状态下,舌骨上肌群中下颌舌骨肌对舌骨的应力影响最大,其次是二腹肌、颏舌骨肌及茎突舌骨肌。③通过模拟不同程度的吞咽障碍,发现随着吞咽障碍严重程度增加,舌骨上肌群的应力也逐渐增加。④结果说明,舌骨上肌群中下颌舌骨肌及二腹肌对舌骨应力影响较大,提示特定肌肉刺激的重要性。吞咽障碍的加重与舌骨上肌群的应力改变呈正相关,该结果为吞咽障碍的机制研究及临床诊疗提供了生物力学参考。

关键词： 牙周膜   3D打印   个性化正畸装置   单根牙   旋转移动   三维有限元分析   口腔生物力学  

摘要： 背景:在正畸治疗中,治疗单根重度扭转牙通常采用全口的治疗方法,针对单颗牙治疗方法较少。目的:基于生物力学原理设计了使11,12,13,21,22,23牙位旋转移动的个性化正畸装置,通过三维有限元法研究其对牙齿的移动作用。方法:基于牙齿旋转移动的生物力学原理,通过数字化设计结合3D打印制作个性化的正畸装置,使个性化正畸装置与牙齿形成支抗系统。利用微种植体的绝对支抗作用对单根扭转牙在三维方向上进行精准控制。采集1名女性志愿者上颌牙槽骨及牙体组织的锥体束CT数据,应用Mimics、Geomagic Wrap、SolidWorks、3-matic Research 15.0、Ansys Workbench软件分别建立了扭转牙-牙周膜-上颌骨-个性化正畸装置的三维有限元模型。计算在加载60 g推力下,个性化正畸装置的等效应力分布特点、牙齿的运动趋势与牙周膜等效应力分布特点。结果与结论:①个性化正畸装置受到的最大等效应力为47.71 MPa;②在个性化正畸装置作用下牙齿初始位移呈现旋转移动趋势,牙周膜的等效应力峰值集中的区域位于牙周膜颈部,而等效应力较低的区域位于根尖区;③通过有限元分析法初步验证了该上颌单根牙重度扭转时的个性化正畸装置具有安全性与可行性。

关键词： 有限元分析   All-on-4   咬合接触   应力分布   种植修复   工程化口腔材料  

摘要： 背景:All-on-4种植固定义齿的长期修复效果与生物力学问题密切相关,其中咬合设计影响修复体各部位的应力分布,然而,国内外目前有关All-on-4种植固定义齿的生物力学研究较少且无定论。目的:分析不同咬合接触对下颌All-on-4种植固定义齿应力分布的影响。方法:建立下颌All-on-4种植固定义齿的模型,通过改变加载力的大小、方向和加载部位,设置了10种加载工况,模拟正中咬合、侧方咬合和前伸咬合,通过在不同牙位上加载模拟不同的咬合接触类型,分析比较各组模型不同加载工况中模型各部分的应力分布和最大应力值。结果与结论:①各组模型的应力分布云图基本相似,种植体应力主要集中在种植体颈部,周围骨组织的应力主要集中在种植体颈部周围,并且皮质骨的应力明显高于松质骨;基台的应力主要集中在基台与种植体和基台与上部修复体连接的部位,上部修复体中钛支架的应力主要集中在基台与钛支架连接部位,上部修复体中树脂面的应力主要集中在各加载点上;②模拟正中咬合中,末端悬臂不加载时种植体的最大Von-Mises应力值明显增大,说明下颌All-on-4种植固定义齿在正中咬合时末端悬臂区可有咬合接触;③模拟侧方咬合中,在模拟尖牙保护[牙合]工况中模型各部分的最大Von-Mises应力值明显增大;模拟平衡[牙合]工况中模型各部分的最大Von-Mises应力值较组牙功能[牙合]工况略低,说明下颌All-on-4种植固定修复在完成骨整合永久修复时,为了提高咀嚼效率,可选择组牙功能[牙合],种植术后即刻修复时可选择平衡[牙合];④模拟前伸咬合中,只在前牙区加载时模型各部分的最大Von-Mises应力值明显增大;模拟平衡[牙合]工况中,后牙区加载点在悬臂区和在悬壁区前方时模型各部分的最大Von-Mises应力值较小,说明下颌All-on-4种植固定修复义齿前伸运动的咬合接触可选择前伸平衡[牙合]。

关键词： 牙槽骨高度   种植修复体   上颌窦内提升   动态载荷   咬合   应力   骨组织   植骨   有限元分析  

摘要： 背景:在口腔种植修复领域,上颌后牙区域常面临由多重因素交织导致的骨量萎缩问题,这一现象极大地提升了手术的复杂性。为了增进手术远期成功率,缓解患者承受的不适,同时追求手术流程的简化与时间的缩短,上颌窦内提升技术是无需额外植骨的即刻负重方法,已成为一种广泛应用的策略。针对不同剩余牙槽骨高度的个体情况,精准选择适宜的种植修复方案,对于确保种植体的长久稳定性和维持周围骨组织的健康水平而言,具有至关重要的决定性作用。目的:利用三维有限元法分析不同牙槽骨剩余骨高度条件下植骨或不植骨时,上颌磨牙即刻负重模拟口腔动态咬合过程对种植体、骨组织应力分布的影响。方法:获取1例需提升上颌窦区域行种植修复患者的锥形束CT数据,通过Mimics 21.0软件建立上颌骨模型。将颌骨模型导入Solidworks 2017软件后,分别构建上颌第一磨牙牙槽骨高度10 mm常规单冠修复体模型和牙槽骨高度7,5,3 mm植骨或不植骨单冠修复体模型。在ANSYS Workbench 17.0软件中模拟后牙动态咬合过程,分别在上颌第一磨牙功能尖颊舌斜面进行动态加载,分析不同牙槽骨高度植骨与否在即刻动态加载下周围骨组织的应力分布情况。结果与结论:①在不同牙槽骨高度组中,种植体于咬合周期各阶段均显示应力集中于颈缘骨组织;②对于植骨与不植骨各剩余牙槽骨高度的情况,种植体周边骨应力增长最大幅度均现于第三阶段(>0.150-0.260 s),在第四阶段(>0.260-0.300 s)等效应力均达峰值;牙槽骨高度3 mm时,不植骨组各咬合阶段等效应力峰值均较植骨组增大;牙槽骨高度5 mm时,不植骨组在第三、四阶段周围骨应力较大;牙槽骨高度7 mm时,植骨与否对应力分布不足以引起关注;③在不植骨情况下,随剩余牙槽骨高度减少,应力分布范围扩大,最大应力范围更为集中,特别是牙槽骨高度3 mm及5 mm时,应力分布范围不仅限于种植体颈部,还扩展至上颌窦底。

关键词： Gyroid结构   壁厚   髁突假体   有限元分析   关节盘   颞下颌关节  

摘要： 背景:人工髁突假体置换作为治疗颞下颌关节疾病的手术方式之一,不仅要恢复形态和功能,还要保证长期稳定的应用。目的:设计个性化Gyroid结构髁突假体并进行有限元分析。方法:通过软件设计不同壁厚(250,350,450,550,650,750μm)的Gyroid结构试件,分别进行有限元模拟压缩实验,检测试件的弹性模量,筛选出与下颌骨松质骨弹性模量相匹配且孔径满足成骨条件的Gyroid结构壁厚区间,对此区间进行细分并利用3D打印技术制作Gyroid结构试件,进行万能试验机力学压缩实验,通过弹性模量与抗压强度筛选符合下颌骨力学性能、孔径更易成骨且强度较小的Gyroid结构壁厚,进行后续实验。设计下颌骨个性化Gyroid结构髁突假体三维模型,分别模拟模型在自然咬合状态下对刃颌位、牙尖交错位的有限元分析。结果与结论:①有限元分析结果显示,随着壁厚的增加,Gyroid结构试件的弹性模量升高,其中壁厚350,450,550,650,750μm Gyroid结构试件的弹性模量与下颌骨松质骨弹性模量相匹配,由于后续实验需细分组别且550,650,750μm壁厚组孔径(800-1000μm)在成骨范围内,故筛选出壁厚550,600,650,700,750μm Gyroid结构试件进行万能试验机力学压缩实验;②力学压缩实验结果显示,随着壁厚的增加,Gyroid结构试件的弹性模量与抗压强度升高,其中壁厚550,600,650μm Gyroid结构试件的弹性模量在下颌骨松质骨弹性模量范围内,最终选取壁厚650μm、孔径900μm进行下颌骨个性化Gyroid结构髁突假体三维模型构建;③下颌骨个性化Gyroid结构髁突假体三维模型有限元分析结果显示,对刃颌位关节盘应力主要集中在前中带下表面,牙尖交错位关节盘应力主要集中在下表面外侧,左右侧关节盘在对刃颌位、牙尖交错位的最大位移和等效应力相近,最大位移分别为0.031,0.030,0.028,0.018 mm,最大等效应力分别为2.87,2.30,2.73,1.71 MPa;④结果表明,壁厚650μm Gyroid结构符合下颌骨力学性能,降低了钛合金强度、减轻了个性化Gyroid结构髁突假体对关节盘的损伤。

关键词： Gradient structure   Plasticity gradient   Dislocation density   Strain gradient   Stress gradient   Crystal plasticity finite element  

摘要： Gradient structures (GS) play a crucial role in achieving a balance between strength and plasticity in metals and alloys. However, there is still a lack of understanding of the mechanisms that maintain a plasticity gradient to prevent the premature failure of fine grains in GS materials. In this work, by incorporating experimental data and the Hall-Petch relationship, we develop a size-dependent crystal plasticity model to investigate the deformation mechanisms for enhancing the strength and plasticity in polycrystalline high entropy alloys. The simulations of the GS model align well with the experimental results, exhibiting strong strain and stress gradients to improve the mechanical properties. Under the conditions of significant deformation incompatibility, the strain gradient predominantly drives the enhancement of plasticity mechanisms. As the deformation incompatibility decreases, the stress gradient begins to play a significant role in comparison with the strain gradient. This shift is attributed to the regular variations in dislocation density within different domains. As the grain size gradients and loads decrease, the dislocation density becomes more uniform across the domains, hindering the formation of strong domain boundaries. While this may impede the activation of strain gradients, it facilitates the activation of stress gradients as a supplementary measure. By designing multilayered GS structures to alter the distribution of dislocation density, we can control the activation levels of stress and strain gradients, thereby influencing the plasticity mechanisms and mechanical properties of the material. (sic)(sic)(sic)(sic)(sic)(sic)(sic)(sic)(sic)(sic)(sic)(sic)(sic)(sic)(sic)(sic)(sic)(sic)(sic)(sic)(sic)(sic)(sic)(sic)(sic)(sic)(sic)(sic)(sic)(sic). (sic)(sic), (sic)(sic)(sic)(sic)(sic)(sic)(sic)(sic)(sic)(sic)(sic)(sic)(sic)(sic)(sic)(sic)(sic)(sic)(sic)(sic)(sic) (sic)(sic)(sic)(sic)(sic)(sic)(sic)(sic)(sic)(sic)(sic)(sic)(sic)(sic)(sic)(sic). (sic

关键词： 全皮质骨螺纹螺钉   改良皮质骨轨迹   腰椎   轴向抗拔出力   螺钉稳定性   螺钉抗旋出扭矩   有限元分析   生物力学  

摘要： 背景:骨质疏松骨小梁结构不足以维持螺钉把持力,常导致脊柱内固定失败,现今主要通过以下4个方面进行解决:①螺钉自身材质;②表面涂层的处理;③钉道固化策略;④螺钉形状.改良皮质骨轨迹置钉技术的钉道已被证实有良好的固定效果,但目前急需研发与之配套的螺钉. 目的:通过有限元分析法比较不同脊柱皮质骨螺纹螺钉在腰椎改良皮质骨轨迹置钉中的生物力学性能差异. 方法:根据3具成人湿性腰椎标本(2男1女)的CT数据构建L4椎体模型,并进行有限元分析.在改良皮质骨轨迹置钉技术中使用全皮质骨螺纹螺钉(单螺纹螺钉),螺钉全长45 mm,直径为5.5 mm和4.5 mm,分别作为A、B组;与传统椎弓根螺钉技术组(C组,直径6.0 mm、长度45 mm,双螺纹螺钉)和皮质骨轨迹置钉技术螺钉组(D组,直径4.5 mm、长度45 mm,双螺纹螺钉)进行对比.通过测定轴向抗拔出力、螺钉稳定性(上、下、左、右载荷位移比)、螺钉抗旋出扭矩比较各组螺钉的固定强度. 结果与结论:①轴向抗拔出力:A组＞B组(P=0.003),且A、B组均＞C组(P＜0.001,P=0.003)和D组(均P＜0.001);②螺钉稳定性:在螺钉上、下两个方向施加载荷时,4种螺钉载荷位移比值为A组＞B组(P＞0.05),且A、B组＞C组(均P＜0.001)和D组(均P＜0.001);③螺钉抗旋出扭矩:A组＞B组(P=0.008),且A、B组均＞C组(P=0.008,P=0.131);④提示在腰椎改良皮质骨轨迹置钉过程中,新型脊柱全皮质骨螺纹螺钉的力学性能与双螺纹螺钉在临床经典的椎弓根置钉轨迹及皮质骨轨迹中应用相比,具有更好的生物力学性能;且新型脊柱全皮质骨螺纹螺钉(D=5.5 mm、L=45 mm)可作为改良皮质骨轨迹置钉技术钉道最佳的适配.

关键词： 耻骨上下支骨折   经皮逆向空心螺钉   微创经皮钢板   逆行耻骨上支髓内钉   有限元分析   生物力学  

摘要： 背景:经皮逆向空心螺钉、微创经皮钢板广泛应用于单侧耻骨支骨折中,但存在误穿髋关节和损伤骨盆内侧滋养动脉等缺点。一种新型逆行耻骨上支髓内钉治疗骨盆前环骨折拥有透射次数少和手术时间短等优点,但目前缺乏上述3种内植物生物力学特征的验证。目的:通过有限元分析方法,比较在不同工况下经皮逆向空心螺钉、微创经皮钢板和逆行耻骨上支髓内钉治疗耻骨上下支骨折的生物力学差异。方法:收集1名志愿者的骨盆CT数据,将数据导入mimics 20、Geomagic Wrap 2021、Soildworks 2019中,建成3种内固定治疗单侧耻骨支骨折的几何模型,分别为空心螺钉组、钢板组、髓内钉组。分别将上述模型导入Ansys 2022软件设置垂直工况、开书样工况、剪切工况进行前处理和计算,比较分析内植物的力学稳定性。结果与结论:①在垂直工况下,空心螺钉治疗单侧耻骨骨折的生物力学稳定性较钢板和髓内钉更为优秀,其内植物应力峰值最小,其余两组对比空心螺钉组峰值增加4倍以上;②在开书样工况下,钢板治疗单侧耻骨骨折有更好的生物力学稳定性,钢板组降低耻骨上支断端应力有较好表现,其他两组的应力较钢板组增加5倍以上;③在剪切工况下,髓内钉治疗单侧耻骨骨折表现出良好的生物力学稳定性,其维持骨盆位移效果最佳,其他两组骨盆位移比髓内钉组增加了25%以上;④提示不同内植物在生物力学上存在差异性:逆行经皮空心螺钉在垂直工况下内植物应力峰值最小,微创经皮钢板在开书样工况下减小耻骨上支断端应力最优,逆行耻骨上支髓内钉在剪切工况下骨盆位移最小,可以将内植物生物力学差异性与患者临床实际情况相结合,选择最优内植物治疗方式。

关键词： 骨质疏松   胸腰段椎体压缩骨折   椎体强化   终板   椎间盘   个体化穿刺   生物力学   有限元分析   骨科植入物  

摘要： 背景:个体化精准穿刺入路是近年来提出椎体强化治疗的新型入路方式,并且已经取得了良好的临床疗效,但仍缺少相关生物力学研究。目的:采用有限元分析方法探讨个体化精准穿刺椎体强化治疗对骨质疏松性椎体压缩骨折椎体终板以及椎间盘生物力学的影响。方法:使用3例已完成个体化精准穿刺椎体强化治疗的骨质疏松性椎体压缩骨折患者术前和术后的CT影像资料,建立楔形型、双凹型、塌陷型术前和术后共6个模型。在椎体垂直方向加载500 N力矩和10 N/m旋转力矩,模拟正常椎体的生理活动,包括前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左旋转和右旋转,观察个体化精准穿刺椎体强化治疗后不同类型骨折椎体终板、邻近终板以及椎间盘的应力变化。结果与结论:①成功建立了个体化精准穿刺椎体强化术前和术后脊柱功能单元的三维有限元模型;②个体化精准穿刺椎体强化术后,楔形型、双凹型及塌陷型骨折椎体终板和邻近椎体终板的最大von Mises应力值均有一定程度的减小;楔形型邻近椎体T_(10)下终板和塌陷型邻近椎体L1上终板的术后最大von Mises应力值增加;③个体化精准穿刺椎体强化术后,3种有限元模型的相邻椎间盘整体最大von Mises应力值均减小;④结果表明,个体化精准穿刺椎体强化治疗可在一定程度上减轻楔形型、双凹型和塌陷型椎体终板的最大von Mises应力值,降低术后椎体再骨折的风险;此外,还可减轻椎间盘的最大von Mises应力值,理论上也能够在一定程度上缓解椎间盘退变。