关键词： 节段性骨缺损   Gyroid结构   3D打印   选择性激光熔融   有限元   力学性能  

摘要： 背景:三周期最小表面的多孔结构是最有前景的骨科生物结构之一,其中的Gyroid结构具有高比表面积、高渗透率、均曲率为零等特点。目的:通过有限元分析结合力学压缩实验测试,筛选出与下颌骨松质骨弹性模量范围相匹配的4 mm单胞Gyroid结构TC4仿生骨支架壁厚区间。方法:建立不同壁厚(0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8 mm)4 mm单胞Gyroid结构有限元模型,分析Gyroid结构的等效弹性模量,筛选出与下颌骨松质骨弹性模量范围相匹配的Gyroid结构壁厚区间,壁厚分别为0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7 mm。根据有限元分析筛选结果,以Ti6Al4V为原料,采用选择性激光熔融技术制备不同壁厚的3D打印Gyroid结构试件,进行大颗粒喷砂酸蚀处理,通过力学压缩实验测试试件的弹性模量与抗压强度。结果与结论:(1)有限元分析结果显示,随着壁厚的增加,Gyroid结构的等效弹性模量升高,其中壁厚为0.2-0.7 mm Gyroid结构的等效弹性模量在下颌骨松质骨弹性模量范围内(1.5-4.0 GPa),用于3D打印Gyroid结构试件;(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均升高,其中0.3-0.5 mm壁厚Gyroid结构试件的弹性模量在下颌骨松质骨弹性模量范围内,0.3-0.7 mm壁厚Gyroid结构试件的抗压强度符合下颌骨的力学性能;(3)结果显示0.3-0.5 mm壁厚Gyroid结构与下颌骨的弹性模量范围相适应。

关键词： 三维有限元分析   上前牙缺失   种植体   钛   钛锆合金   氧化锆   聚醚醚酮  

摘要： 背景:种植修复已成为治疗前牙缺失的重要手段,选取合适的种植修复材料尤为重要,但目前临床应用的种植体材料均存在一定的不足,研究者们一直在探索合适的种植体材料。目的:对比不同材料种植体修复单颗上前牙缺失的生物力学特征。方法:将1例单颗上颌中切牙缺失患者的锥形束CT数据导入3-matic软件建立单颗上前牙缺失的三维有限元分析模型,将模型导入Marc Mentat中,根据不同的种植体材料(聚醚醚酮、钛锆合金、钛合金和氧化锆,4种材料的弹性模量依次升高)及松质骨密度(高密度、低密度)共设计8组种植体修复模型,模拟正中咬合时上前牙受力情况,比较分析种植体位移、应力以及骨皮质应力和骨松质应变。结果与结论:(1)随着种植体材料弹性模量的增加,种植体的最大位移逐渐降低,聚醚醚酮组种植体最大位移数值超过了10μm;模型中种植体应力集中于唇侧颈部,随着种植体材料弹性模量的增加,种植体最大应力逐渐增大,其中氧化锆-低密度骨质组模型种植体应力最高,达21.31 MPa;所有模型的皮质骨应力均集中于与种植体交界的唇侧皮质骨,聚醚醚酮-低密度骨质组皮质骨应力最高,为29.90 MPa。(2)从生物力学角度来看,钛锆合金、钛合金、氧化锆均可用作修复单颗上前牙缺失的种植体材料,但单纯聚醚醚酮材料在上前牙区种植修复时可能会引起种植体位移过大,导致种植失败。

关键词： 隐形矫治器   内收前牙   弹性模量   膜片厚度   有限元分析   生物力学  

摘要： 背景:隐形矫治器因其特殊的材料性能,在拔除上颌第一前磨牙内收前牙关闭间隙过程中更易发生“过山车效应”,牙齿倾斜移动,导致前牙覆牙合加深、后牙开牙合。是否可以通过改变矫治器厚度或刚性减轻“过山车效应”,更好地控制正畸牙移动,目前相关研究较少。目的:通过三维有限元分析不同厚度及刚性隐形矫治器内收上颌前牙时控制牙齿移动能力方面的差异。方法:将侧貌凸患者的锥形束CT数据导入Mimics等软件,模拟临床病例,构建去除第一前磨牙后包括上颌骨、牙齿、牙周膜的三维有限元模型,装配0.50,0.75 mm 2种厚度膜片的隐形矫治器,通过软件加载1000,2000 MPa 2种弹性模量的材料属性,总共构建4组模型工况。按照临床矫治方案设计关闭拔牙间隙,在Workbench 2023 R1软件中加载并计算,分析牙周膜应力分布、牙齿位移趋势及牙齿初始位移量。结果与结论:(1)4种模型工况下的牙周膜Von-Mises应力分布规律一致,牙周膜最大等效应力主要分布在牙颈部,并且矫治器膜片越厚牙周膜Von-Mises应力越大、矫治器膜片弹性模量越大牙周膜Von-Mises应力越大;(2)4种模型工况下的上颌牙列整体位移趋势为前牙冠舌向、根唇向的移动,后牙冠近中移动、根远中移动,牙齿的冠、根位移方向均相反,牙冠位移量大于牙根位移量;除尖牙外,其余牙齿均呈现矫治器膜片越厚R/C值(牙根移动量与冠移动量比值)越小、矫治器膜片弹性模量越大R/C值越小的趋势;(3)结果表明,利用隐形矫治器内收上颌前牙时,在不设计切牙转矩补偿的情况下牙齿表现为倾斜移动趋势,矫治器厚度和弹性模量越大时对牙齿控的制能力越强,牙齿倾斜移动趋势减小;尖牙则需通过其他辅助手段进行控制。

关键词： 超短种植体   三维有限元   不同骨质   应力分布   骨组织  

摘要： 背景:有研究利用三维有限元方法分析了种植体在不同皮质骨厚度中的应力情况,得出皮质骨厚度影响种植体-骨界面位移值、等效应力值及种植体各部件等效应力值的结果。目前超短种植体在不同下颌骨骨质中的临床应用还存在不确定性。目的:利用三维有限元法分析超短种植体在下颌骨不同骨质中的应力分布及骨组织的应力分布情况。方法:选取1名下颌第1磨牙缺失患者的CT影像资料,利用Mimics软件创建下颌骨第1磨牙区域的模型,根据超短种植体奥齿泰系统中5 mm×5 mm TSⅢ型号绘制出所需要的植体及上部修复体模型,使用Geomagic Studio的偏置命令获取下颌4类不同骨质的模型(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类),将所有模型整合并交叉组合,给予不同方向载荷,分析各类模型受力后的范氏等效应力分布。结果与结论:(1)垂直载荷时:皮质骨最大应力在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类骨质中相对于Ⅳ类骨更趋向于稳定,力也从分散于种植体周围到Ⅳ类骨时逐渐集中至种植体颈部与皮质骨连接处;Ⅰ类骨中最大等效应力峰值在中央螺丝区域,Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类骨中最大应力峰值则统一在种植体颈部与基台连接处。(2)侧向载荷时:皮质骨最大应力随着骨质条件的减弱呈逐渐增大的趋势;Ⅰ-Ⅳ类骨质中,最大应力峰值都集中在种植体与基台连接处,Ⅰ-Ⅲ类骨中种植体本身所受应力随着骨质的减弱表现出逐渐增大的趋势,到Ⅳ类骨时应力有所减小,此规律同样适用于修复体基台以及松质骨所受应力。(3)各类骨质中侧向载荷时所受到的最大应力值比垂直向载荷更大。

关键词： 有限元分析   应力分析   牙髓根尖周病   根管治疗   开髓   根管预备   根管充填   修复   工程化口腔材料  

摘要： 背景:根管治疗后牙髓根尖周病变患牙往往因失去较多健康牙体组织等原因导致抗折强度降低,如何增强牙齿抗折强度一直是临床医生密切关注的问题。有限元分析能直观地展示不同状态下患牙各个部分的受力情况,对牙体结构和材料力学性能等进行综合分析。目的:综述有限元分析在牙髓根尖周病根管治疗中的应用进展,并对未来的发展趋势进行展望。方法:在PubMed、Web of Science数据库和中国知网、万方数据库、维普数据库、中国生物医学文献服务系统中检索使用有限元法分析牙髓根尖周病根管治疗的相关文献,英文检索词为“FEA,finite element analysis,stress analysis,root canal treatment,pulp opening,root canal preparation,root canal filling,restoration”,中文检索词为“有限元分析,应力分析,牙髓根尖周病,根管治疗,开髓,根管预备,根管充填,修复”,最终纳入103篇文献进行综述。结果与结论:有限元分析可以通过构建牙体及周围组织的有限元模型分析牙齿在咀嚼、咬合等过程中的应力分布和变形情况。借助有限元分析,临床研究者能够对牙髓根尖周病根管治疗中不同开髓洞型、根管预备方式、根管充填材料及修复方案等对牙体力学性能的影响进行分析,从而选择出最佳的治疗方案,提高治疗效果和患者预后。有限元分析有助于医生在临床治疗中减少牙体组织的损失,提高治疗效果和患者预后。有限元模型是对实际情况的简化,需结合临床试验进行综合分析。

关键词： 编织支架   生物可降解材料   镁合金   铁合金   支架结构   径向支撑性能   狗骨率   有限元分析  

摘要： 背景:编织支架因良好的柔顺性被广泛应用于狭窄动脉的治疗,但在提供足够的径向支撑性能方面存在明显局限。目的:针对单一材料制成的编织支架存在径向支撑力不足的问题,采用不同力学参数的生物可降解材料混合编织支架,探究影响混编支架径向力学性能的影响因素。方法:在镁合金支架中引入铁合金纱线,采用有限元分析法对不同编织参数的混编支架进行参数化分析,通过与0.18 mm直径镁合金纱线制备的普通支架进行对比,评估其径向支撑力、径向回弹率和扩张不均匀性。结果与结论:①当铁合金纱线直径为0.18 mm和0.14 mm时,随着铁合金纱线数量的增多,混编支架的径向支撑力增加;此时,尽管直径0.14 mm铁合金纱线提供的径向支撑力小于同数量的0.18 mm铁合金纱线,但增加细铁合金纱线的数量可以达到与较粗铁合金纱线混编支架相媲美的径向支撑力。当铁合金纱丝直径为0.10 mm时,随着铁合金纱线数量的增加,混编支架的径向支撑力降低。②增大编织角度,混编支架的径向支撑力降低,但其径向回弹率和狗骨率得到了改善。通过降低编织角可以改善小直径铁合金纱线造成的支架径向支撑力不足。③结果显示,在镁合金支架中引入铁合金纱线,可以实现在不增加纱线直径的情况下精确地调整支架的径向力学性能,这不仅克服了单一材料支架的局限性,也为多材料支架的设计提供了新思路。

关键词： 3D打印个性化正畸装置   单根牙   压低移动   伸长移动   三维有限元分析   支抗   生物力学  

摘要： 背景:基于牙齿垂直移动原理,通过数字化设计结合3D打印制作个性化正畸装置,可使个性化正畸装置与单个切牙形成支抗系统。借助微种植体绝对支抗作用可对单根牙在三维方向上进行精准控制。目的:基于生物力学原理设计了牙位11、12、21、22压低移动与伸长移动的个性化正畸装置,通过三维有限元法分析个性化正畸装置的安全性与其对牙齿的移动作用。方法:应用Mimics、Geomagic Wrap、SolidWorks和Ansys Workbench软件分别建立了上颌前牙区(牙位11、12、21、22)牙槽骨-牙周膜-上颌切牙-个性化悬臂微种植体-连接板-个性化托槽的三维有限元模型,每个牙位分别设置个性化压低移动与伸长移动正畸装置,加载300 g拉力或推力,分析个性化正畸装置各部件应力水平,计算牙齿位移与牙周膜应力分布情况。结果与结论:①个性化压低移动正畸装置受到的最大等效应力为162.90 MPa,个性化伸长移动正畸装置受到的最大等效应力239.57 MPa,二者的最大等效应力均位于个性化托槽加力附件的垂直部分,个性化正畸装置各部件所受等效应力均在屈服强度内,均具有良好的安全性;②在个性化正畸装置作用下,牙齿初始位移呈现整体压低或伸长移动的趋势,垂直方向上的位移远远超过在水平方向和矢状方向上的位移;牙周膜根尖或颈部位置出现等效应力峰值,在根尖区牙周膜出现等效应力集中区域;③结果显示,个性化正畸装置可以使牙位11、12、21、22近似达到压低移动或伸长移动的目的,初步证实了个性化垂直移动正畸装置的有效性。

关键词： 种植修复体   角度基台   有限元分析   生物力学   应力分析   基台   种植体间距  

摘要： 背景:在口腔多颗牙种植修复治疗中,不同的植入间距和基台角度影响着植体内部组件及骨组织处应力的分布,修复体与骨组织的应力分布是否平衡直接决定着种植体的使用寿命以及周围骨组织的稳定性。目的:分析上颌中切牙联冠修复体在3种植入间距时应用不同角度基台修复对修复体各部件及周围骨组织应力分布的影响。方法:在CT数据库中提取1例需行上颌中切牙种植修复患者的CT影像数据,导入Mimics 21.0软件提取上颌骨模型,在Geomagic软件处理后导入SolidWorks 21.0软件,绘制并构建上颌中切牙种植联冠修复体模型,在ANSYS Workbench 21.0软件中分别对3.0,2.5,2.0 mm植入间距的种植体模型应用0°,10°,20°,30°角度基台后进行加载,分析种植体及周围骨组织的应力分布情况。结果与结论:①在3.0,2.5,2.0 mm间距植入模型中,各部件的应力峰值随着植入基台角度的增大而增大,每种间距植入模型中30°基台修复时种植体及各部件所受应力峰值最高,最大等效应力峰值均出现在固位螺丝与角度基台连接处;在应用30°基台修复时,种植体周围骨组织所受应力最大;②所有模型的应力主要集中于皮质骨唇舌侧;③种植体间骨的应力分布和应力值随着种植体间距离的减小而增加,0°及10°基台修复模型都显示出比20°和30°基台模型显著更低的应力值;④结果显示,基台角度以及植入间距对种植体周围骨组织应力的分布有一定影响,当基台角度增加时,种植体受到轴向和斜向载荷,种植体周围的应力模式上升,30°基台种植修复体对骨组织应力较大,达到了皮质骨的骨吸收阈值,10°和20°基台修复应力较小于30°基台,临床上选择基台时应慎重考虑大于20°基台修复。

关键词： 髁突置换   髁突假体   GYROID结构   三周期极小曲面   有限元分析  

摘要： 背景:目前国内外制作的颞下颌关节假体在置换过程中需要依靠螺钉固定假体中的髁突部分,通过预留固位孔方便术中进行操作,但由于缺少个性化的颌骨设计,可能存在固位板与颌骨不贴合导致螺钉松动、脱位。因此,个性化髁突假体置换在修复颞下颌关节中具有重要的应用价值。目的:设计一种内部为GYROID结构的个性化髁突假体,用于下颌骨髁突的修复重建。方法:在Rhinoceros 7软件中选择GYROID结构,单胞为6 mm,设置壁厚分别为0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8 mm,利用有限元分析GYROID结构的力学性能。3D打印不同壁厚(0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8 mm)的GYROID结构实验试件,通过室温压缩实验检测试件的力学性能。通过有限元分析与室温压缩实验结果筛选符合下颌骨力学性能范围的一个壁厚值,对1名成年男性下颌骨CT数据进行逆向建模,设计内部为GYROID结构的髁突假体,采用有限元分析模拟髁突假体置换后牙尖交错颌位与对刃颌位的运动。结果与结论:(1)有限元分析与室温压缩实验结果显示,随着壁厚的增大,GYROID结构的弹性模量增大,其中壁厚0.5-0.7 mm GYROID结构的弹性模量位于下颌骨的弹性模量(1.5-4.0 GPa)范围内,因此选取壁厚值0.6 mm的6 mm单胞GYROID结构模型进行髁突假体的设计;(2)有限元分析结果显示,下颌骨模型的应力分布呈左右对称,两种咬合时的应力分布大致相同,应力峰值无较大差距,应力集中于髁突假体颈部,置换侧受力较健侧略大;内固定模型整体的最大等效应力为269.34 MPa,螺钉的最大等效应力为20.14 MPa,牙尖交错颌位时假体的等效应力和等效应变值均大于对刃颌位时,牙尖交错颌位时螺钉的等效应力和等效应变值均小于对刃颌位时;(3)结果显示个性化GYROID结构髁突假体的设计与固位效果良好,符合下颌骨力学传导。

关键词： 腰椎   关节突关节   椎弓根螺钉   融合   有限元分析   脊柱   生物力学   固定  

摘要： 背景:脊柱小关节骨关节炎被认为是引起老年人下腰痛的常见原因,新型脊柱小关节突关节融合装置能够在脊柱小关节骨关节炎的早期对病变的小关节突关节进行融合,明显降低了由于早期保守治疗不佳和晚期手术治疗引起的一系列并发症的发生率,但其对腰椎生物力学的影响尚未可知。目的:探讨新型腰椎关节突关节融合装置与传统融合装置的生物力学差异。方法:建立完整的L_(3)-S_(1)腰椎三维有限元模型并进行验证。在完整模型的基础上建立3组手术模型(双侧椎弓根螺钉固定模型、双侧新型小关节突关节融合固定模型和双侧关节突螺钉固定模型),手术节段为L_(4-5)。在500N载荷下,对所有腰椎模型施加7.5Nm力矩,计算L_(4-5)节段活动度、位移值和椎间盘应力值,以及L_(3-4)节段和L_(5)-S_(1)节段应力值。结果与结论:①与完整模型相比,各手术模型L_(4-5)节段的活动度都降低;②新型装置在左右旋工况下L_(4-5)节段活动度最小,在后伸工况下L_(4-5)节段活动度最大,在其他工况下L_(4-5)节段活动度大于双侧椎弓根螺钉固定模型;③新型装置在左右旋工况下L_(4-5)节段的位移值最小,在其他工况下L_(4-5)节段位移值大于双侧椎弓根螺钉固定模型;④对于新型装置在L_(4-5)节段的应力分布,在各个工况下都是最小的;⑤对于L_(3-4)节段新型装置在后伸和左右旋工况下的应力值最大,在其他工况下则小于双侧椎弓根螺钉固定模型;⑥与椎弓根螺钉固定相比,在L_(5)-S_(1)节段该新型装置的应力值都较小;⑦结果表明,与椎弓根螺钉固定相比,该新型装置通过对脊柱小关节进行融合,对腰椎的生物力学产生了一定的影响;在保留手术节段活动度的同时提供了一定的稳定性,同时也减少了手术节段及邻近节段椎间盘的应力值,从而对延缓椎间盘的退变有促进作用,进而表明该新型装置在理论上能够达到与椎弓根螺钉固定相类似的生物力学效果。