你笑起来真好看 | 仿真助力齿科定制植入物设计

笔者刚进入3D打印这个行业的时候，逢年过节最大的烦恼就是要怎么给七大姑八大姨介绍自己的工作。一旦说是做3D打印的，那免不了就要解释一下什么是3D打印。如果要举一个当下3D打印最接地气的应用，我会毫不犹豫地选择齿科应用，从矫正用的隐形牙套到矫正支架，从种植牙的牙冠到颌面植入体，3D打印正批量地生产着定制化笑容。

大多数人都感觉接受牙科手术特别难受。与置换多颗牙齿及大块骨骼相比，补牙、种植牙或根管填充就显得微不足道了，因为前者由众多疾病所致，如外伤、骨折、肿瘤、退行性骨骼疾病等。通常在治疗严重的骨缺损时，需从患者的肋骨或腓骨（位于腿部）获取骨骼，并且需要长达12~18个月至少三次创伤手术。这些问题以及骨关节炎和其他疾病可能需要置换颞颌关节(TMJ)，通常被称为颌关节，颌关节可利用现成部件进行置换，但往往让患者感到不适且会降低其功能性。

在缺失大量骨骼和多颗牙齿的情况下，传统牙科植入物无法提供足够的稳定性来承受咬合力。还有一种选择是临时可摘义齿，但这种义齿既不舒服也不稳定。为了解决上述问题，外科医生通常会采取从供体部位摘除骨骼并将其植入颌部的手术，而植牙需要额外的手术。患者在分阶段手术期间需要很长的时间恢复，而且完成修复的时间会超过1年，由于骨移植过程非常复杂，因此很难匹配患者的面部轮廓，所以患者术后的面部往往会不对称。另外，疼痛和供体部位感染也非常常见。

在需要进行TMJ置换时，数量有限的标准TMJ植入物尺寸无法满足临床实践中遇到的各种颌部与骨缺损构形，如果骨缺损严重，患者相关部位可能会变畸形而且TMJ功能不良，因为现有植入物无法完全符合患者的病状与形态。

OMX Solutions公司的TMJ整体关节置换系统

为了应对上述状况，澳大利亚齿科解决方案提供商 OMX Solutions研发了一种新的颌骨植入物——Osseo-Frame，其能为牙修复体提供坚固牢靠的骨骼置换与安装位置。在自身骨骼部位不适合传统牙科植入物的情况下，可以消除对骨植入物的需求。这种植入物采用数字化设计并通过3D打印而成，以匹配患者的牙槽骨嵴，可确保相关装置能在无需骨骼修正的情况下完美适应自然骨骼。微型螺丝和底座可提供基本稳定性，因而无需漫长的治愈期就能立即安装植入物（和假牙）。

OMX Solutions的设计过程

OMX Solutions的TMJ整体关节置换，能够全面置换患者的颞下颌关节。根据患者的计算机断层扫描 (CT)数据，3D打印的钛下颌部件可利用数字化方式确定尺寸并进行调整，以适应每位患者的特定骨骼结构。此外，聚乙烯窝也是通过数字化方式确定尺寸和进行定制，进而采用计算机数值控制 (CNC)进行加工。然后，这两者再作为定制安装球（骨节）和牙糟（窝）关节一起工作。

两个系统都配套提供切割、钻孔和定位指南，以提高手术的准确度。

在根据患者的具体骨骼轮廓定制这些装置时，第一步是执行CT扫描，以准确显示患者现有骨骼结构的几何形状。之后，生产工程师再采用专业软件将CT扫描输出结果转换成患者骨骼的数字模型，并设计一款能紧密匹配患者3D骨骼的植入物。

在设计定制植入物的过程中，生产工程师必须确保包含骨骼、附件和植入物组件等在内的整套装配体不会失败。如果不采用仿真，就需要打印每个植入物，并对其进行物理测试。若不合格，则需要重新设计、重新制作和重新测试，这些都会消耗时间和资金。另外，针对每位患者都实施整套植入物-骨骼装配体的物理测试也不可行。

“OMX Solutions通过采用数字设计和增材制造技术研发了更完善的解决方案，从而制造出能完美适应患者现有骨骼的定制植入物。”

TMJ整体关节置换系统组件包含下颌（上部）和窝（下部）

这期间OMX Solutions选择了直观易用界面的Ansys仿真工具，对骨骼和植入物作为整体进行仿真。生产工程师首先运用参考文献中所述的平均咬合力对装置进行了单独仿真。虽然OMX产品的一般患者年龄较高且肌肉力量有所降低，但仿真时通常使用25岁男性的平均咬合力。因此，这些患者的咬合力更低，所以此方法可以提供充分的安全余量。

在对装置的完整性建立信心后，工程师接下来对完整实体模型进行仿真，包括从CT扫描获得的骨骼多材料模型和将植入物固定到骨骼的螺丝，一应俱全。所有材料均进行非线性处理。此模型包含骨骼、螺丝和植入物之间的摩擦接触。接触检测可用于记录骨骼模型中各个螺丝每一个面之间的接触，并确定使用过程中可能出现的任何潜在分离，如框架脱离骨骼。在4核个人计算机上运行此项仿真，通常需要2~5小时。

此项仿真不仅能够确定组件之间相互作用时存在的潜在问题，而且还能指出潜在故障点。例如，它可以显示出在哪个位置的螺丝有可能因局部应力高而导致骨裂，或在哪个位置的螺丝无法牢固地固定植入物。OMX Solutions生产工程师确信装配体牢固可靠后，他们就可将设计方案提交给外科医生进行审查。外科医生有时会根据临床可行性和可用性提出修改建议，在这种情况下就需要另一轮的仿真。

植入物Osseo-Frame受到的等效应变

植入物Osseo-Frame的整体变形

经由CT进行数字化模型、仿真分析潜在问题和3D打印生成最终成品，一个适应患者的定制植入体将和患者从此一起面对生活，而又不为旁人所知。这也许就是最好的技术，如春风润物无声。3D打印是如此，仿真更是如此。

OMX Solutions采用Ansys Mechanical 对骨骼和植入物作为一个整体进行仿真，在经过物理测试确认之后，能确保植入物可以承受与咀嚼相关的力量。最终获得的定制化面部和颌部植入物，不仅能够改善手术效果，还可大幅降低所需的手术次数以及消除供体部位的疼痛和病状。