供稿人:鄭子琪、田小永 供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室 發(fā)布日期：2020-10-04
浙江大學(xué)研究團隊研究了經(jīng)拓撲優(yōu)化的 3D 打印聚醚酮酮（PEKK）下頜骨塊，以進行下頜骨外科手術(shù)重建工作。下頜骨節(jié)段性缺損通常是由創(chuàng)傷、感染或腫瘤手術(shù)切除引起的，腓骨移植是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中常用的下頜骨重建手段，腓骨移植的成活率很高，但術(shù)后患者滿意度很低，主要是由于術(shù)后患者咀嚼功能降低，且移植骨和切除骨的體積差異會導(dǎo)致容貌變化。
該團隊通過錐束CT掃描建立下頜骨三維模型，并按下頜骨切除術(shù)提議的將下頜骨（前后40 mm）分割，通過拓撲優(yōu)化設(shè)計切除的骨的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（牙種植體和種植體支持的牙冠被整合到設(shè)計中）。同時創(chuàng)建了第二個下頜骨三維模型，其具有相同的缺損尺寸和位置，但使用腓骨移植物和種植體支持的牙冠進行了重建。通過有限元方法（FEM）比較了兩個模型在相同邊界約束和三個加載位置（即中切牙，左下側(cè)和右下側(cè)第一磨牙區(qū)域）下的生物力學(xué)行為。FEM結(jié)果顯示最大拓撲優(yōu)化模型的應(yīng)力和位移遠低于腓骨移植模型的應(yīng)力和位移。在相同的三個加載位置下，與腓骨移植模型相比，優(yōu)化模型的最大應(yīng)力顯著降低了67.9％，71.9％和68.6％。
圖1. (A)骨類似物的外部結(jié)構(gòu) (B)用于內(nèi)部優(yōu)化的初始模型 (C)獲得的支撐單元的草圖結(jié)構(gòu) (D)規(guī)范化后的標(biāo)準(zhǔn)支撐單元 (E)具有支撐的骨類似物 (F)骨類似物的復(fù)合結(jié)構(gòu)
圖2. (A)由FDM制造的PEKK骨類似物圖 (B)PEKK骨類似物的重量值圖
具有拓撲優(yōu)化功能的3D打印骨類似物是針對患者的，并且優(yōu)于傳統(tǒng)的腓骨移植手術(shù)。經(jīng)過優(yōu)化的PEKK骨類似物模型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線比腓骨移植模型更符合實際，能夠提供更好的功能和美容效果。