牙槽嵴顶部为Von Mises应力的主要集中区，比较各组Von Mises应力分布可知，随厚度的增加，聚醚醚酮网Von Mises应力的集中面积明显减少。不同厚度聚醚醚酮网的最大Von Mises应力随着网孔径的增大而增大，其中G2-NP组与G2-P25组的最大Von Mises应力小于其屈服强度，其最大Von Mises应力与其屈服强度的比值分别为0.92，0.97，其余各组均> 1，见表3。



2.2   厚度与孔径对聚醚醚酮网Von Mises应变的影响   厚度与孔径对聚醚醚酮网在即刻加载下的Von Mises应变分布，见图5。

牙槽嵴顶部为Von Mises应变的主要集中区。通过比较各组Von Mises应变分布发现，聚醚醚酮网的Von Mises应变集中区面积随厚度的增加而减少。各组聚醚醚酮网的最大Von Mises应变值和孔隙增大后的应变变化量，见图6。由图6A可知，相比于厚度为0.50 mm的聚醚醚酮网植入体，当厚度增大到0.60 mm后，在每种孔径下的最大应变值均呈现不同程度地减小，这表明无孔组比有孔组更易发生材料的塑性变形破裂。由图6B可知，当孔径由无孔(0 mm)增大到0.25 mm后，植入体的应变变化量为负值；当孔径分别由
0.25 mm增大到0.35 mm、0.35 mm增大到0.45 mm后，聚醚醚酮网植入体的应变变化量为正值。综上所述，当聚醚醚酮网的厚度为0.60 mm、孔径为0.35 mm时，植入体在外载荷作用下最不易发生形变，生物力学稳定性能最佳。

严重的颌骨创伤、感染、肿瘤等均有可能导致颌骨缺损，颌骨缺损不仅造成面容的破坏，也使得日后修复难度显著增加，目前大多采用引导骨再生技术进行颌骨骨缺损的修复，大量研究报道已证实引导骨再生技术具有很好的修复效果，且具有长期稳定性[1-4]。对于骨缺损严重的患者，还要采用成品钛网或个别制作钛网作为骨填充物的支撑，一方面可以保障获得足够的骨量及理想的表面形态，同时在愈合过程中可以有效抵抗咬合力及唇颊肌运动的力量，保障生物膜稳定不移位，为新骨愈合提供足够空间。然而，成品钛网在使用时要进行二次弯制、修剪，将会加长手术时间，表面形态恢复成理想状态的难度较大。个性化钛网的出现为更理想的颌骨缺损修复提供了一个很好的手段，但仍然存在钛弹性模量与人体骨组织不匹配的问题，这将会产生应力遮挡效应，导致周围骨组织萎缩、支架植入失败[5]。因此，寻找弹性模量与骨组织相近的网架材料成为了众多学者探求的热点。近年来，具有较佳生物力学相容性的聚醚醚酮引起了医学界的广泛关注。

聚醚醚酮是一种全芳香族高分子化合物，具有良好的化学稳定性、力学性能和生物安全性，并易于加工。就其弹性模量而言，碳纤维增强聚醚醚酮材料为19-150 GPa[6]，纯聚醚醚酮材料为3.0-4.0 GPa[7]，纯聚醚醚酮与人类骨组织的弹性模量十分接近，有助于减小应力屏蔽范围，使应力屏蔽引起的骨吸收最小化[8]。由明胶、海藻酸钠和58S生物活性玻璃制成的修复支架的弹性模量在0.27 GPa左右，在骨缺损应用中其应力屏蔽效果劣于聚醚醚酮支架[9]。硅酸钙材料支架具有良好骨诱导性，然而受硅酸钙的降解速率快和力学性能差的影响，其在骨缺损修复中的应用性也差于聚醚醚酮。羟基磷灰石-胶原材料支架具有良好的成骨能力和生物相容性，然而羟基磷灰石的力学性能较差，使得该种支架在骨缺损修复中存在一定不足[10]。聚醚醚酮在口腔医学中主要用于种植体、种植临时基台等，特别是在颌骨缺损的修复与重建方面，聚醚醚酮凭借其卓越的生物力学及机械性能有望替代传统金属材料[11]。TORSTRICK等[12]将聚醚醚酮加工成带有一定孔径的网状结构，发现控制聚醚醚酮表面的孔隙率可达到既能支持体内骨整合又能保持结构自身强度的效果。从材料力学的角度讲，当聚醚醚酮网的厚度和孔径发生变化时，其相应的力学性能也会随之改变。目前，关于聚醚醚酮网的厚度与孔径对其力学性能的研究仍较少。研究在外部载荷影响下，具有不同厚度与孔径聚醚醚酮网的力学行为与结构响应，对于制定个性化的聚醚醚酮网具有重要意义。

此次研究基于患者实际的颌骨缺损三维数据，为了获得骨重建后更理想的外形，对健侧表面形态镜像，以此为模板，从而确定骨缺损侧聚醚醚酮网的表面形态，构建不同厚度及孔径的个性化聚醚醚酮网；利用有限元分析方法探讨聚醚醚酮网的厚度、孔径对其Von Mises应力、Von Mises应变分布的影响，为聚醚醚酮网的临床应用提供参考。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料；口腔生物材料；纳米材料；缓释材料；材料相容性；组织工程

1.1   设计   三维有限元分析。
1.2   时间及地点   于2021年4-10月在河北医科大学第三医院口腔科完成。
1.3   材料   选取1例右上中切牙缺失伴唇侧颌骨缺损女性患者的锥形束CT资料。该患者年龄25岁，右上中切牙因车祸缺失并伴随唇侧上颌骨缺损，口腔检查可见患者面部左右基本对称，开口度、开口型未见明显异常。利用T-SCAN Ⅲ咬合力分析仪测试该患者的最大咀嚼力，患者全口咬合平衡，左右侧咬合力百分比基本相等，咬合时间处于正常值，前伸及侧方咬合分离时间处于正常值，经多次测试发现该患者的最大咀嚼力约为95 N。无前伸颌、侧方颌干扰，双侧耳屏前触诊，关节动度一致，颞下颌关节无弹响疼痛。患者对实验知情同意。
1.4   方法   

1.4.1   三维模型的建立及聚醚醚酮网的设计   将扫描所得到的上颌骨锥形束CT数据导入到Mimics 19.0软件中，以重建上颌骨的三维模型，见图1A。利用Geomagic Wrap 2019软件创建皮质骨及松质骨的模型，再对该模型进行修整及精细化处理，使模型内部各个边界光滑，以便于后期聚醚醚酮网的设计，见图1B。

因上颌骨表面形态不规则，为获得美观协调的理想外形和保障种植后有足够骨量，利用逆向工程软件Geomagic Wrap 2019得到镜像对侧颌骨及牙槽嵴顶的表面形态，见图2，以XT格式导入到Unigraphics NX 10.0软件中。在厚度为0.5 mm (G1组)、0.6 mm (G2组)的两种聚醚醚酮板上分别设计0 (设为NP)、0.25 mm (设为P25)、0.35 mm (设为P35)、0.45 mm (设为P45)4种孔径结构，获得8组试件：G1-NP组、G2-NP组、G1-P25组、G2-P25组、G1-P35组、G2-P35组、G1-P45组、G2-P45组。 

1.4.2   有限元模拟思路与相关参数   根据实际生活中人体口腔的受力状态，此次实验将上颌骨设置为固定端(非位移状态)，将附着于上颌骨的肌束设置为固定约束。聚醚醚酮网通过固位钉固定于颌骨，固位钉与颌骨之间为连续、均匀的骨性接合。将聚醚醚酮网、固位钉、上颌骨的三维模型导入ANSYS Workbench 19.0中。由于人体口腔的最大咬合力为某一范围值，考虑到在评价聚醚醚酮植入体的力学性能时，应以即刻加载后(即刻受力后)的力学参数作为重要参考指标。因此，取患者在多次咀嚼力测试中的最大值用于数值模拟分析，更能满足患者今后的实际需求。同时，从材料受力变形与破坏的角度讲，如果对材料施加一个较大的载荷，材料能够呈现较佳的生物力学稳定性，则当对材料施加一个较小的载荷时，材料的生物力学稳定性仍然成立，且力学指标在安全阈值之内。因该患者的最大咀嚼力约为95 N，为了确保植入体的生物力学能够满足该患者在今后生活与工作中的需求，研究在该患者最大咀嚼力的基础上增加约5 N的咀嚼力“提前量”，即将100 N载荷加载于牙槽嵴顶对应的聚醚醚酮网上，进行有限元力学分析，见图3。研究中模型的单元数及节点数见表1，相关材料的弹性模量和泊松比见表2。

1.5   主要观察指标   各组模型中聚醚醚酮的Von Mises应力与应变分布。

修复颌骨缺损关系到患者容貌，故修复精度要求较高。近年来，随着计算机辅助设计/计算机辅助制造技术的发展，使得颌骨缺损修复不再完全依赖医生的个人经验，而是根据软件进行三维数字化重建模型，术前进行理想外观的设计，并加工成个性化的支架网用于颌骨缺损重建。个性化支架网不仅可以更精准地恢复颌骨的解剖形态，而且可以减少术后伤口暴露[14]。国内外有多位学者在钛网修复颌骨缺损中取得了很好的临床效果[15-17]。然而，钛与人体骨组织的弹性模量相差较大，其弹性模量可达到骨组织的10倍[18]，产生的应力遮蔽作用容易引起周围骨组织的萎缩，且在术后随访CT或MRI检查中容易产生金属伪影。

聚醚醚酮网成功用于骨缺损修复是受多指标影响的：①确保生物安全性是聚醚醚酮网应用的基础。秦胜男[19]依据国家标准委员会制定的(GB/T16886-IS010993)，通过进行细胞毒性实验、溶血实验、急性全身毒性实验等一系列生物安全性实验，结果表明聚醚醚酮材料具有良好的生物安全性，可应用于临床实践。石峰等[20]通过将制作的聚醚醚酮粒子链浸提液处于碘粒子辐照下，发现聚醚醚酮粒子链经辐照后仍符合生物安全性的标准。王克军等[21]在兔子体内植入短碳纤维增强聚醚醚酮接骨板并进行应力测试，观察其生物相容性及生物力学性能，结果提示短碳纤维增强聚醚醚酮材料有良好的血液相容性和组织相容性。②聚醚醚酮网在植入后的生物活性、生物相容性、骨传导性能以及成骨能力是临床应用的重要指标。已有研究表明，对聚醚醚酮材料表面进行粗化处理能够增加植入体的生物活性[22-23]。此外，成沁雯等[24]基于聚醚醚酮材料的改性实验发现，使用酸碱结合的方法能够显著提高植入体的生物活性。赵广宾等[25]发现在聚醚醚酮材料表面喷涂聚醚醚酮/羟基磷灰石复合涂层，能够强化植入体的力学性能与生物活性，并基于细胞毒性测试，表明复合涂层能够使聚醚醚酮网具备优良的生物相容性。连克乾等[26]通过对比聚醚醚酮与纯钛的体外生物相容性，发现聚醚醚酮可以促进骨髓间细胞的增殖，具有更佳的成骨分化能力。很多研究表明，通过对聚醚醚酮材料进行表面改性能够强化植入体与骨之间的整合，提高材料的骨传导性能[27-290]。③保证植入体的力学性能是聚醚醚酮网成功用于骨缺损修复的一个重要指标。早在1973年就有学者将有限元分析法用于探究种植体和周围骨的受力情况[30]。因此，此次实验利用有限元软件探究 “厚度”与“孔径”对聚醚醚酮网Von Mises应力及应变分布的影响，研究结果表明，支架网在负荷状态下产生的Von Mises应力、Von Mises应变分布主要集中在加载点周围，应力与应变的分布面积随厚度增加而减小。

普遍认为每一种材料都有各自的强度属性，如果某种材料受到的应力超过了它的屈服强度，便意味着会发生不可逆的变形[31]。此次实验采用的聚醚醚酮材料的屈服强度为93 MPa，故聚醚醚酮网受到的最大安全外力为93 MPa[13]。由有限元分析可知，在加载100 N负荷后，G2-NP组与G2-P25组的最大Von Mises应力与其屈服强度的比值小于1，其他各组均大于1。表明当厚度为0.6 mm时，无孔与0.25 mm孔径的聚醚醚酮网能够满足应力设计要求，而其余几组均有发生断裂的风险。有研究认为孔状结构相较于板状结构更有利于促进骨细胞的生长[32]。因此，厚度为0.6 mm、孔径为0.25 mm的聚醚醚酮网用作上颌骨缺损修复较为理想。

支架网的应变差异会对骨组织的修复进程及质量产生影响。目前对于承受即刻载荷下的支架网自身结构及其周围组织的生物力学行为报道较少。此次实验计算了厚度及孔径对支架网Von Mises应变的影响，并结合喻缇等[33]对支架网周围组织内Von Mises应变的研究，分析了支架网Von Mises应变对骨响应的影响。根据Wolff定律，当ε < 0.05时(ε代表骨组织Von Mises应变)，会触发机械信号控制的失用性改建功能；当ε > 3时，会导致不可修复的疲劳性微损伤累积；当ε > 25时，可能出现断裂[34]。0.6 mm厚度聚醚醚酮网的最大Von Mises应变值均小于0.05，相较于0.5 mm厚度的聚醚醚酮网其置于缺损处可对骨组织产生适当的机械刺激，有助于触发骨组织的失用性改建信号，获得良好的骨整合，这能够初步表明厚度为0.6 mm的聚醚醚酮网是较佳的口腔骨增量材料。

表面多孔的聚醚醚酮植入物在充分保持力学性能的同时，也可促进骨整合[35]。小孔径植入物的骨形成量更优、矿化速度更快，从而在手术早期即可达到更好的骨整合[12，36]。通过计算Von Mises应变的下降值，发现0.6 mm厚度、0.25 mm孔径的聚醚醚酮网更稳定，受力时不易发生塑性形变。由于此次实验的自变量因素数量较少，利用Von Mises应力与Von Mises应变的设计要求，再结合国内外公认的Wolff定律便能获得聚醚醚酮网合理的厚度与孔径，因此在数值模拟分析中未使用因素统计分析方法。另外，此次实验发现无孔聚醚醚酮网的最大Von Mises应变大于有孔的试件，这与其他学者结果一致 [37-41]。此次实验在数值模拟实验结束后，对河北医科大学第三医院口腔内科修复科所用的聚醚醚酮材料进行了扫描电镜测试，得到了材料的微观结构形貌图，如图7所示，不难发现聚醚醚酮材料在微观上呈现条状分布的平坦形貌，结构整体较为致密。根据已有研究可知，当采用含网状孔隙的植入体用于骨缺损修复时，有助于促进骨组织的生长[42-44]。因此，在临床中对聚醚醚酮材料表面进行粗化处理，能够促进骨缺损的修复。

根据先前研究中关于“人体牙齿最大咀嚼力数据”的介绍可知[45-46]，女性右上中切牙的最大咀嚼力约为103 N。由于年龄、性别等因素都会影响最大咀嚼力的数值，因此，同一规格(厚度、孔径)的植入体用于不同的患者通常是不合理的。考虑到数值模拟的最大优势便是高效、快捷、低成本，因此此次实验的核心思路便为：根据患者的实际最大咀嚼力，通过数值模拟的方法制定出符合患者实际需求的个性化聚醚醚酮网植入体。不过研究仍存在以下局限：①有限元分析法模型的单元划分、节点选择、载荷和边界条件等设置在一定程度上是假定的，不能完全反映实际机械应力；②虽然测试的孔径范围覆盖临床相关的范围[47]，但测试的孔隙范围较小，从最小的孔隙到最大的孔隙只有2倍的差异；③支架网在即刻负载下修复骨缺损的远期安全性及有效性，仍需动物实验加以验证。

结论：实验采用三维有限元方法分析了厚度及孔径对聚醚醚酮网在即刻负载下用于上颌骨缺损修复时的生物力学性能，结果表明当厚度为0.6 mm时，无孔与0.25 mm孔径的聚醚醚酮网最大Von Mises应力小于其屈服强度，可以满足应力承载要求。最终，综合考虑Von Mises应力与Von Mises应变的设计要求，表明厚度为0.6 mm、孔径为0.25 mm的个性化聚醚醚酮网可作为口腔骨再生的合理支架网。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料；口腔生物材料；纳米材料；缓释材料；材料相容性；组织工程

文题释义：
聚醚醚酮：是一种聚芳香族半结晶热塑性高分子材料，具有耐高温、耐磨、耐疲劳性好、易塑形、化学性能稳定等特点，被广泛应用于航天航空、电子电气、汽车等领域。近年来发现，聚醚醚酮的弹性模量与人体骨相似，且能减少应力屏蔽范围，临床开始大量研究并使用。
有限元分析：是利用工程软件构建实体模型从而进行生物力学分析的一种分析方法，可模拟分析植入物的应力分布，减少人为操作带来的误差，也无需复杂的设备条件，现已被广泛应用于口腔生物力学的研究中，其分析过程包括模型建立、网格划分、参数定义、边界条件设定、载荷和应力计算。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料；口腔生物材料；纳米材料；缓释材料；材料相容性；组织工程

近年来，聚醚醚酮凭借其良好的化学稳定性、生物相容性及弹性模量，已被广泛应用于临床骨缺损修复领域，使得促进骨组织修复的生物支架成为研究热点。由于人体骨缺损常呈不规则状，故进行生物支架个性化设计尤为重要。影响生物支架设计的因素很多，此次实验选取支架设计的直接影响因素—厚度与孔径，建立不同厚度及孔径的聚醚醚酮支架网数字化模型，利用三维有限元分析其Von Mises应力与Von Mises应变的分布变化特征，试从生物力学角度为颌骨缺损修复中个性化聚醚醚酮支架网的设计提供参考价值。

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