仿生蛛网孔隙结构3D打印个性化钛网设计及三维有限元分析

doi:10.12307/2023.544

中国组织工程研究 ›› 2023, Vol. 27 ›› Issue (30): 4796-4801.doi: 10.12307/2023.544

• 组织工程口腔材料 tissue-engineered oral materials • 上一篇下一篇

仿生蛛网孔隙结构3D打印个性化钛网设计及三维有限元分析

张亮1，2，3，韩泽奎1，2，3，臧旖欣1，2，3，韩振佳1，2，3，王心彧1，2，3

1黑龙江省生物医学材料及应用重点实验室，黑龙江省佳木斯市 154002；佳木斯大学，2口腔医学工程实验中心，3口腔医学院，黑龙江省佳木斯市 154002

收稿日期:2022-07-26 接受日期:2022-09-06 出版日期:2023-10-28 发布日期:2023-04-01
通讯作者: 王心彧，副主任医师，硕士生导师，黑龙江省生物医学材料及应用重点实验室，黑龙江省佳木斯市 154002；佳木斯大学，口腔医学工程实验中心，口腔医学院，黑龙江省佳木斯市 154002
作者简介:张亮，男，1995年生，湖南省长沙市人，汉族，佳木斯大学口腔医学院在读硕士，执业医师，主要从事口腔种植方向的研究。
基金资助:
2022年佳木斯大学青年创新人才培养支持计划项目(JMSUQP2022028)，项目负责人：臧旖欣；黑龙江省自然科学基金项目(JJ2022LH1032)，项目负责人：王心彧

Design and three-dimensional finite element analysis of 3D printed individualized titanium mesh with a bionic porous spider web-shaped structure

Zhang Liang1, 2, 3, Han Zekui1, 2, 3, Zang Yixin1, 2, 3, Han Zhenjia1, 2, 3, Wang Xinyu1, 2, 3

1The Key Laboratory of Biomedical Materials and Clinical Application in Heilongjiang Province, Jiamusi 154002, Heilongjiang Province, China; 2Experimental Center for Stomatological Engineering, 3School of Stomatology, Jiamusi University, Jiamusi 154002, Heilongjiang Province, China

Received:2022-07-26 Accepted:2022-09-06 Online:2023-10-28 Published:2023-04-01
Contact: Wang Xinyu, Associate chief physician, Master’s supervisor, The Key Laboratory of Biomedical Materials and Clinical Application in Heilongjiang Province, Jiamusi 154002, Heilongjiang Province, China; Experimental Center for Stomatological Engineering and School of Stomatology, Jiamusi University, Jiamusi 154002, Heilongjiang Province, China
About author:Zhang Liang, Master candidate, The Key Laboratory of Biomedical Materials and Clinical Application in Heilongjiang Province, Jiamusi 154002, Heilongjiang Province, China; Experimental Center for Stomatological Engineering and School of Stomatology, Jiamusi University, Jiamusi 154002, Heilongjiang Province, China
Supported by:
Foundation for Young Talents in Jiamusi University in 2022, No. JMSUQP2022028 (to ZYX); the Natural Science Foundation of Heilongjiang Province, No. JJ2022LH1032 (to WXY)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：

3D打印个性化钛网：利用计算机辅助设计技术设计与患者颌骨形态贴合并且具有预期骨增量水平的个性化钛网模型，然后通过计算机辅助制造，最终将这种个性化钛网用于引导骨组织再生手术，极大缩短手术时长及降低钛网暴露率，尤其适用于大面积、解剖形态复杂的骨缺损病例。
蛛网孔隙结构：由圆环形纬线和规则经线组成，根据结构变形的梯度变化布置圆环形纬线，规则经线从中心点沿变形变化的梯度方向布置。规则经线与圆环形纬线结构相互连接组成的蛛网孔隙结构，在受力区能很好地抵抗结构的变形，分散结构受到的应力，提高了结构刚度。

背景：蜘蛛网结构具有内在的能量耗散机制，使其能承受较大的集中负荷，将其应用到3D打印个性化钛网设计上来减少由于应力集中引起的局部断裂。
目的：研究新型仿生蛛网孔隙结构3D打印个性化钛网的设计方法，并应用三维有限元法对其进行生物力学分析。
方法：应用锥形束CT、Mimics、Geomagic Wrap、3-matic Research和 ANSYS Workbench 等软件分别建立仿生蛛网孔隙结构、圆孔结构、方孔结构、六边形孔结构且厚度均为0.3 mm的4组个性化钛网有限元模型，将100 N的载荷加载在牙槽嵴顶对应的钛网上，进行有限元分析。

结果与结论：①方孔、圆孔、六边形孔、仿生蛛网孔隙结构个性化钛网最大位移值分别为0.064，0.103，0.107，0.070 mm，等效应力最大分别为1 633.5，1 611.3，2 131.2，1 104.8 MPa；②各组固位螺钉在钛网受力后应力分布相似，主要集中在螺钉颈部与钛网相接触部位，方孔、圆孔、六边形孔、仿生蛛网孔隙结构个性化钛网组固位螺钉最大等效应力值分别为149.13，200.32，178.73，163.30 MPa，各组固位螺钉所受到的应力处于安全范围内；③结果显示，仿生蛛网孔隙结构个性化钛网能很好地分散钛网应力，减少应力集中现象；同时，0.3 mm厚度仿生蛛网孔隙结构个性化钛网可以满足大面积颌骨缺损重建机械强度的要求。

https://orcid.org/0000-0002-6779-2052(张亮)

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

关键词: 颅骨缺损, 仿生蛛网孔隙结构, 3D打印个性化钛网, 骨增量, 三维有限元分析, 生物力学

Abstract: BACKGROUND: The spider web-shaped structure has an inherent capability to dissipate energy to withstand large concentrated loads, which is applied to the design of 3D printed individualized titanium mesh to reduce local fractures caused by stress concentration.
OBJECTIVE: To explore the design method of a novel 3D printed individualized titanium mesh with a bionic porous spider web-shaped structure and analyze the biomechanical characteristics of the titanium mesh using 3D finite element method.
METHODS: The CBCT, Mimics, Geomagic Wrap, 3-matic Research and ANSYS Workbench softwares were used to establish individualized titanium mesh finite element models with bionic porous spider web-shaped, circular pore, square pore, and hexagonal pore structures with a thickness of 0.3 mm, respectively. A load of 100 N was applied to the titanium mesh corresponding to the alveolar crest for mechanical finite element analysis.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) The maximum deformation values of the individualized titanium mesh for square pore, circular pore, hexagonal pore structures, and bionic porous spider web-shaped structures were 0.064, 0.103, 0.107, and 0.070 mm, respectively, and the maximum equivalent stress values were 1 633.5, 1 611.3, 2 131.2, and 1 104.8 MPa, respectively. (2) The stress distribution of retaining screws in the titanium mesh in each group was similar, mainly concentrated in the contact area between the screw neck and the titanium mesh, and the maximum equivalent stress values of the retaining screws in the square pore, circular pore, hexagonal pore structures, and bionic porous spider web-shaped structure groups were 149.13, 200.32, 178.73, and 163.30 MPa, respectively, and the stress of retaining screws in each group was within the safe range. (3) These findings suggest that the individualized titanium mesh with a bionic porous spider web-shaped structure can well disperse the stress of the titanium mesh and reduce stress concentration. In addition, 0.3 mm thickness of the individualized titanium mesh with a bionic porous spider web-shaped structure meet the requirements of mechanical strength for reconstruction of large-area jaw defects.

Key words: skull defect, bionic porous spider web-shaped structure, 3D printed individualized titanium mesh, bone augmentation, 3D finite element analysis, biomechanics

中图分类号:

张亮, 韩泽奎, 臧旖欣, 韩振佳, 王心彧. 仿生蛛网孔隙结构3D打印个性化钛网设计及三维有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(30): 4796-4801.

Zhang Liang, Han Zekui, Zang Yixin, Han Zhenjia, Wang Xinyu. Design and three-dimensional finite element analysis of 3D printed individualized titanium mesh with a bionic porous spider web-shaped structure[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2023, 27(30): 4796-4801.

图/表（结果） 3

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引言

为了在种植手术中获得长期稳定的骨愈合，最重要的前提是种植区有足够且健康的骨量。研究表明，在临床工作中有50.3%患者的种植区存在着不同程度的骨吸收，需要执行种植同期骨增量或者分阶段骨增量[1]。自20世纪80年代以来，学者们已经建立了多种骨增量的技术，比如外置法植骨术、骨劈开术、牵张成骨术及引导骨再生术等[2-4]。钛网因其良好的机械性能和生物相容性逐渐被应用于临床骨增量，并在大面积颌骨缺损骨增量上取得了较好效果[5-7]。目前临床上使用的钛网多数为传统成品钛网，而传统成品钛网需要术中手工成形，手术操作时间较长，同时手工修剪容易形成锐利的拐角和边缘，增加了钛网暴露的发生率[8-10]。
随着金属3D打印数字化制造技术的发展，个性化钛网逐步兴起，其可根据缺损形态术前设计并打印成型，对骨缺损区具有高度适应性和精准性，边缘形态圆钝、光滑，能有效减少黏膜刺激，可为计划种植位置的骨增量情况提供可视化，便于术前进行准备工作[11-13]：术前可根据骨增量区域大小、骨质等具体情况，设计不同厚度、孔隙结构、孔隙率的个性化钛网，在有效提供空间维持能力的同时更好地促进骨再生。但目前也存在孔隙结构设计单一，如圆形、六边形、方形等简单几何孔或不规则孔，这些类型孔隙形成后钛网强度下降，且力学传导不畅，易形成应力集中区。为此，如何在保证机械强度的前提下优化钛网孔隙获得良好力学传导性，减少应力集中区至关重要。
仿生学是现代制造技术中最重要的研究兴趣之一，并进一步为医疗器械开发改进开辟了道路。仿生学是对自然和自然现象的研究，以了解生物物质、结构和过程的原理，创造模仿自然对应物的产品。漫长的进化过程中，自然界中的生物形成了各种力学性能优异的生物结构[14]。蜘蛛网能够承受吸收飞行猎物的巨大动能所产生的巨大压力，还可以防止猎物从振荡网中逃跑，最大限度地减少吸收的能量返回猎物；同时，在风引起的震动下，蜘蛛网也保持了其结构的完整性。研究表明蜘蛛网具有内在的能量耗散机制，主要是由于蜘蛛网的特殊结构以及蛛丝的特殊材料所决定，使其能承受很大的集中负荷，减少由于应力集中引起的局部断裂[15-17]。此次研究旨在将蛛网结构拟合到个性化钛网设计上，通过在计算机软件中建立颌骨缺损模型并进行虚拟骨增量，对虚拟骨增量后的颌骨模型进行有限元仿真应力分析，在此基础上设计出仿生蛛网孔隙结构个性化钛网，并将其与3种常规孔隙结构个性化钛网进行有限元分析对比，为3D打印个性钛网的设计提供新思路，使个性化钛网更加满足临床需求。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

材料方法

1.1 设计三维有限元分析。
1.2 时间及地点实验于2021年4月至2022年3月在佳木斯大学口腔医学工程实验中心完成。
1.3 材料锥形束CT(Sirona公司，德国)，华硕台式电脑(i7-9700 CPU，美国)，Mimics Research 20.0(Materialise Software公司，比利时)，Geomagic Wrap 2017(3D System公司，美国)，coDiagnostiX(Dental Wings公司，加拿大)，3-matic Research 15.0( Materialise公司，比利时)，ANSYS Workbench 2020 R2(ANSYS，Inc.，Canonsburg，PA，美国)。
1.4 实验方法
1.4.1 模型建立
数据获取：在佳木斯大学附属口腔医院就诊的患者中选择1例34、35、36牙列缺损的患者，并伴有水平垂直向复杂骨缺损，不能进行常规种植，拟采用钛网联合引导骨再生技术进行牙槽骨增量后行种植修复。征得患者知情同意后，获取患者锥形束CT影像数据。

颌骨模型建立：将患者锥形束CT影像数据以DICOM格式导入到Mimics Research 20.0逆向建模软件中，设置恰当的阈值，提取骨骼部分数据，然后将下颌骨部分从骨骼蒙版中分离出来，进行下颌骨三维模型重建，如图1所示。将模型数据导入到Geomagic Wrap 2017对模型进行删除钉状物、松弛、填补，光滑等进一步精细化处理。

个性化钛网设计：将处理好的下颌骨模型导入到coDiagnostiX中，以修复为导向的进行种植设计，确定种植体拟种植的三维位置，然后使用Geomagic Wrap 2017软件根据医生预期骨增量要求进行虚拟骨增量，重建下颌骨，确保种植体颊舌侧至少存在1.5 mm牙槽骨骨量。将重建后的下颌骨模型导入到3-matic Research 15.0软件中，根据钛网与缺损部位周围解剖结构的位置关系，保证设计钛网与邻牙之间至少保留2 mm的距离，确定钛网范围。使用Curve工具选定钛网的范围，如图1所示，对此范围进行增厚，厚度为0.3 mm。确定钛网固定孔位置及设计固位螺钉，固位螺钉设计参照成品螺钉尺寸1.5 mm×5 mm。然后设计底面形状外接圆半径为1 mm的圆柱、四棱柱、六棱柱，在选定钛网范围建立UV map贴图，设置uv值为2.5 mm，同时调整uv网格的位置，最后将棱柱使用UV Based Rectargular Pattern 功能映射到uv网格中，通过布尔运算完成3种不同常规孔隙结构(圆孔结构、方孔结构、六边形孔结构)钛网设计。3种常规孔隙结构钛网的网孔形状外接圆半径均为1 mm，如图2所示。

仿生蛛网孔隙结构个性化钛网设计流程：重建后的下颌骨模型导入到ANSYS Workbench 2020 R2对骨缺损区域进行静力学分析，得出颌骨位移云图如图3所示。在3-matic Research 15.0软件根据颌骨位移云图设计仿生蛛网孔隙结构个性化钛网。将蛛网结构中心选择在最大形变处面积的中心位置。然后布置圆环形规则纬线和经线。圆环形规则纬线的间隔在离最大形变区越近越小，离变形区越远越大，如图2所示，环纬规则线宽度设计为1 mm，纬线间隔宽度包括0.3，0.5，0.7 mm，规则的经线布置沿着圆环形规则纬线的中心向四周扩散，也就是沿着变形变化的梯度方向，规则经线宽度设计为1 mm，规则经线数量选择布置8条[18]。

1.4.2 三维有限元分析下颌骨、钛网、固位螺钉有限元模型采用四面体10节点法进行网格划分，使设计完成的几何模型转变为有限元模型。将下颌骨、钛网、固位螺钉有限元模型导入到ANSYS Workbench 2020 R2进行静力学分析。模型的节点数及单元数见表1，赋予相关模型材料弹性模量和泊松比见表2[19]。设定下颌骨表面咀嚼肌等肌肉附着位置为固定约束，个性化钛网通过固位螺钉固定于下颌骨上，且固位螺钉与下颌骨之间为骨性连接，固位螺钉与个性化钛网及颌骨之间接触关系均为绑定。同时依据对人体咀嚼力测定[20]，人体最大咀嚼压力约为100 N，故此次实验在牙槽嵴顶对应的钛网表面处施加垂直于牙合面100 N的载荷。

1.5 主要观察指标各组个性化钛网的最大等效应力和位移分布及固定螺钉应力分布。

讨论

随着金属3D打印技术以及数字化设计在口腔种植学中的广泛应用，使牙槽骨缺损的数字化和个性化修复成为了可能，为牙槽骨缺损的修复提供了新的技术手段[21-22]。关于个性化钛网已有许多临床相关报道，如2015 年SUMIDA等[23]通过计算机辅助设计/计算机辅助制造技术成功设计并打印了具有精确三维网状结构的 3D 打印个性化钛网，实现“以修复为导向的可预见的精准骨增量；SAGHEB等[24]通过临床研究表明，使用个性化钛网后的垂直方向骨增量为(6.5±1.7) mm，水平方向骨增量为(5.5±1.9) mm，证明了个性化钛网是一种充分且安全的骨增量技术，特别是对于垂直骨缺陷和联合骨缺陷。相较于传统成品钛网，3D打印个性化钛网避免了传统钛网因手工弯制、裁剪等产生的锐利边缘，减少了手术时间，同时与牙槽骨表面贴合，组织整合性更加优秀，显著降低了术后钛网暴露、软组织裂开的发生率[25-27]。SUMIDA等[28]研究表明，计算机辅助设计/计算机辅助制造制作个性化钛网与使用成品钛网相比术中操作时间明显减少，且使用的固位螺丝数量也较少，黏膜穿孔发生率仅为7.7%，而成品钛网为23.1%。
临床使用过程中要保证钛网的空间维持能力，这就意味着钛网必须具备一定的强度来抵抗来自肌肉、黏膜拉伸以及咀嚼食物等的压力[29-30]。钛网的力学性能与其厚度、孔隙结构、孔隙率等密切相关[31]。钛网的厚度越薄受到负荷时越容易塌陷，有研究表明0.3 mm 厚度的3D打印个性化钛网就无法满足大面积骨缺损，尤其是后牙区骨增量的临床需要，同时还应注意到钛网厚度对黏膜的刺激性，钛网厚度越厚对黏膜刺激越大，从而导致钛网越容易暴露[32-33]。故此次实验选择0.3 mm钛网厚度进行力学分析。在孔径方面，钛网的孔被认为在建立血液供应和促进缺陷部位移植物的代谢过程中起着至关重要的作用[34-36]，然而钛网的孔径与骨形成之间的关系仍存在争议。由于钛网上存在孔隙，很难实现完全组织分离，软组织往往进入钛网下生长。因此，许多研究试图研究孔径与软组织生长量之间的关系。一项研究表明，与小直径(0.6 mm)的钛网相比，大直径(1.2 mm)的钛网促进了更多的骨再生，并更有效地防止了软组织生长[34]，这种现象可能与血液供应的增加以及大孔径导致的营养物质和氧气的扩散增加有关。相反，另一项研究表明，使用大直径(> 2 mm)的钛网可能比使用小直径的钛网在新骨表面导致更多的软组织生长[37]。同时有研究认为，植入物的孔隙率越接近人体骨松质(70%-90%)越有利于成骨[38]。此次实验钛网网孔尺寸的设置保证孔隙率处于此区间，最终各组孔隙率分别为方形结构82%、圆形结构77%、六边形结构75%、仿生蛛网结构80%。此次实验通过三维有限元分析方法评价这不同孔隙结构钛网的力学性能，在钛网表面施加载荷后，常规孔隙结构钛网的等效应力没有得到很好地传导，主要集中于钛网在咬合面的牙槽嵴顶部。同时，此次实验使用的钛网材料为Ti6Al4V，增材制造Ti6Al4V的屈服强度为(1 387.66±41.06) MPa[39]，所以钛网受到的安全等效应力值也为(1 387.66±41.06) MPa，0.3 mm厚度常规孔隙钛网在100 N载荷下的最大应力值都超过了安全等效应力值，这就提示0.3 mm厚度常规孔隙结构钛网在此类后牙区域大面积骨缺损患者使用时可能会发生折裂。
在相同材料的前提下，通过分析结构的载荷分布情况优化结构的材料分布，来提高其强度是轻量化设计的方法之一[40-41]。QIN等[42]研究了蜘蛛网结构在多种载荷状态下的力学响应，研究结果表明蜘蛛网的蛛丝排列分布与载荷条件有关。张世梁[43]对蜘蛛网结构的纬线丝间距和纬线丝的角度进行优化，使其网面具有更高的强度性能。有研究通过建立简单的模型来描述蜘蛛球网，发现即使出现环形纬线断裂模型也没有存在应力集中。根据模型，蜘蛛可以增加环形纬线的数量，以形成致密的网(捕捉小昆虫)或调整径线数量(以适应环境条件或降低制作网的成本)，而不会降低网的损伤耐受性[44]。那么是否能将蜘蛛网的孔隙结构应用到个性化钛网上，通过仿生学设计优化钛网网格结构以获得良好的力学传导性？仿生蛛网孔隙结构个性化钛网由圆环轮廓的纬线结构和由中心点沿变形梯度方向呈放射状规则的经线结构相互连接组成，从各组钛网的应力分布结果中发现，蛛网孔隙结构应力沿放射状经线进行传导，有效地分散了钛网表面的应力，减少了应力集中现象，牙槽嵴顶部应力集中范围要小于其他常规孔隙结构钛网，仿生蛛网孔隙结构钛网受到的最大应力值为1 104.8 MPa也要低于常规孔隙结构钛网，处于钛网的安全范围内。并且经线结构的设置方向是由中心点沿变形梯度方向呈放射状，在钛网形变时起到良好的抵抗作用。环形纬线的布置间隔与距离形变集中区远近相关，在距离形变集中区越近间隔越小，这样增加了钛网局部受力面积，增强了个性化钛网抵抗变形能力。同时，蛛网孔隙结构个性化钛网留有足够的空隙，在不影响刚度情况下保证了外层软组织瓣的血供不受干扰。
结论：此次实验通过有限元的方法对比仿生蛛网孔隙结构个性化钛网与常规孔隙结构个性化钛网修复重建下颌骨骨缺损的三维有限元模型，在施加相应的咬合载荷下分析其位移和应力变化，结果显示仿生蛛网孔隙结构个性化钛网设计能将钛网受到的应力进行分散，减少应力集中，0.3 mm厚度下仿生蛛网孔隙结构钛网最大等效应力仍在屈服强度范围内。该设计为大范围骨缺损修复个性钛网孔隙设计提供理论依据，后续还需体内实验验证。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

仿生蛛网孔隙结构3D打印个性化钛网设计及三维有限元分析

Design and three-dimensional finite element analysis of 3D printed individualized titanium mesh with a bionic porous spider web-shaped structure

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