基于3D打印的下颌骨内固定设计与力学分析

作     者：张雪涛 

作者单位：上海工程技术大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周玉凤;张春雨

授予年度：2021年

学科分类：1003[医学-口腔医学] 08[工学] 100302[医学-口腔临床医学] 0802[工学-机械工程] 10[医学] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：3D打印技术 下颌骨缺损 有限元方法 多孔结构 骨愈合 

摘      要：下颌骨修复技术涉及颅颌面修复外科学、机械工程及计算机技术等学科,具有较强的医工结合的交叉学科特色,还需要结合复杂结构设计及材料研发等方面。下颌骨骨折和骨缺损一般由外伤、肿瘤及先天性的发育缺损等疾病导致的,会影响患者的正常生理功能,造成面部变形、咀嚼障碍、下颌关节错乱等问题。3D打印技术是一种以“数字模型文件(STL)为基础,利用“层层制造,逐层叠加的方式制造物体的技术。选择性激光熔化技术(SLM)技术的发展与成熟为下颌骨骨折及骨缺损的治疗提供了新思路,可以对金属粉末进行制造得到个性化多孔骨植入体及接骨微型板。本文以下颌骨为研究对象,对其设计、制造、力学性能等方面进行研究,主要内容如下:1、利用SLM技术打印制造个性化钛板和多孔骨植入体。基于正交试验原理设计工艺参数优化方案,利用有限元仿真软件对工艺参数组进行计算,得到成形件在不同工艺处理方案下的应力及变形情况,工艺参数为激光功率为100W,扫描速度为1600mm/s,扫描间距为0.12mm,铺粉厚度为0.045mm时对成形件的应力及变形量影响最小,为SLM加工工艺优化提供了参考。优化打印制造工艺流程,包括前处理、打印制造和后处理过程,利用优化后的工艺参数和制造工艺打印成品。2、基于固定板材料不同进行骨愈合研究。根据患者CT数据建立下颌骨,设计接骨板、固位螺钉和骨痂模型,利用3-matic STL软件得到骨愈合研究有限元模型,模拟下颌骨断裂期、愈合4周、8周、12周的骨痂生长情况,研究不同材料接骨板在下颌骨骨折愈合过程中接骨板和固位螺钉的应力分布情况,得到骨痂应变情况,根据骨应变理论分析不同材料对骨愈合过程的影响作用。3、研究个性化重建板宽度与骨移植后的生物力学行为,创建下颌骨骨缺损模型,设计个性化重建板和腓骨移植模型,利用3-matics软件得到下颌骨骨移植组合模型,探究下颌骨移植模型各部分的等效应力情况,利用有限元方法比较各组模型的应力和位移结果选择合适的重建板宽度,为多孔骨植入固定提供基础。设计不同孔隙率多孔结构,根据有限元方法计算不同孔隙结构的等效应力情况,选择符合骨植入体力学性能较好的多孔结构与腓骨进行布尔运算,最后得到下颌骨缺损多孔骨植入体模型。综上,本文利用3D打印技术制造特殊结构的特点,以下颌骨骨折和缺损修复为例,设计了下颌骨骨折固定板和下颌骨缺损多孔骨植入结构,利用优化后的SLM工艺打印成型制造,在下颌骨骨折及骨缺损的治疗中具有一定的应用价值。