个性化多孔人工髁突假体优化设计与生物力学分析

发布时间：2020-11-05 03:15

　　 颞下颌关节位于人体头颅部下颌骨髁突区域。颞下颌关节疾病严重的情况将对患者的开口、咀嚼等功能造成巨大的障碍,并伴随疼痛,临床上需要进行关节重建来修复。人工髁突假体置换作为治疗手段之一,有较广泛的临床应用,效果良好。但是根据术后跟踪随访数据显示,有少部分患者因钛板断裂、螺钉松动等造成关节置换失败,这与关节假体的种类、设计和材料等相关。所以一种固位力较好、“应力遮蔽”效应较小、长期稳定性较好的人工髁突假体对于提高颞下颌关节置换的成功率具有重要意义。论文针对目前颞下颌关节假体的不足,以减小颞下颌关节假体和螺钉的应力水平和应力集中、及对下颌骨的“应力遮蔽”,提高关节假体固定的稳定性为目标,进行个性化多孔人工髁突假体的优化设计,包括固定板和髁突头两部分,并对设计的关节假体进行生物力学分析,最后完成基于SLM金属3D打印的制备。(1)在重建的下颌骨三维模型和生物力学模型基础上,利用拓扑优化技术,设计了关节假体的固定板部分。并通过有限元方法进行应力比较,得到了四颗螺钉固定的最优方案。结果显示,优化的固定板和螺钉最大应力分别比其它三颗螺钉固定方案下降了7%~21%、9%~49%。(2)针对髁突头部分的设计,提出了一种具有非均匀晶胞密度且孔隙率可定制的多孔结构设计方法,并基于髁突的骨密度分布特征,建立了具有非均匀密度的髁突头晶胞模型。(3)为了进一步确定髁突头晶胞的杆径尺寸参数,利用拓扑优化技术和相对单元密度模型,计算出晶胞杆径。并最终构建了完整的个性化多孔人工髁突假体。(4)基于下颌骨生物力学模型,分析比较了三种咬合方式下,所设计的多孔关节假体和实心假体的生物力学性能。有限元分析结果显示,多孔假体的平均最大应力(137MPa)比实心假体(263MPa)下降了48%,螺钉应力有较小下降。最后利用SLM金属3D打印并结合后处理技术,得到了质量较好的关节假体。
【学位单位】：浙江工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TH789
【部分图文】：

第一章 绪 论1.1 引言颞下颌关节位于人体下颌骨和颧骨连接处，是人体重要的关节，如图 1-1（a所示。颞下颌关节疾病是发病率较高的疾病，但大部分不需要进行手术甚至不要进行治疗，只生发关节弹响或张口微微受限等轻微情况甚至没有表现病症。而又少部分发病较为严重，患者会出现不能张口和疼痛的症状，例如图 1-1（所示颞下颌关节强直，髁突和关节窝连结在一起，下颌骨不能运动。这种情况需要截骨，然后通过关节重建进行治疗。颞下颌关节重建方法包括自体骨移植牵引成骨、髁突假体置换和全关节假体置换等。其中髁突假体置换是重要的治手段，临床应用较为成熟，具有较好的临床效果。

图 1-2 美国 Concepts 颞下颌关节假体[4] 1-2. Concepts temporomandibular joint prosthe（a） （（a）髋关节示意图[5]（b）3D 打印髋关节置换部 (a) Hip joint diagram[5](b) Hip replacement com假体，髋关节假体近些年的研究已经相当，如图 1-3（a）所示。目前三维多孔结构的（b）所示。而且多孔结构能有效降低弹性

（a） （b）图 1-3 （a）髋关节示意图[5]（b）3D 打印髋关节置换部件[6]Figure 1-3. (a) Hip joint diagram[5](b) Hip replacement component[6]同样是人工关节假体，髋关节假体近些年的研究已经相当成熟。髋关节由股骨头与髋臼相对构成，如图 1-3（a）所示。目前三维多孔结构的髋关节假体已经比较常见，如图 1-3（b）所示。而且多孔结构能有效降低弹性模量，从而减少因“应力遮挡”导致的骨吸收情况，可见三维多孔结构的关节假体具有相当大的优势。近年来也有关于三维多孔结构的髁突假体设计，例如将髁突头部分设计成多孔结构，能显著降低“应力遮挡”[7]，但其研究还比较少，也没有充分平衡生物学和生物力学性能。此外，虽然目前关节假体种类较多，但固定螺钉的位置和数量不同，因此固定效果也不同。为了提高假体的固位力和稳定性，假体固定板部分的优化设计和髁突头多孔结构的优异设计都十分重要。1.2 研究背景及意义
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1 夏疆;个性化多孔人工髁突假体优化设计与生物力学分析[D];浙江工业大学;2019年

本文编号：2871042