供稿人:郑子琪、田小永 供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室 发布日期：2020-10-04
浙江大学研究团队研究了经拓扑优化的 3D 打印聚醚酮酮（PEKK）下颌骨块，以进行下颌骨外科手术重建工作。下颌骨节段性缺损通常是由创伤、感染或肿瘤手术切除引起的，腓骨移植是现代医学中常用的下颌骨重建手段，腓骨移植的成活率很高，但术后患者满意度很低，主要是由于术后患者咀嚼功能降低，且移植骨和切除骨的体积差异会导致容貌变化。
该团队通过锥束CT扫描建立下颌骨三维模型，并按下颌骨切除术提议的将下颌骨（前后40 mm）分割，通过拓扑优化设计切除的骨的内部结构（牙种植体和种植体支持的牙冠被整合到设计中）。同时创建了第二个下颌骨三维模型，其具有相同的缺损尺寸和位置，但使用腓骨移植物和种植体支持的牙冠进行了重建。通过有限元方法（FEM）比较了两个模型在相同边界约束和三个加载位置（即中切牙，左下侧和右下侧第一磨牙区域）下的生物力学行为。FEM结果显示最大拓扑优化模型的应力和位移远低于腓骨移植模型的应力和位移。在相同的三个加载位置下，与腓骨移植模型相比，优化模型的最大应力显着降低了67.9％，71.9％和68.6％。
图1. (A)骨类似物的外部结构 (B)用于内部优化的初始模型 (C)获得的支撑单元的草图结构 (D)规范化后的标准支撑单元 (E)具有支撑的骨类似物 (F)骨类似物的复合结构
图2. (A)由FDM制造的PEKK骨类似物图 (B)PEKK骨类似物的重量值图
具有拓扑优化功能的3D打印骨类似物是针对患者的，并且优于传统的腓骨移植手术。经过优化的PEKK骨类似物模型的应力-应变曲线比腓骨移植模型更符合实际，能够提供更好的功能和美容效果。