3D打印个性化增强支抗装置在正畸应用中的三维有限元分析

摘要

3D打印技术是近二十多年逐渐兴起的一种快速成型技术(Rapid Prototyping，RP)，它是利用逆向工程软件将三维数字模型分割成层状，输入3D打印机逐层堆积成实体模型（增材工艺）。与传统的机械加工技术不同，传统的机械加工技术主要采用铸造或者切削的方式实现。3D打印技术在口腔颌面外科主要用于打印颌面部缺损部位修复体、个性化手术导板等；在口腔修复科主要用于打印全冠、个性化的桩核及局部义齿的支架等；在口腔种植科主要用于个性化种植体及种植导板的制作；在口腔正畸科用于制作牙合模型、个性化的舌侧矫治器、3D打印技术在无托槽隐形矫治技术中也扮演重要的角色。目前，在正畸领域中尚未发现运用3D打印技术制作个性化的正畸增强支抗装置的文献报道。在研究生的学习期间，我曾跟随指导老师用3D打印的个性化增强支抗装置压低伸长的上颌第二磨牙，取得良好的临床效果，但是对于装置的材料属性对临床的治疗效果是否有影响，目前尚未得知。 本课题通过建立3D打印个性化正畸增强支抗装置（以下简称支抗装置）移动上颌右侧第二磨牙的三维有限元模型，对移动牙及支抗牙进行生物力学评价，研究支抗装置的材料属性影响因素对牙齿移动生物力学的影响。 课题主要分为三个部分: 第一部分：建立两种支抗装置移动上颌右侧第二磨牙的三维有限元模型 通过高精度CT扫描及Mimics三维重建获得高仿真上颌骨及上颌牙列的三维几何模型，在3-matics软件中数字化设计出以双侧第二前磨牙及第一磨牙为支抗牙舌侧粘结式附带牵引钩TPA（舌侧TPA式支抗装置）及上颌右侧第一磨牙至左侧第一磨牙为支抗牙舌侧夹板式附带牵引钩支抗装置（舌侧夹板式支抗装置），将其导入 geomagic12.0中生成实体模型，在 Solidworks软件中生成正畸舌钮实体模型，将上述实体几何模型导入有限元ANSYS Workbench中，模型中上颌骨设置为正交各向异性、非均质的线弹性材料，牙周膜设置为各向异性、非均质的非线弹性材料，牙齿、支抗装置、舌钮设置为均质、各向同性的线弹性材料，建立X、Y、Z三维方向的参考坐标系，最终生成个性化正畸增强支抗装置移动上颌第二磨牙的三维有限元模型。支抗装置的材料属性设置为不同弹性模量的情况下，利用弹簧单元在牵引钩与粘结在右侧上颌第二磨牙上的舌钮施加150g牵引力，分别计算移动牙及支抗牙的初始位移及牙周膜静水压。 第二部分：舌侧TPA式支抗装置移动上颌第二磨牙的三维有限元分析 上颌右侧第二磨牙（移动牙）在颊舌向为牙冠舌向牙根颊向倾斜移动且牙冠的位移趋势远大于牙根的位移趋势，在垂直向为龈向压低移动趋势；支抗牙中，上颌右侧第二前磨牙、第一磨牙在颊舌向基本为牙冠颊向、牙根舌向的倾斜移动且牙冠的位移趋势大于牙根的位移趋势，在垂直向（牙合）向伸长移动，左侧第二前磨牙在颊舌向为冠舌向根颊向移动趋势，在垂直向为龈向压低移动。左侧第一磨牙未见明显移动趋势。材料弹性模量较小时，左侧上颌第二前磨牙的位移趋势最大，且明显大于其他支抗牙，支抗牙的受力主要集中于单颗牙，随着材料弹性模量的增加，左侧上颌第二前磨牙的移动趋势减小，右侧上颌第一磨牙的移动趋势增加，支抗牙的受力更加分散。 材料的弹性模量较小时，牙周膜静水压也较小，未超过毛细血管压的上限值，随着材料的弹性模量的增加，牙周膜静水压增大。右侧上颌第一磨牙牙周膜远中牙颈部受到拉应力最大，右侧上颌第二磨牙牙周膜近中牙颈部受到压应力最大，临床上建议使用弹性模量较大的材料，但是需要合理设计加载力值，以免超过牙周膜静水压引起牙根的吸收。 第三部分：舌侧夹板式支抗装置移动上颌第二磨牙的三维有限元分析 上颌右侧第二磨牙的位移趋势同舌侧TPA式，支抗牙中右侧上颌第一磨牙、第二前磨牙及第一前磨牙在颊舌向为牙冠颊向、牙根舌向倾斜移动；在垂直向为(牙合)向伸长移动，其余支抗牙未见明显的移动趋势，正畸矫正的反作用力并未均匀的分担到支抗牙上，在距离牵引钩较近的牙齿上初始位移趋势更明显。材料的弹性模量较小时，右侧上颌第一前磨牙的位移趋势远大于其余牙，随着材料的弹性模量增加，右侧上颌第二前磨牙及第一磨牙的位移趋势增加，但仍小于第一前磨牙。右侧上颌第二磨牙的位移趋势小于第一前磨牙，这个可能跟正畸反作用集中在上颌第一前磨牙，而第一前磨牙的牙周膜面积小于第二磨牙的牙周膜面积，因此第一前磨牙的位移趋势大于第二磨牙。这提示我们在临床上选择弹性模量较高的材料打印个性化支抗装置，同时合理设计牵引钩的位置。

目录

声明

英汉缩略语名词对照

前言

第一部分：个性化正畸增强支抗装置移动上颌第二磨牙三维有限元模型的建立

1材料和方法

2 结果

3 讨论

第二部分：舌侧TPA式支抗装置移动上颌右侧第二磨牙的三维有限元分析

1 材料与方法

2 结果

3. 讨论

第三部分：舌侧夹板式个性化支抗装置移动上颌右侧第二磨牙的三维有限元分析

1 材料与方法

2 结果

3 讨论

全文小结

参考文献

综述:3D打印技术口腔医学中的应用

致谢

攻读硕士期间发表文章情况