一种中空种植牙的设计与制备的制作方法

本发明涉及一种中空种植牙的设计与制备，属于结构的轻量化设计领域。

背景技术：

目前，国内牙种植市场日益庞大，但是牙种植的价格还是比较昂贵，性价比差，始终无法追上国外的步伐。究其原因主要是：(1)国内牙种植系统的发展还远没有成熟，关键设备主要依赖进口，手术成本一直居高不下，并受制于人；(2)牙种植相当大的一部分费用都来自于种植体、链接装置等的材料费，受设计和工艺等的影响，国内种植牙普遍较为笨重，生物相容性差，国产化水平低；(3)国内牙种植技术的落后、牙种植系统的不成熟、相对较差的种植品质，也助涨了牙种植价格的提升。

由此可见，当牙种植系统设备的价格一定的情况下，牙种植的材料费及其设计制造成本将是牙种植技术中至关重要的影响因素。要想节省牙种植过程中的材料费就要从牙种植所涉及的部件入手，在这一过程中不可忽略的是种植牙的设计。种植牙的好坏将直接影响到牙种植手术的成功与否，不管是对生物适应性还是结构受力而言都是非常重要的，因此种植牙的选材及其结构设计得到特别的关注。

abuhussein于2010年在medline上检索了种植牙螺纹设计的有关研究，重点总结了15篇文章，形成以下结论：高的螺纹有利于提高种植牙在松质骨内的稳定性；双螺纹或多螺纹设计有利于种植体的快速植入，但减弱了其对垂直负荷的抗力；小螺距设计有利于提高种植牙的稳定性；穿皮质骨有螺纹设计可能有利于骨质的保存，但需进一步研究证实。lee等研究了螺纹深度对牙种植体机械性能的影响。kong等使用三维有限元分析法比较了柱状种植牙十二种形状螺纹的应力分布，发现几种螺纹设计更有利于应力的传导，其中螺纹高度0.34-0.50mm，宽度0.18-0.30mm具有最佳的生物力学性能。lin等建立了5种不同比例的功能梯度结构种植牙模型，这种种植体与钛种植体相比，更容易促进骨改进，同时还注意到羟基磷灰石的含量会影响到种植体的长期稳定性。孙健等在设计牙种植体的过程中，将具有生物活性的陶瓷与钛金属进行整体的功能梯度优化设计，使得种植体早期骨结合以及长期稳定性的作用得到了最大程度地增强。

目前，种植牙的结构优化并不能大程度地降低材料消耗，现有种植牙的螺纹设计以及功能梯度设计只是为了增加骨结合性，无法有效进行种植牙的轻量化设计。

技术实现要素：

针对上述问题，申请人在现有的种植牙结构基础上，结合单元网格与功能梯度优化理论，设计一种既能满足强度与刚度等功能性要求，还能够大大降低材料损耗的中空种植牙结构。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

1.一种中空种植牙的设计与制备，其特征在于包括以下步骤：

(一)单元网格库的建立：

根据单元网格的设计依据，构造具有较高性能质量比的单元网格库，并首次将这些单元网格引入到种植牙的填充设计当中；

(二)中空种植牙的构造：

分析牙齿内部的应力分布情况，结合组建的单元网格库以及功能梯度优化理论，设计一种基于应力驱动的功能梯度网格构型填充种植牙，完成中空种植牙的结构设计；再将该种植牙通过3d打印技术制备出来。

2.根据权利要求1所述中空种植牙的设计与制备，其特征在于：所述步骤(一)的实现方法为：

(1)单元网格构型的设计与制备；

将设计的单元网格分别通过阵列排布的方式组成单元网格构型的“芯”，结合上下夹板组建成相应的单元网格构型结构，并使用3d打印设备制作出来；

(2)具有较高性能质量比的单元网格的优选；

通过有限元分析和实验验证的方法分析对比这些单元网格构型在结构强度、刚度、相对密度等方面的差异性。筛选出了具有较高性能质量比的单元网格结构，组建一个单元网格库。

3.根据权利要求1所述中空种植牙的设计与制备，其特征在于：所述步骤(二)的实现方法为：

(1)获得人体牙齿的cad模型；

使用3d扫描仪得到人体牙齿的点云数据，继而通过逆向工程软件geomagic和三维制图软件ug得到牙齿的cad模型；

(2)进行人体牙齿咬合过程中的有限元分析；

将牙齿的cad模型导入到有限元分析软件ansys中，并结合线应力工具得到牙齿在待填充部位的中心应力分布情况。

(3)选择填充设计过程中耐受力性能最好的单元网格；

首先需要知道作用于牙齿上的压强p0以及几种单元网格构型的最大承载压强pi，其中i＝1,2,3……，分别是几种单元网格的序号。将p0与pi比较，选出刚刚满足pi≥p0时的单元网格，该单元网格对应的最大承载压强计作pmax(即选择填充设计中承载能力最大的单元网格)；

(4)选择填充设计过程中耐受力性能相对最差的单元网格；

结合牙齿的应力分析，得到牙齿在预填充部位的最大应力σmax与最小应力σmin，继而通过公式(1)：

从单元网格库中选出一个最大承载压强刚好满足pj≥p(j＝1,2,3…i)的单元网格，该单元网格的最大承载压强计作pmin(即选择填充设计中承载能力最小的单元网格)；

(5)筛选出所有用于填充设计的单元网格；

将单元网格构型中最大承载压强满足pn∈[pmin,pmax]的单元网格全部挑选出来(j≤n≤i)，这些都是中空种植牙填充设计过程中可能涉及的单元网格；

(6)基于应力驱动的单元网格匹配；

每种单元网格所能匹配的最大应力σnmax通过式子(2)计算得到：

继而根据σnmax得出每种单元网格所能匹配的应力区间范围。最终，将所选中的单元网格与牙齿内部的应力对应起来，彼此连接组合成基于应力驱动的功能梯度网格构型填充种植牙。

本发明解决了现有种植牙结构设计的不足，提高了材料的利用效率，为结构的轻量化设计奠定了基础；本发明将功能梯度优化理论与应力大小相结合，实现基于应力驱动的功能梯度优化算法；本发明提供的设计思想对诸如机床、车辆工程等领域的轻量化设计具有一定的推动作用，甚至为航空、航天等领域的轻量化设计提供了一种指导思想。

附图说明

图1(a)～图1(g)是单元网格及其构型结构示意图。其中，

图1(a)是单元网格a及其构型示意图。

图1(b)是单元网格b及其构型示意图。

图1(c)是单元网格c及其构型示意图。

图1(d)是单元网格d及其构型示意图。

图1(e)是单元网格e及其构型示意图。

图1(f)是单元网格f及其构型示意图。

图1(g)是单元网格g及其构型示意图。

图2是单元网格功能梯度匹配流程示意图。

图3是中空种植牙的结构示意图。

图4是基于3d成型的中空种植牙实物示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

本发明主要包括三个步骤：“单元网格库的建立”、“牙齿内部应力分析”、“中空种植牙的构造”。其中“单元网格库的建立”步骤负责获取较高性能质量比的单元网格结构，并为轻量化填充设计提供数据基础；“牙齿内部应力分析”步骤负责模拟人体牙齿咬合过程中的应力分布情况，获取种植牙在待填充部位的应力值；“中空种植牙的构造”步骤负责通过功能梯度优化思想将单元网格与牙齿的应力分布情况匹配起来，得到一种基于应力驱动的单元网格构型中空种植牙，并运用3d打印设备制出实物模型。主要步骤如下：

1、单元网格库的建立

为了便于单元网格构型的构造，在进行单元网格设计时需要考虑单元网格与单元网格之间的连接情况。因此设计的单元网格具有以下几点特征：

(1)不同的单元网格最大外形尺寸一样，并且均能内接于同样大小的正方体当中；

(2)为了便于单元网格之间的连接，其外接正方体的八个顶点处都有单元网格的端点存在，并且该八个顶点处均为半球形，以适应不同角度之间的连接；

(3)将单元网格的内部支撑设计成与顶点处半球直径相同的圆柱，有利于不同单元网格之间的平滑过渡和衔接。

将图1(a)～图1(g)中的7种单元网格构型利用3d打印设备制作出来，并通过有限元分析和实验验证的方式得到这几种单元网格构型之间的耐受力性能差异性。7种单元网格构型相关参数如表1所示。

表1单元网格构型相关参数

通过比较以上7种单元网格构型耐受力性能、刚度、相对密度等之间的差异性，最终筛选出序号为b、c、d、e、g的单元网格，这些单元网格具有较高的性能质量比，并将其组建成单元网格库。

2、中空种植牙的构造

在进行中空种植牙的构造过程中，本发明结合功能梯度优化思想，得到一种基于应力驱动的单元网格构型构造方法。具体构造方法如图2所示。

(1)人体牙齿cad模型获取

首先使用3d扫描仪扫描人体牙齿实体模型，得到牙齿模型的点云数据；将这些点云数据导入到geomagicstudio2012中进行点云编辑与网格编辑等处理，继而得到所需要的人体牙齿cad数据。将颚骨部分划分为密质骨和松质骨两大部分，并运用ugnx10.0绘制出相应的简化模型，然后将牙齿模型固定在颚骨模型之中。

(2)进行应力分析

将这些模型数据导入到ansysworkbench15.0中进行牙齿咬合有限元仿真分析。运用线应力工具得到牙齿在待填充部位中心点的应力分布情况。

(3)选择填充设计过程中耐受力性能最好的单元网格；

首先需要知道作用于牙齿上的压强p0以及几种单元网格构型的最大承载压强pi，其中i＝1,2,3……，分别是几种单元网格的序号。将p0与pi比较，选出刚刚满足pi≥p0时的单元网格，该单元网格对应的最大承载压强计作pmax(即选择填充设计中承载能力最大的单元网格)；

(4)选择填充设计过程中耐受力性能相对最差的单元网格；

结合牙齿内部应力分析，得到牙齿在预填充部位的最大应力σmax与最小应力σmin，继而通过公式(1)：

从单元网格库中选出一个最大承载压强刚好满足pj≥p(j＝1,2,3…i)的单元网格，该单元网格的最大承载压强计作pmin(即选择填充设计中承载能力最小的单元网格)；

(5)筛选出所有用于填充设计的单元网格；

将单元网格构型中最大承载压强满足pn∈[pmin,pmax]的单元网格全部挑选出来(j≤n≤i)，这些都是中空种植牙填充设计过程中可能涉及的单元网格；

(6)基于应力驱动的单元网格匹配；

每种单元网格所能匹配的最大应力σnmax通过式子(2)计算得到：

继而根据σnmax得出每种单元网格所能匹配的应力区间范围。最终，将所选中的单元网格与牙齿内部的应力对应起来，彼此连接组合成基于应力驱动的功能梯度网格构型填充种植牙。得到的中空种植牙结构如图3所示。

(7)中空种植牙的制备；

将得到的中空种植牙cad模型转换成stl文件格式，导入到3d打印系统中进行相关操作，最后通过快速原型技术将其制作出来，得到的中空种植牙如图4所示。