[发明专利]一种中空种植牙的设计与制备

说明书

技术领域

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。

发明内容

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；