本發(fā)明涉及一種中空種植牙的設(shè)計與制備，屬于結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

目前，國內(nèi)牙種植市場日益龐大，但是牙種植的價格還是比較昂貴，性價比差，始終無法追上國外的步伐。究其原因主要是：(1)國內(nèi)牙種植系統(tǒng)的發(fā)展還遠(yuǎn)沒有成熟，關(guān)鍵設(shè)備主要依賴進(jìn)口，手術(shù)成本一直居高不下，并受制于人；(2)牙種植相當(dāng)大的一部分費用都來自于種植體、鏈接裝置等的材料費，受設(shè)計和工藝等的影響，國內(nèi)種植牙普遍較為笨重，生物相容性差，國產(chǎn)化水平低；(3)國內(nèi)牙種植技術(shù)的落后、牙種植系統(tǒng)的不成熟、相對較差的種植品質(zhì)，也助漲了牙種植價格的提升。

由此可見，當(dāng)牙種植系統(tǒng)設(shè)備的價格一定的情況下，牙種植的材料費及其設(shè)計制造成本將是牙種植技術(shù)中至關(guān)重要的影響因素。要想節(jié)省牙種植過程中的材料費就要從牙種植所涉及的部件入手，在這一過程中不可忽略的是種植牙的設(shè)計。種植牙的好壞將直接影響到牙種植手術(shù)的成功與否，不管是對生物適應(yīng)性還是結(jié)構(gòu)受力而言都是非常重要的，因此種植牙的選材及其結(jié)構(gòu)設(shè)計得到特別的關(guān)注。

abuhussein于2010年在medline上檢索了種植牙螺紋設(shè)計的有關(guān)研究，重點總結(jié)了15篇文章，形成以下結(jié)論：高的螺紋有利于提高種植牙在松質(zhì)骨內(nèi)的穩(wěn)定性；雙螺紋或多螺紋設(shè)計有利于種植體的快速植入，但減弱了其對垂直負(fù)荷的抗力；小螺距設(shè)計有利于提高種植牙的穩(wěn)定性；穿皮質(zhì)骨有螺紋設(shè)計可能有利于骨質(zhì)的保存，但需進(jìn)一步研究證實。lee等研究了螺紋深度對牙種植體機(jī)械性能的影響。kong等使用三維有限元分析法比較了柱狀種植牙十二種形狀螺紋的應(yīng)力分布，發(fā)現(xiàn)幾種螺紋設(shè)計更有利于應(yīng)力的傳導(dǎo)，其中螺紋高度0.34-0.50mm，寬度0.18-0.30mm具有最佳的生物力學(xué)性能。lin等建立了5種不同比例的功能梯度結(jié)構(gòu)種植牙模型，這種種植體與鈦種植體相比，更容易促進(jìn)骨改進(jìn)，同時還注意到羥基磷灰石的含量會影響到種植體的長期穩(wěn)定性。孫健等在設(shè)計牙種植體的過程中，將具有生物活性的陶瓷與鈦金屬進(jìn)行整體的功能梯度優(yōu)化設(shè)計，使得種植體早期骨結(jié)合以及長期穩(wěn)定性的作用得到了最大程度地增強(qiáng)。

目前，種植牙的結(jié)構(gòu)優(yōu)化并不能大程度地降低材料消耗，現(xiàn)有種植牙的螺紋設(shè)計以及功能梯度設(shè)計只是為了增加骨結(jié)合性，無法有效進(jìn)行種植牙的輕量化設(shè)計。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述問題，申請人在現(xiàn)有的種植牙結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，結(jié)合單元網(wǎng)格與功能梯度優(yōu)化理論，設(shè)計一種既能滿足強(qiáng)度與剛度等功能性要求，還能夠大大降低材料損耗的中空種植牙結(jié)構(gòu)。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：

1.一種中空種植牙的設(shè)計與制備，其特征在于包括以下步驟：

(一)單元網(wǎng)格庫的建立：

根據(jù)單元網(wǎng)格的設(shè)計依據(jù)，構(gòu)造具有較高性能質(zhì)量比的單元網(wǎng)格庫，并首次將這些單元網(wǎng)格引入到種植牙的填充設(shè)計當(dāng)中；

(二)中空種植牙的構(gòu)造：

分析牙齒內(nèi)部的應(yīng)力分布情況，結(jié)合組建的單元網(wǎng)格庫以及功能梯度優(yōu)化理論，設(shè)計一種基于應(yīng)力驅(qū)動的功能梯度網(wǎng)格構(gòu)型填充種植牙，完成中空種植牙的結(jié)構(gòu)設(shè)計；再將該種植牙通過3d打印技術(shù)制備出來。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述中空種植牙的設(shè)計與制備，其特征在于：所述步驟(一)的實現(xiàn)方法為：

(1)單元網(wǎng)格構(gòu)型的設(shè)計與制備；

將設(shè)計的單元網(wǎng)格分別通過陣列排布的方式組成單元網(wǎng)格構(gòu)型的“芯”，結(jié)合上下夾板組建成相應(yīng)的單元網(wǎng)格構(gòu)型結(jié)構(gòu)，并使用3d打印設(shè)備制作出來；

(2)具有較高性能質(zhì)量比的單元網(wǎng)格的優(yōu)選；

通過有限元分析和實驗驗證的方法分析對比這些單元網(wǎng)格構(gòu)型在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、相對密度等方面的差異性。篩選出了具有較高性能質(zhì)量比的單元網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，組建一個單元網(wǎng)格庫。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述中空種植牙的設(shè)計與制備，其特征在于：所述步驟(二)的實現(xiàn)方法為：

(1)獲得人體牙齒的cad模型；

使用3d掃描儀得到人體牙齒的點云數(shù)據(jù)，繼而通過逆向工程軟件geomagic和三維制圖軟件ug得到牙齒的cad模型；

(2)進(jìn)行人體牙齒咬合過程中的有限元分析；

將牙齒的cad模型導(dǎo)入到有限元分析軟件ansys中，并結(jié)合線應(yīng)力工具得到牙齒在待填充部位的中心應(yīng)力分布情況。

(3)選擇填充設(shè)計過程中耐受力性能最好的單元網(wǎng)格；

首先需要知道作用于牙齒上的壓強(qiáng)p0以及幾種單元網(wǎng)格構(gòu)型的最大承載壓強(qiáng)pi，其中i＝1,2,3……，分別是幾種單元網(wǎng)格的序號。將p0與pi比較，選出剛剛滿足pi≥p0時的單元網(wǎng)格，該單元網(wǎng)格對應(yīng)的最大承載壓強(qiáng)計作pmax(即選擇填充設(shè)計中承載能力最大的單元網(wǎng)格)；

(4)選擇填充設(shè)計過程中耐受力性能相對最差的單元網(wǎng)格；

結(jié)合牙齒的應(yīng)力分析，得到牙齒在預(yù)填充部位的最大應(yīng)力σmax與最小應(yīng)力σmin，繼而通過公式(1)：

從單元網(wǎng)格庫中選出一個最大承載壓強(qiáng)剛好滿足pj≥p(j＝1,2,3…i)的單元網(wǎng)格，該單元網(wǎng)格的最大承載壓強(qiáng)計作pmin(即選擇填充設(shè)計中承載能力最小的單元網(wǎng)格)；

(5)篩選出所有用于填充設(shè)計的單元網(wǎng)格；

將單元網(wǎng)格構(gòu)型中最大承載壓強(qiáng)滿足pn∈[pmin,pmax]的單元網(wǎng)格全部挑選出來(j≤n≤i)，這些都是中空種植牙填充設(shè)計過程中可能涉及的單元網(wǎng)格；

(6)基于應(yīng)力驅(qū)動的單元網(wǎng)格匹配；

每種單元網(wǎng)格所能匹配的最大應(yīng)力σnmax通過式子(2)計算得到：

繼而根據(jù)σnmax得出每種單元網(wǎng)格所能匹配的應(yīng)力區(qū)間范圍。最終，將所選中的單元網(wǎng)格與牙齒內(nèi)部的應(yīng)力對應(yīng)起來，彼此連接組合成基于應(yīng)力驅(qū)動的功能梯度網(wǎng)格構(gòu)型填充種植牙。

本發(fā)明解決了現(xiàn)有種植牙結(jié)構(gòu)設(shè)計的不足，提高了材料的利用效率，為結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計奠定了基礎(chǔ)；本發(fā)明將功能梯度優(yōu)化理論與應(yīng)力大小相結(jié)合，實現(xiàn)基于應(yīng)力驅(qū)動的功能梯度優(yōu)化算法；本發(fā)明提供的設(shè)計思想對諸如機(jī)床、車輛工程等領(lǐng)域的輕量化設(shè)計具有一定的推動作用，甚至為航空、航天等領(lǐng)域的輕量化設(shè)計提供了一種指導(dǎo)思想。

附圖說明

圖1(a)～圖1(g)是單元網(wǎng)格及其構(gòu)型結(jié)構(gòu)示意圖。其中，

圖1(a)是單元網(wǎng)格a及其構(gòu)型示意圖。

圖1(b)是單元網(wǎng)格b及其構(gòu)型示意圖。

圖1(c)是單元網(wǎng)格c及其構(gòu)型示意圖。

圖1(d)是單元網(wǎng)格d及其構(gòu)型示意圖。

圖1(e)是單元網(wǎng)格e及其構(gòu)型示意圖。

圖1(f)是單元網(wǎng)格f及其構(gòu)型示意圖。

圖1(g)是單元網(wǎng)格g及其構(gòu)型示意圖。

圖2是單元網(wǎng)格功能梯度匹配流程示意圖。

圖3是中空種植牙的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是基于3d成型的中空種植牙實物示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式做進(jìn)一步說明。

本發(fā)明主要包括三個步驟：“單元網(wǎng)格庫的建立”、“牙齒內(nèi)部應(yīng)力分析”、“中空種植牙的構(gòu)造”。其中“單元網(wǎng)格庫的建立”步驟負(fù)責(zé)獲取較高性能質(zhì)量比的單元網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，并為輕量化填充設(shè)計提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；“牙齒內(nèi)部應(yīng)力分析”步驟負(fù)責(zé)模擬人體牙齒咬合過程中的應(yīng)力分布情況，獲取種植牙在待填充部位的應(yīng)力值；“中空種植牙的構(gòu)造”步驟負(fù)責(zé)通過功能梯度優(yōu)化思想將單元網(wǎng)格與牙齒的應(yīng)力分布情況匹配起來，得到一種基于應(yīng)力驅(qū)動的單元網(wǎng)格構(gòu)型中空種植牙，并運用3d打印設(shè)備制出實物模型。主要步驟如下：

1、單元網(wǎng)格庫的建立

為了便于單元網(wǎng)格構(gòu)型的構(gòu)造，在進(jìn)行單元網(wǎng)格設(shè)計時需要考慮單元網(wǎng)格與單元網(wǎng)格之間的連接情況。因此設(shè)計的單元網(wǎng)格具有以下幾點特征：

(1)不同的單元網(wǎng)格最大外形尺寸一樣，并且均能內(nèi)接于同樣大小的正方體當(dāng)中；

(2)為了便于單元網(wǎng)格之間的連接，其外接正方體的八個頂點處都有單元網(wǎng)格的端點存在，并且該八個頂點處均為半球形，以適應(yīng)不同角度之間的連接；

(3)將單元網(wǎng)格的內(nèi)部支撐設(shè)計成與頂點處半球直徑相同的圓柱，有利于不同單元網(wǎng)格之間的平滑過渡和銜接。

將圖1(a)～圖1(g)中的7種單元網(wǎng)格構(gòu)型利用3d打印設(shè)備制作出來，并通過有限元分析和實驗驗證的方式得到這幾種單元網(wǎng)格構(gòu)型之間的耐受力性能差異性。7種單元網(wǎng)格構(gòu)型相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1單元網(wǎng)格構(gòu)型相關(guān)參數(shù)

通過比較以上7種單元網(wǎng)格構(gòu)型耐受力性能、剛度、相對密度等之間的差異性，最終篩選出序號為b、c、d、e、g的單元網(wǎng)格，這些單元網(wǎng)格具有較高的性能質(zhì)量比，并將其組建成單元網(wǎng)格庫。

2、中空種植牙的構(gòu)造

在進(jìn)行中空種植牙的構(gòu)造過程中，本發(fā)明結(jié)合功能梯度優(yōu)化思想，得到一種基于應(yīng)力驅(qū)動的單元網(wǎng)格構(gòu)型構(gòu)造方法。具體構(gòu)造方法如圖2所示。

(1)人體牙齒cad模型獲取

首先使用3d掃描儀掃描人體牙齒實體模型，得到牙齒模型的點云數(shù)據(jù)；將這些點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到geomagicstudio2012中進(jìn)行點云編輯與網(wǎng)格編輯等處理，繼而得到所需要的人體牙齒cad數(shù)據(jù)。將顎骨部分劃分為密質(zhì)骨和松質(zhì)骨兩大部分，并運用ugnx10.0繪制出相應(yīng)的簡化模型，然后將牙齒模型固定在顎骨模型之中。

(2)進(jìn)行應(yīng)力分析

將這些模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入到ansysworkbench15.0中進(jìn)行牙齒咬合有限元仿真分析。運用線應(yīng)力工具得到牙齒在待填充部位中心點的應(yīng)力分布情況。

(3)選擇填充設(shè)計過程中耐受力性能最好的單元網(wǎng)格；

首先需要知道作用于牙齒上的壓強(qiáng)p0以及幾種單元網(wǎng)格構(gòu)型的最大承載壓強(qiáng)pi，其中i＝1,2,3……，分別是幾種單元網(wǎng)格的序號。將p0與pi比較，選出剛剛滿足pi≥p0時的單元網(wǎng)格，該單元網(wǎng)格對應(yīng)的最大承載壓強(qiáng)計作pmax(即選擇填充設(shè)計中承載能力最大的單元網(wǎng)格)；

(4)選擇填充設(shè)計過程中耐受力性能相對最差的單元網(wǎng)格；

結(jié)合牙齒內(nèi)部應(yīng)力分析，得到牙齒在預(yù)填充部位的最大應(yīng)力σmax與最小應(yīng)力σmin，繼而通過公式(1)：

從單元網(wǎng)格庫中選出一個最大承載壓強(qiáng)剛好滿足pj≥p(j＝1,2,3…i)的單元網(wǎng)格，該單元網(wǎng)格的最大承載壓強(qiáng)計作pmin(即選擇填充設(shè)計中承載能力最小的單元網(wǎng)格)；

(5)篩選出所有用于填充設(shè)計的單元網(wǎng)格；

將單元網(wǎng)格構(gòu)型中最大承載壓強(qiáng)滿足pn∈[pmin,pmax]的單元網(wǎng)格全部挑選出來(j≤n≤i)，這些都是中空種植牙填充設(shè)計過程中可能涉及的單元網(wǎng)格；

(6)基于應(yīng)力驅(qū)動的單元網(wǎng)格匹配；

每種單元網(wǎng)格所能匹配的最大應(yīng)力σnmax通過式子(2)計算得到：

繼而根據(jù)σnmax得出每種單元網(wǎng)格所能匹配的應(yīng)力區(qū)間范圍。最終，將所選中的單元網(wǎng)格與牙齒內(nèi)部的應(yīng)力對應(yīng)起來，彼此連接組合成基于應(yīng)力驅(qū)動的功能梯度網(wǎng)格構(gòu)型填充種植牙。得到的中空種植牙結(jié)構(gòu)如圖3所示。

(7)中空種植牙的制備；

將得到的中空種植牙cad模型轉(zhuǎn)換成stl文件格式，導(dǎo)入到3d打印系統(tǒng)中進(jìn)行相關(guān)操作，最后通過快速原型技術(shù)將其制作出來，得到的中空種植牙如圖4所示。