在种植牙产业链中，基台和牙冠的附加值较低，而种植体是种植系统的核心部件。在我国的种植牙制造企业中，从事基台和牙冠加工的企业较多，而种植体进口产品在国内市场占有率超过90%。[1] 此外，根据华福证券的测算，在种植牙集采落地后，集采落地后种植牙增速有明显提升。不过，大幅增长的种植量或仍主要由进口品牌贡献。[2]
相比之下，国产种植体产品尚处于发展初期，精密车削加工在 CAD/ CAM 应用实例中表现和费效比并不完善，加上设计专利的短板，国产厂商在牙种植体设计制造方面难以突出重围。国产企业在品牌和渠道建设等方面与进口品牌仍有差距，与一些韩国品牌相比性价比优势并不突出。[1] 在价格战策略难以奏效的情况下，通过技术创新，在产品设计、产品性能上培养竞争力，或将为国内牙科种植体企业加速实现进口替代开辟出新的道路。
根据3D科学谷的市场研究，粉末床选区激光熔融（SLM）3D打印技术是实现种植体设计创新的新兴途径。本期谷.专栏将分享一篇关于SLM 3D打印多孔牙种植体力学特性的研究。希望为国产种植体制造领域提供一定的参考。
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摘要
目的 确定既满足强度要求又能够有良好长期稳定性的梯度多孔牙种植体最佳孔隙值。方法 设计 4 组不同孔隙率（G30、G40、G50、G60）的梯度多孔结构样件及均质多孔样件 S30，选区激光熔化（SLM）成型后通过准静态压缩试验对其力学性能进行研究，测量出样件的弹性模量和屈服强度。通过有限元分析评估不同孔隙率种植体及对应下颌骨组织的应力分布。
结果 相较于实体钛合金结构（110 GPa），多孔结构的弹性模量（13.47~15.88 GPa）已完全符合人体自然骨组织（2~20 GPa）范围，多孔结构屈服强度 （484.81~834.47 MPa）远高于皮质骨（180.5~211.7 MPa）；梯度多孔结构样件弹性模量相较于均质多孔结构略有提升，屈服强度（834.47 MPa）比均质多孔结构样件（730.56 MPa）提高了约 14%。梯度多孔种植体周围皮质骨最大等效应力值分布在 43.362 9~45.015 4 MPa 之间，松质骨最大等效应力值分布在 4.756 58~ 5.055 6 MPa 之间，完全满足 2~60 MPa 范围内的最大应力，适合骨组织生长。种植体与下颌骨之间的应力差值随着孔隙率的增大而逐渐变大，孔隙率为30%的 TPMS–G 型梯度多孔牙种植体与下颌骨应力差值最小，生物力学特性最佳，有利于形成稳定的骨整合。
结论 通过试验及仿真模拟，确定了适用于种植体的最佳梯度多孔结构，既满足强度要求，又具有良好的长期稳定性。
图文解析
图1 单元偏置量 C 与孔隙率 P 的关系
图2 TPMS 多孔结构样件模型
图3 Ti6Al4V 粉末形貌
图4 种植体及装配模型
图5 SLM 成型的多孔样件
图6 TPMS 多孔结构压缩应力–应变曲线
图7 相对密度与力学性能关系
图8 不同孔隙率梯度多孔及均质多孔种植体皮质骨等效应力云图
图9 不同孔隙率梯度多孔及均质多孔种植体松质骨等效应力云图
图10 不同孔隙率梯度多孔及均质多孔种植体等效应力分布
总结
为缓解植入传统金属牙种植体后引起的应力遮挡并促进长期稳定的骨结合，选取了 TPMS−G 型多孔结构来进行牙种植体多孔部分的设计，探究孔隙率变化带来的影响，通过力学性能测试试验和有限元仿真得出了以下主要结论。
1）制备出的 TPMS–G 型多孔结构样件成型效果良好。通过压缩试验发现，在满足颌骨细胞黏附、增殖与分化的孔径孔隙率需求范围内，5组不同孔隙率的 TPMS−G 型多孔结构的力学性能均能够满足种植体的使用要求。相较于实体结构，多孔结构可以降低种植体弹性模量，且梯度多孔结构的弹性模量与屈服强度均强于均质多孔结构，随着梯度多孔结构孔隙率的增大，其力学性能逐渐降低。
2）不同孔隙率的 TPMS−G 型结构弹性模量和屈服强度被赋予有限元分析模拟的材料配置参数。仿真分析结果表明，在极限咬合载荷下，多孔结构牙种植体周围颌骨组织的最大等效应力值满足骨应力学说，处于骨组织生长的适宜范围，能有效缓解应力遮挡效 应。并且相较于均质多孔结构，梯度多孔结构由于其力学性能更优，与相应下颌骨配合状态也明显更好。平均孔隙率为 30%的梯度多孔种植体，其周围骨组织最大应力完全满足骨组织正常生长范围，同时与颌骨 之间的应力差值也最低，更有利于植入并促进长期稳定的骨结合，提高种植牙植入后的长期稳定性和使用 寿命。然而，有限元分析结果有很大的局限性，无法完全模拟出最实际的日常口腔咀嚼情况，因此需要广泛的临床应用试验。本研究只单独考虑到模拟分析下颌骨的情况，对于另外的多种骨结构，具有梯度多孔结构的种植体是否有利于创建良好的骨整合状态从而到达长期稳定的种植仍需要大量的综合模拟分析。
来源 l 精密成形工程
参考资料
[1] 前瞻经济学人. 《2020年中国口腔医疗市场现状及发展前景分析 国产化时代来临》。
[2] 每日经济新闻.《种植牙集采落地半年观察：以前“种一口牙堪比一台豪车” 现在打了五折》
引用信息：
DOI:10.3969/j.issn.1674-6457.2023.01.008
期刊英文名称简写：J. Netshape Form. Eng.
曾寿金，王靖，何伟辉，许明三，韦铁平等.基于 SLM 的梯度多孔牙种植体力学特性[J]. 精密成形工程, 2023, 15(1): 61-70.
Zeng Shoujin, WANG Jing, HE Weihui, XU Mingsan, Wei Tieping et al. Mechanical characteristics of gradient porous tooth implant based on SLM [J]. Precision Forming Engineering, 2023, 15(1): 61-70.
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