25、牙科植入物优化技术与算法综合解析

牙科植入物优化技术与算法综合解析

1. 牙科植入物概述与优化需求

牙科植入物是患者牙齿修复的关键治疗方式，主要由螺钉、基台和牙冠组成，常用材料为钛及钛合金。植入过程由牙医将其手术拧入颌骨。然而，植入物设计、机械负载、患者情况、手术技术和植入环境等因素，可能导致牙科植入物早期失败。植入后，植入物需与周围骨骼融合，即骨整合，虽约 95%的牙科植入物能正常使用约 15 年，但仍存在失败情况，因此对牙科植入物进行优化十分必要。其优化主要分为以下三类：
- 结构优化 ：旨在最大化或最小化牙科植入物的结构参数，以实现最佳植入效果。包括拓扑优化，通过改变植入物的轮廓和直径，优化指定区域内的材料分布，优化过程中结构内可能会形成任意孔洞和不同连接。
- 表面形态优化 ：关注牙科植入物的表面特性，其表面属性对骨整合和抗菌性能起着重要作用。
- 材料性能优化 ：由于工程生物材料与周围组织的机械性能存在差异，导致骨整合和骨重塑困难，因此植入物的弹性模量应接近天然组织。

2. 有限元分析（FEA）在优化技术中的应用

有限元分析（FEA）是研究牙科植入物常用的数值技术，主要研究影响植入物行为的各种机械特征。多数研究使用有限元方法结合静态载荷模拟生物力学行为，但咀嚼过程包含动态载荷，考虑动态载荷进行 FE 建模可获得更准确结果。此外，正交各向异性模型比各向同性模型更适合确定骨 - 植入物界面的应力。

建模步骤如下：
1. 使用 CAD 定义所需的骨骼和植入物几何形状。
2. 根据杨氏模量和泊松比定义骨骼组件和植入物的材料行为