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基于三周期极小曲面(TPMS)的轴向梯度多孔(GP)种植体拓扑优化及其性能评价
作者: 张春雨
单位: 中南大学湘雅口腔医院

摘要

在之前的研究中,我们证实了轴向梯度多孔结构拥有更佳生物力学适应性。然而,原有的Pl-Cy型多孔结构的建模方案存在可复现性差的问题,且结构强度仍有较大提升空间。为此,本研究拟基于三周期极小曲面(TPMS)理论,对前期研发的轴向梯度多孔(GP)种植体进行拓扑结构迭代优化,旨在开发一种力学性能更优、能够更有效分散咬合应力的新型改良种植体。

建立各类型TPMS单元的孔径、孔隙率及比表面积与偏置值C之间的参数对应关系方程。通过数值离散化分析,评估经TPMS拓扑优化后的GP种植体在结构力学方面的优势;并对二次迭代优化后的种植体进行材料学及生物学性能评价。

TPMS拓扑结构的孔隙参数与偏置值C的拟合方程拟合优度良好(R2 > 0.99)。四种拓扑结构的抗压缩能力依次为I-WP > P > G > D,且孔隙率越高,I-WP结构的抗压优势越明显。峰值应力点值密度分布显示,TPMS结构的应力分布更为连续和分散,有助于避免局部应力集中和薄弱区域的形成。此外,在水接触角、细胞增殖活性以及早晚期成骨分化实验中,迭代后的多孔结构也表现出具有统计学意义的优势。

基于参数拟合方程可实现TPMS结构孔隙参数的精确建模。在四种TPMS拓扑结构中,I-WP的综合性能最佳,具备理想的结构强度,尤其在高孔隙率条件下优势更为突出。同时,经二次迭代优化的多孔结构在亲水性和生物相容性方面均表现出显著提升。

关键词: TPMS,轴向梯度多孔结构,生物力学,拓扑结构
来源:中华口腔医学会口腔种植专业委员会第16次口腔种植学术会议