CN108236509B - 一种NiTi记忆合金梯度多孔个性化种植牙及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种NiTi记忆合金梯度多孔个性化种植牙及制造方法，方法包括：对获得的患牙数据进行网格调整以及曲面拟合，得到具有较为光滑的患牙模型。采用截平面将牙冠部分与牙根部分进行分开，在种植牙牙根顶部根据所需固位力设计基台，牙根底部分布着梯度多孔结构，牙根采用具有记忆效应的NiTi记忆合金3D打印制造，经训练后具有记忆效应。牙根在体温相变温度点下发生相变产生变形，牙根顶部基台和牙根底部植入部分具有自膨胀效应，可实现牙根自动充满牙床并带有预紧力。种植牙布置BCC多孔结构和负泊松比多孔结构由于两种结构在相变时产生的横向变形差异，种植牙体底部产生不连续变形，形成类螺纹结构，增加接触面积，且起到固定作用，使种植牙不易发生松动。

Description

一种NiTi记忆合金梯度多孔个性化种植牙及制造方法

技术领域

本发明属于种植牙的技术领域，涉及一种NiTi记忆合金梯度多孔个性化种植牙及制造方法。

背景技术

所谓4D打印技术，就是在传统3D打印的概念中加入了“时间”元素，被打印物体可以随着时间的推移而在形态上发生自我调整。这项技术甚至不需要打印机器，就可以直接让材料快速成型，堪称革命性技术。4D打印技术将可以应用到家具、自行车、汽车甚至是医疗领域。

NiTi记忆合金由于具有形状记忆效应及超弹性行为，在生物医疗,航空航天,智能机器人等方面得到了广泛的应用。选区熔化3D打印具有记忆效应的NiTi记忆合金种植牙形成了一种新型4D种植牙技术。

NiTi记忆合金由于具有形状记忆效应及超弹性行为，在生物医疗,航空航天,智能机器人等方面得到了广泛的应用。传统种植牙一般选用标准化的螺纹植入方式，植入体为标准化的金属部件，无论是表面结构外形还是组成上都与自然牙根有着非常大的区别，螺钉式的植入方式会对牙骨槽组织造成非常大的挤压力，且表面光滑不利于骨细胞的快速增长，严重时会导致牙骨槽萎缩。而具有多孔结构的NiTi记忆合金的力学性能和弹性模量与人体硬组织更为接近，多孔结构降低了材料的密度，增加了材料的表面积，连通的孔隙具有类似毛细管的功能，植入后的多孔NiTi记忆合金可以从周围环境中吸收体液并为骨细胞和血管的长入提供必要的空间，便于多孔植入物与周围骨组织的紧密结合。由于NiTi记忆合金自身所具有的超弹性特性，收到压力作用变形后可产生恢复力，利于骨组织力的传递，刺激周围骨的生长。因此，将多孔NiTi记忆合金作为关节植入物以及种植牙等硬组织修复体具有巨大的医学应用潜力。

然而，均匀的多孔结构无法匹配种植牙的力学要求，牙的骨质都是呈现梯度孔径的分布，有利于力的传递以及能量吸收。负泊松比结构是指在受到拉力时,结构在弹性范围内发生横向膨胀,受到压力时,发生横向收缩。由于这种特殊结构决定了其具有良好的能量吸收性能。本发明提出一种具有梯度负泊松比多孔结构NiTi记忆合金种植牙的制造方法，为个性化种植牙的设计提供参考。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种NiTi记忆合金梯度多孔个性化种植牙及制造方法。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明一种NiTi记忆合金梯度多孔个性化种植牙的制造方法，包括下述步骤：

S1、利用CT扫描仪采集口腔上颌病患部位的医学影像数据，获得CT数据；

S2、将CT数据导入医用图像处理软件，根据阈值特征，在二维编辑里面对图像进行编辑，编辑完成后，将二维数据转换为三维数据，导出患牙的stl格式文件；

S3、将患牙stl格式文件导入至逆向重构软件，对获得的患牙模型进行网格调整，删除多余的尖角特征，进行平滑处理以及精确曲面拟合，得到光滑且拟合效果较好的患牙stl模型；

S4、将处理好的患牙stl模型导入至图像建模软件中，进行逆向重建与正向设计，利用截平面将牙冠部分与牙根部分进行分开，在牙根顶部根据所需固位力设计具有6°-8°斜度的基台，并利用布尔运算方法将牙冠部分减去对应的基台体积，获得具有匹配度较好的牙冠；

S5、根据其生物相容性要求以及受力情况，利用Rhinoceros插件grasshopper根据牙根形状设计连续梯度负泊松比多孔结构和不连续梯度负泊松比多孔结构种植牙；

S6、连续梯度负泊松比多孔结构种植牙经过3D打印直接成型后，需要通过热处理训练获得具有形状记忆效应的种植牙，在种植前为压缩变形后状态，由于其具有负泊松比特征，该连续梯度负泊松比多孔结构横向发生收缩，便于种植，植入人体后，在人体的口腔37℃的环境下，形状记忆合金发生相变回复，恢复至高温状态，表现为梯度多孔种植牙在牙槽窝中发生自膨胀，起到预紧力的作用；

S7、不连续梯度负泊松比多孔结构种植牙经过3D打印直接成型后，同时也需要通过热处理训练获得具有形状记忆效应的不连续梯度种植牙，在种植前为拉伸变形后状态，由于其部分结构具有负泊松比特征，部分结构具有正泊松比特征，负泊松比多孔结构部分横向发生膨胀，正泊松比BCC多孔结构部分横向发生收缩，形成具有类螺纹结构的多孔种植牙，将其压进牙槽窝中时，通过压缩变形以及在人体的口腔37℃的环境下形状记忆合金发生的相变回复，恢复至高温状态，表现为梯度多孔种植牙在牙槽窝中发生不连续自膨胀，起到预紧力的作用。

作为优选的技术方案，步骤S1中，所述CT数据为DICOM格式的数据。

作为优选的技术方案，步骤S2中，所述医用图像处理软件采用Mimics软件。

作为优选的技术方案，步骤S2中，对图像进行编辑具体是指，根据牙根的特征对其影像进行编辑，将非牙根的影像删除，实现牙根边界的连续变化。

作为优选的技术方案，步骤S3中，所述逆向重构软件选用Geomagic studio软件。

作为优选的技术方案，步骤S4中，所述图像建模软件采用Rhinoceros软件。

作为优选的技术方案，步骤S4具体为：

根据影像中牙槽窝与牙冠分离的界面，建立一个以z轴为法向的平面，利用该平面将牙冠部分与牙根部分进行分开，获得牙根和牙冠，在牙根顶部根据所需固位力设计具有一个8°斜度的基台，该基台的底部是以牙根顶部边缘封闭曲线内偏置1mm获得的封闭曲线，然后在该封闭曲线基础上建立一个平面，利用挤出操作建立3mm高，斜度为8°的基台，并利用布尔运算方法将牙冠部分减去对应的基台体积，获得具有匹配度较好的牙冠。

作为优选的技术方案，步骤S5中，设计连续梯度负泊松比多孔结构的方法为：

用Brep电池拾取牙根设计空间，将Brep连接至Uniform DS电池中，作为梯度多孔结构的设计空间，根据拓扑优化理论设计具有负泊松比结构的单元体；

将单元体的拓扑信息输入至Uniform DS电池中，设置单元体的尺寸，将UniformDS的struts信息输入至Heterogen Gradient电池中；

在Heterogen Gradient电池中设置梯度函数，对梯度的变化方向以及变化程度进行设置，其中多孔结构的桁架直径大小由0.16mm至0.32mm进行梯度的渐变；

利用Weaverbird’s LoopSubdivision电池对梯度多孔结构进行圆滑处理，其圆滑迭代阶数设置为2阶；

最后并利用bake功能将梯度多孔结构输出到Rhinoceros窗口中，完成具有梯度多孔种植牙的设计。

作为优选的技术方案，步骤S5中，设计不连续梯度负泊松比多孔结构种植牙结构的方法为：

用多个z轴法向截平面将牙根分为七个部分，用Brep电池分别拾取不同的设计空间，并将Brep连接至Uniform DS电池中，作为多孔结构的设计空间；

根据拓扑优化理论设计具有负泊松比结构的单元体和具有BCC结构的单元体；

将两种类型单元体的拓扑信息分别输入至Uniform DS电池中，设置单元体的尺寸，将Uniform DS的struts信息输入至Heterogen电池中，在Heterogen电池中设置struts直径为0.18mm；

利用Weaverbird’s Loop Subdivision电池对多孔结构进行圆滑处理，其圆滑迭代阶数设置为2阶；

最后并利用bake功能将多孔结构输出到Rhinoceros窗口中；

进行七次上述操作后，分别在七个牙根部分获得BCC-负泊松比间隔的梯度多孔结构，完成具有不连续梯度多孔种植牙的设计。

本发明基于上述制造方法制造的种植牙，包括牙根和牙冠，在牙根种植愈合后，采用传统粘合方式将具有凹凸台的牙冠与凸台的牙根固定，牙根为一体化3D打印成形，在牙根顶部根据所需固位力设有一个8°-10°斜度的基台，基台的底部是以牙根顶部边缘封闭曲线内偏置1mm获得的封闭曲线，所述牙冠的底部开设有与基台匹配的凸台；所述牙根底部分布着梯度多孔结构，所述梯度多孔结构为BCC-负泊松比间隔的梯度多孔结构，且牙根采用具有记忆效应的NiTi记忆合金3D打印制造。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明设计的一种个性化梯度负泊松比多孔结构种植牙，及其牙冠，基台等特征，并利用激光选区熔化技术制备具有梯度负泊松比多孔结构的种植牙，重建牙的咬合功能以及提高种植牙的生物相容性。

2、采用梯度负泊松比结构的种植牙一方面借助梯度多孔实现进一步降低弹性模量实现匹配，另一方面增加了材料的表面积，促进细胞长入，提高结合强度，同时记忆效应发生植入后，牙根初始形态小，利于医生手术安装，利用材料记忆效应变大撑紧牙位，同时因为材料弹性形成持续的预紧力，防止牙骨槽萎缩。

附图说明

图1个性化梯度负泊松比多孔种植牙设计流程图；

图2为本发明的CT数据提取，处理后的患牙示意图；

图3为本发明的种植牙的实体牙根与牙冠设计第一示意图；

图4为本发明的种植牙的实体牙根与牙冠设计第二示意图；

图5为本发明的连续梯度负泊松比多孔种植牙设计示意图；

图6为本发明的不连续梯度负泊松比多孔种植牙设计第一示意图；

图7为本发明的不连续梯度负泊松比多孔种植牙设计第二示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，本实施例NiTi记忆合金梯度多孔个性化种植牙及制造方法，包括下述步骤：

利用CT扫描仪采集口腔上颌病患部位的医学影像数据，获得DICOM格式的数据。将DICOM格式文件导入Mimics软件里面，根据阈值特征，在二维编辑里面对影像进行编辑。由于牙根的影像阈值与牙槽骨的影像阈值非常接近，需要根据牙根的特征对其影像进行详细编辑，将非牙根的影像删除，实现牙根边界的连续变化。精细编辑后，将二维数据转换为三维数据，并导出患牙的stl格式文件。

将患牙stl格式文件导入至Geomagic studio软件中,对获得的患牙模型进行网格调整,删除多余的尖角特征,并进行平滑处理,以去掉不需要的起伏特征。进行精确曲面的拟合，利用四边形布点原则，得到拟合效果较好的患牙stl模型，如图2所示。

将精确曲面拟合后的患牙stl模型导入至Rhinoceros软件中，进行逆向重建与正向设计。根据影像中牙槽窝与牙冠分离的界面，建立一个以z轴为法向的平面，利用该平面将牙冠部分与牙根部分进行分开，获得牙根3和牙冠1，如图3所示。在牙根顶部根据所需固位力设计具有一个8°斜度的基台2。该基台的底部是以牙根顶部边缘封闭曲线内偏置1mm获得的封闭曲线,然后在该封闭曲线基础上建立一个平面，利用挤出操作建立3mm高，斜度为8°的基台2，如图3所示。并利用布尔运算方法将牙冠部分减去对应的基台体积，获得具有匹配度较好的牙冠4，如图4所示。

根据其生物相容性要求以及受力情况，利用Rhinoceros插件grasshopper根据牙根形状设计连续的梯度负泊松比多孔结构种植牙。用Brep电池拾取牙根设计空间，将Brep连接至Uniform DS电池中，作为梯度多孔结构的设计空间。根据拓扑优化理论设计具有负泊松比结构的单元体。将单元体的拓扑信息输入至Uniform DS电池中，设置单元体的尺寸,将Uniform DS的struts信息输入至Heterogen Gradient电池中。在Heterogen Gradient电池中设置梯度函数，对梯度的变化方向以及变化程度进行设置，其中多孔结构的桁架直径大小由0.16mm至0.32mm进行梯度的渐变。为了减小结构尖角产生的应力集中，利用Weaverbird’s LoopSubdivision电池对梯度多孔结构进行圆滑处理，其圆滑迭代阶数设置为2阶。最后并利用bake功能将梯度多孔结构输出到Rhinoceros窗口中，完成具有梯度多孔种植牙的设计，如图5所示。

根据不同多孔结构的泊松比不同，利用Rhinoceros插件grasshopper根据牙根形状设计不连续的梯度负泊松比多孔结构。用多个z轴法向截平面将牙根分为七个部分，用Brep电池分别拾取不同的设计空间，并将Brep连接至Uniform DS电池中，作为多孔结构的设计空间。根据拓扑优化理论设计具有负泊松比结构的单元体和具有BCC结构的单元体。将两种类型单元体的拓扑信息分别输入至Uniform DS电池中，设置单元体的尺寸,将UniformDS的struts信息输入至Heterogen电池中。在Heterogen电池中设置struts直径为0.18mm。为了减小结构尖角产生的应力集中，利用Weaverbird’s Loop Subdivision电池对多孔结构进行圆滑处理，其圆滑迭代阶数设置为2阶。最后并利用bake功能将多孔结构输出到Rhinoceros窗口中。进行七次上述操作后，分别在七个牙根部分获得BCC-负泊松比间隔的梯度多孔结构，完成具有不连续梯度多孔种植牙的设计，如图6所示。将图6中的不连续梯度多孔种植牙通过金属3D打印成型后，利用手术种植至患者牙槽窝中，通过挤压压紧方式，该不连续梯度多孔结构发生变形，如图7所示。该变形的不连续性是由于BCC多孔结构为受压横向膨胀的正泊松比的结构，而另外一种负泊松比结构为受压横向收缩的结构，由于上述特性，在压紧牙根时发生不连续变形而形成类螺纹的锁紧结构，从而起到固定的作用。

在本发明制作方法中利用类似流程设计、具有连续梯度负泊松比多孔结构和不连续梯度负泊松比结构的种植牙均属本发明保护的范围。因此，本发明并不限于在此公开的特定实施例，而包括所有落入到权利要求保护范围的实施例。

Claims (8)

1.一种NiTi记忆合金梯度多孔个性化种植牙的制造方法，其特征在于，包括下述步骤：

S1、利用CT扫描仪采集口腔上颌病患部位的医学影像数据，获得CT数据；

S2、将CT数据导入医用图像处理软件，根据阈值特征，在二维编辑里面对图像进行编辑，编辑完成后，将二维数据转换为三维数据，导出患牙的stl格式文件；

S3、将患牙stl格式文件导入至逆向重构软件，对获得的患牙模型进行网格调整，删除多余的尖角特征，进行平滑处理以及精确曲面拟合，得到光滑且拟合的患牙stl模型；

S4、将处理好的患牙stl模型导入至图像建模软件中，进行逆向重建与正向设计，利用截平面将牙冠部分与牙根部分进行分开，在牙根顶部根据所需固位力设计具有6°-8°斜度的基台，并利用布尔运算方法将牙冠部分减去对应的基台体积，获得具有匹配度的牙冠；

S5、根据其生物相容性要求以及受力情况，利用Rhinoceros插件grasshopper根据牙根形状设计连续梯度负泊松比多孔结构和不连续梯度负泊松比多孔结构种植牙；步骤S5中，设计连续梯度负泊松比多孔结构的方法为：

用Brep电池拾取牙根设计空间，将Brep连接至Uniform DS电池中，作为梯度多孔结构的设计空间，根据拓扑优化理论设计具有负泊松比结构的单元体；

将单元体的拓扑信息输入至Uniform DS电池中，设置单元体的尺寸，将Uniform DS的struts信息输入至Heterogen Gradient电池中；

在Heterogen Gradient电池中设置梯度函数，对梯度的变化方向以及变化程度进行设置，其中多孔结构的桁架直径大小由0.16mm至0.32mm进行梯度的渐变；

利用Weaverbird’s LoopSubdivision电池对梯度多孔结构进行圆滑处理，其圆滑迭代阶数设置为2阶；

最后并利用bake功能将梯度多孔结构输出到Rhinoceros窗口中，完成具有梯度多孔种植牙的设计；

步骤S5中，设计不连续梯度负泊松比多孔结构种植牙结构的方法为：

用多个z轴法向截平面将牙根分为七个部分，用Brep电池分别拾取不同的设计空间，并将Brep连接至Uniform DS电池中，作为多孔结构的设计空间；

根据拓扑优化理论设计具有负泊松比结构的单元体和具有BCC结构的单元体；

将两种类型单元体的拓扑信息分别输入至Uniform DS电池中，设置单元体的尺寸，将Uniform DS的struts信息输入至Heterogen电池中，在Heterogen电池中设置struts直径为0.18mm；

利用Weaverbird’s Loop Subdivision电池对多孔结构进行圆滑处理，其圆滑迭代阶数设置为2阶；

最后并利用bake功能将多孔结构输出到Rhinoceros窗口中；

进行七次上述操作后，分别在七个牙根部分获得BCC-负泊松比间隔的梯度多孔结构，完成具有不连续梯度多孔种植牙的设计；

S6、连续梯度负泊松比多孔结构种植牙经过3D打印直接成型后，需要通过热处理训练获得具有形状记忆效应的种植牙，在种植前为压缩变形后状态，由于其具有负泊松比特征，该连续梯度负泊松比多孔结构横向发生收缩，便于种植，植入人体后，在人体的口腔37℃的环境下，形状记忆合金发生相变回复，恢复至高温状态，表现为梯度多孔种植牙在牙槽窝中发生自膨胀，起到预紧力的作用；

S7、不连续梯度负泊松比多孔结构种植牙经过3D打印直接成型后，同时也需要通过热处理训练获得具有形状记忆效应的不连续梯度种植牙，在种植前为拉伸变形后状态，由于其部分结构具有负泊松比特征，部分结构具有正泊松比特征，负泊松比多孔结构部分横向发生膨胀，正泊松比BCC多孔结构部分横向发生收缩，形成具有类螺纹结构的多孔种植牙，将其压进牙槽窝中时，通过压缩变形以及在人体的口腔37℃的环境下形状记忆合金发生的相变回复，恢复至高温状态，表现为梯度多孔种植牙在牙槽窝中发生不连续自膨胀，起到预紧力的作用。

2.根据权利要求1所述一种NiTi记忆合金梯度多孔个性化种植牙的制造方法，其特征在于，步骤S1中，所述CT数据为DICOM格式的数据。

3.根据权利要求1所述一种NiTi记忆合金梯度多孔个性化种植牙的制造方法，其特征在于，步骤S2中，所述医用图像处理软件采用Mimics软件。

4.根据权利要求1所述一种NiTi记忆合金梯度多孔个性化种植牙的制造方法，其特征在于，步骤S2中，对图像进行编辑具体是指，根据牙根的特征对其影像进行编辑，将非牙根的影像删除，实现牙根边界的连续变化。

5.根据权利要求1所述一种NiTi记忆合金梯度多孔个性化种植牙的制造方法，其特征在于，步骤S3中，所述逆向重构软件选用Geomagic studio软件。

6.根据权利要求1所述一种NiTi记忆合金梯度多孔个性化种植牙的制造方法，其特征在于，步骤S4中，所述图像建模软件采用Rhinoceros软件。

7.根据权利要求1所述一种NiTi记忆合金梯度多孔个性化种植牙的制造方法，其特征在于，步骤S4具体为：

根据影像中牙槽窝与牙冠分离的界面，建立一个以z轴为法向的平面，利用该平面将牙冠部分与牙根部分进行分开，获得牙根和牙冠，在牙根顶部根据所需固位力设计具有一个8°斜度的基台，该基台的底部是以牙根顶部边缘封闭曲线内偏置1mm获得的封闭曲线，然后在该封闭曲线基础上建立一个平面，利用挤出操作建立3mm高，斜度为8°的基台，并利用布尔运算方法将牙冠部分减去对应的基台体积，获得具有匹配度的牙冠。

8.根据权利要求1-7中任一项所述制造方法制造的种植牙，其特征在于，包括牙根和牙冠，在牙根种植愈合后，采用传统粘合方式将具有凹凸台的牙冠与凸台的牙根固定，牙根为一体化3D打印成形，在牙根顶部根据所需固位力设有一个8°-10°斜度的基台，基台的底部是以牙根顶部边缘封闭曲线内偏置1mm获得的封闭曲线，所述牙冠的底部开设有与基台匹配的凸台；所述牙根底部分布着梯度多孔结构，所述梯度多孔结构为BCC-负泊松比间隔的梯度多孔结构，且牙根采用具有记忆效应的NiTi记忆合金3D打印制造。

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