筆者剛進入3D打印這個行業的時候，逢年過節最大的煩惱就是要怎么給七大姑八大姨介紹自己的工作。一旦說是做3D打印的，那免不了就要解釋一下什么是3D打印。如果要舉一個當下3D打印最接地氣的應用，我會毫不猶豫地選擇齒科應用，從矯正用的隱形牙套到矯正支架，從種植牙的牙冠到頜面植入體，3D打印正批量地生產著定制化笑容。

大多數人都感覺接受牙科手術特別難受。與置換多顆牙齒及大塊骨骼相比，補牙、種植牙或根管填充就顯得微不足道了，因為前者由眾多疾病所致，如外傷、骨折、腫瘤、退行性骨骼疾病等。通常在治療嚴重的骨缺損時，需從患者的肋骨或腓骨（位于腿部）獲取骨骼，并且需要長達12~18個月至少三次創傷手術。這些問題以及骨關節炎和其他疾病可能需要置換顳頜關節(TMJ)，通常被稱為頜關節，頜關節可利用現成部件進行置換，但往往讓患者感到不適且會降低其功能性。

在缺失大量骨骼和多顆牙齒的情況下，傳統牙科植入物無法提供足夠的穩定性來承受咬合力。還有一種選擇是臨時可摘義齒，但這種義齒既不舒服也不穩定。為了解決上述問題，外科醫生通常會采取從供體部位摘除骨骼并將其植入頜部的手術，而植牙需要額外的手術。患者在分階段手術期間需要很長的時間恢復，而且完成修復的時間會超過1年，由于骨移植過程非常復雜，因此很難匹配患者的面部輪廓，所以患者術后的面部往往會不對稱。另外，疼痛和供體部位感染也非常常見。

在需要進行TMJ置換時，數量有限的標準TMJ植入物尺寸無法滿足臨床實踐中遇到的各種頜部與骨缺損構形，如果骨缺損嚴重，患者相關部位可能會變畸形而且TMJ功能不良，因為現有植入物無法完全符合患者的病狀與形態。

OMX Solutions公司的TMJ整體關節置換系統

為了應對上述狀況，澳大利亞齒科解決方案提供商 OMX Solutions研發了一種新的頜骨植入物——Osseo-Frame，其能為牙修復體提供堅固牢靠的骨骼置換與安裝位置。在自身骨骼部位不適合傳統牙科植入物的情況下，可以消除對骨植入物的需求。這種植入物采用數字化設計并通過3D打印而成，以匹配患者的牙槽骨嵴，可確保相關裝置能在無需骨骼修正的情況下完美適應自然骨骼。微型螺絲和底座可提供基本穩定性，因而無需漫長的治愈期就能立即安裝植入物（和假牙）。

OMX Solutions的設計過程

OMX Solutions的TMJ整體關節置換，能夠全面置換患者的顳下頜關節。根據患者的計算機斷層掃描 (CT)數據，3D打印的鈦下頜部件可利用數字化方式確定尺寸并進行調整，以適應每位患者的特定骨骼結構。此外，聚乙烯窩也是通過數字化方式確定尺寸和進行定制，進而采用計算機數值控制 (CNC)進行加工。然后，這兩者再作為定制安裝球（骨節）和牙糟（窩）關節一起工作。

兩個系統都配套提供切割、鉆孔和定位指南，以提高手術的準確度。

在根據患者的具體骨骼輪廓定制這些裝置時，第一步是執行CT掃描，以準確顯示患者現有骨骼結構的幾何形狀。之后，生產工程師再采用專業軟件將CT掃描輸出結果轉換成患者骨骼的數字模型，并設計一款能緊密匹配患者3D骨骼的植入物。

在設計定制植入物的過程中，生產工程師必須確保包含骨骼、附件和植入物組件等在內的整套裝配體不會失敗。如果不采用仿真，就需要打印每個植入物，并對其進行物理測試。若不合格，則需要重新設計、重新制作和重新測試，這些都會消耗時間和資金。另外，針對每位患者都實施整套植入物-骨骼裝配體的物理測試也不可行。

“OMX Solutions通過采用數字設計和增材制造技術研發了更完善的解決方案，從而制造出能完美適應患者現有骨骼的定制植入物。”

TMJ整體關節置換系統組件包含下頜（上部）和窩（下部）

這期間OMX Solutions選擇了直觀易用界面的Ansys仿真工具，對骨骼和植入物作為整體進行仿真。生產工程師首先運用參考文獻中所述的平均咬合力對裝置進行了單獨仿真。雖然OMX產品的一般患者年齡較高且肌肉力量有所降低，但仿真時通常使用25歲男性的平均咬合力。因此，這些患者的咬合力更低，所以此方法可以提供充分的安全余量。

在對裝置的完整性建立信心后，工程師接下來對完整實體模型進行仿真，包括從CT掃描獲得的骨骼多材料模型和將植入物固定到骨骼的螺絲，一應俱全。所有材料均進行非線性處理。此模型包含骨骼、螺絲和植入物之間的摩擦接觸。接觸檢測可用于記錄骨骼模型中各個螺絲每一個面之間的接觸，并確定使用過程中可能出現的任何潛在分離，如框架脫離骨骼。在4核個人計算機上運行此項仿真，通常需要2~5小時。

此項仿真不僅能夠確定組件之間相互作用時存在的潛在問題，而且還能指出潛在故障點。例如，它可以顯示出在哪個位置的螺絲有可能因局部應力高而導致骨裂，或在哪個位置的螺絲無法牢固地固定植入物。OMX Solutions生產工程師確信裝配體牢固可靠后，他們就可將設計方案提交給外科醫生進行審查。外科醫生有時會根據臨床可行性和可用性提出修改建議，在這種情況下就需要另一輪的仿真。

植入物Osseo-Frame受到的等效應變

植入物Osseo-Frame的整體變形

經由CT進行數字化模型、仿真分析潛在問題和3D打印生成最終成品，一個適應患者的定制植入體將和患者從此一起面對生活，而又不為旁人所知。這也許就是最好的技術，如春風潤物無聲。3D打印是如此，仿真更是如此。

OMX Solutions采用Ansys Mechanical 對骨骼和植入物作為一個整體進行仿真，在經過物理測試確認之后，能確保植入物可以承受與咀嚼相關的力量。最終獲得的定制化面部和頜部植入物，不僅能夠改善手術效果，還可大幅降低所需的手術次數以及消除供體部位的疼痛和病狀。

【1】個性化植入物讓患者重展笑顏，Sarah Fink和Aaron Atkinson，澳大利亞墨爾本OMX Solutions公司設計工程師， https://www.ansys.com/zh-cn/about-ansys/advantage-magazine/volume-xii-issue-3-2018/personalized-implants-restore-smiles