1、三维打印钛合金颅颌面接骨板的生物力学性能分析 魏弘朴 余婧爽 姜腾飞 李祥 王旭东 上海交通大学医学院附属第九人民医院口腔医学院口腔颅颌面科上海市口腔医学重点实验室/上海市口腔医学研究所国家口腔疾病临床研究中心 上海交通大学机械与动力工程学院 摘 要： 目的:利用 2 种三维打印技术制作钛合金颅颌面接骨板, 并将其生物力学性能与锻造的成品化钛板进行比较。方法:获取成品化钛板数据, 运用选择性激光融化技术 (selective laser melting, SLM) 和电子束熔融技术 (electron beam melting, EBM) 进行三维打印制作。将成品化钛板、SLM 钛板和 EBM
2、 钛板分别进行三点弯曲的静态力学检测和洛氏硬度检测。获取检测数据后, 利用 SPSS13.0软件包对数据进行统计学分析。结果:所有测试均顺利完成, 方差分析显示, 其屈服载荷结果为 SLMEBM成品化, 最大载荷结果为 SLMEBM成品化, 差异均具有统计学意义。洛氏硬度检测结果为 SLM成品化EBM, 两两比较显示, 2 种方式的洛氏硬度值与成品化钛板的差异无统计学意义。结论:三维打印的钛合金接骨板具有较好的生物力学性能, 其力学强度和硬度基本满足国家及行业标准。关键词： 三维打印; 颅颌面接骨板; 选择性激光融化技术; 电子束熔融技术; 作者简介：魏弘朴 (1992-) , 男, 在读硕士
3、研究生, E-mail:作者简介：王旭东, E-mail:收稿日期：2017-09-26基金：上海市教育委员会高峰高原学科建设计划 (20152225) Biomechanical analysis of three-dimensional printing titanium alloy craniomaxillofacial bone plateWEI Hong-pu YU Jing-shuang JIANG Teng-fei LI Xiang WANG Xu-dong Department of Oral and Craniomaxillofacial Surgery, Shanghai
4、Ninth Peoples Hospital, College of Stomatology, Shanghai Jiao Tong University School of Medicine, Shanghai Key Laboratory of Stomatology School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University; Abstract： PURPOSE: To study the mechanical properties of titanium alloy craniomaxillofacial bone p
5、late manufactured by two kinds of three-dimensional printing techniques and compare with conventional titanium plate. METHODS:Stereolithography data (STL) of conventional titanium plates were obtained and used to fabricate bone plate by selective laser melting (SLM) and electron beam melting (EBM) .
6、 Static mechanical test and Rockwell hardness test of the conventional titanium plate, SLM titanium plate and EBM titanium plate were carried out. The SPSS13.0 software package was used to analyze the data. RESULTS: All the tests were successfully completed. Variance analysis showed that the yield l
7、oad was SLM EBM conventional plate, and the maximum load was SLM EBM conventional plate, the difference was statistically significant. Rockwell hardness test results was SLM conventional plate EBM, multiple comparison showed that the difference of the two techniques and conventional plate was not st
8、atistically significant. CONCLUSIONS:The preliminary results show that three-dimensional printing titanium alloy plate has nice biomechanical properties, and its mechanical strength and hardness meet the national and industrial standards.Keyword： Three-dimensional printing; Craniomaxillofacial bone
9、plate; Selective laser melting technology; Electron beam melting technology; Mechanical properties; Received： 2017-09-26正颌手术中常常需要使用钛合金接骨板进行骨段的坚固固定。传统的正颌手术使用 板辅助骨块的移动与固定, 然而其依靠的是下颌骨, 以定位上颌骨的空间位置, 下颌骨的不稳定性将直接导致上颌骨偏离理想的位置1。此外, 板在加工以及术中固定时也存在一定误差。由于颌面部解剖结构复杂, 形状不规则, 术中常常需要对成品化的接骨板进行弯制, 以使其形状贴合骨面。关于接骨板断裂
10、的动物实验及临床研究均表明, 接骨板的弯制常常导致残余应力和微裂痕的产生, 因而成为钛板断裂的主要原因2-4。相关的生物力学研究表明, 预成型的钛板弹性、刚性等生物学性能均优于其他类型钛板2,5。然而, 预成型钛板制作较为繁琐, 使用传统的制作方式虽然能够有效控制宏观结构, 但其方式局限于手工切削与磨具制造, 过程繁琐且耗时耗力。另外, 其对于复杂的内部结构及孔隙的制作也较为局限, 因而限制了其应用6-7。近年来, 三维打印技术的推广和应用, 为个性化钛金属植入物的制造提供了新的选择。运用三维打印技术, 一方面能够依照人体的解剖外形制造复杂的个性化植入物;另一方面也能制造出具有孔隙的金属植入物
11、, 以提高生物相容性并获得与骨组织相匹配的机械性能8-9。多种三维打印方法可用于金属制造10-11,其中选择性激光融化技术 (selective laser melting, SLM) 和电子束熔融技术 (electron beam melting, EBM) 因其效率高, 同时能够准确控制内部结构和复杂形状, 因而在航空航天和生物医学领域获得广泛应用12-13。由于两者的热源不同, 其生物力学性能也有一定差异。虽然国内外已有许多研究探讨 2种方式制作的金属材料的性能差异12,14-16, 但对 2 种方式制作的颅颌面接骨板的生物力学性能, 尚未进行系统比较。本研究利用 2 种三维打印方式制作
12、颅颌面接骨板, 将其与成品化接骨板进行比较, 探讨其生物力学性能差异, 以期为后期个性化接骨板的临床应用提供参考。1 材料与方法本研究于 2017 年 1 月9 月在上海交通大学机械与动力工程学院及上海交通大学分析测试中心进行。1.1 样本获取选取宁波慈北医疗器械有限公司上颌 L 型 4 孔钛板 (YL0.8-12) , 并获取其STL 格式 (stereolithography) 数据。将数据导入 3D 打印机中, 使用 Ti-6Al-4V 合金粉 (登特伦, 德国) 为原料, 分别利用选择性激光融化技术 (Concept Laser, 德国) 和电子束熔融技术 (Arcam A1, 瑞典)
13、 进行三维打印制作 (图 1) 。所有样件的制作采用同一方向, 同时不对钛板进行后期的酸蚀等表面处理。选用宁波慈北医疗器械有限公司的相同型号的钛板作为对照。图 1.2 种三维打印技术制作的钛合金颅颌面接骨板。A.SLM 制作的接骨板;B.EBM 制作的接骨板 Figure 1.Two kinds of titanium craniomaxillofacial bone plate made by three-dimensional printing technology.A.Bone plate made by SLM;B.Bone plate made by EBM 下载原图1.2 静态力学
14、检测静态力学检测选用三点弯曲测试, 其标准参照 YY/T0342-2002 进行。在 Bose Electro Force 3330 电磁式疲劳试验机 (BOSE, 美国) 上, 将测试样件放置妥当, 骨接触面朝上, 非接触面朝下, 三点弯曲的压头位于“L”型接骨板的桥接部位, 调节压头与试件刚接触 (图 2) 。放置妥当后, 清零力和位移值, 设置加载速率为 1 mm/min, 在试件中间施加垂直压力。测试前准备妥当后, 开始进行测试。受力类型采用三点弯曲, 其最大弯矩在测试件中心压头下部位, 下表面受拉, 上表面受压, 系统自动采集并存储加载力和位移值。加力至钛板断裂或变形掉落后结束实验,
15、 并获取其载荷、位移数据。采用 Origin Pro 2015 软件 (Origin Lab, 美国) 对测试数据进行制图, 制作载荷-位移曲线。通过载荷-位移曲线计算试样的最大载荷以及屈服载荷。每类样品测试 3 件。1.3 硬度检测硬度检测参照 GB/T230.1-2009 标准进行。采用 HR-150DT 型金属洛氏硬度计 (上海精密仪器仪表有限公司) , 实验力为 588 N, 实验加载时间为 20 s, 测量试样的测试点均匀。测试试样放置妥当后, 开始进行测试, 系统自动采集数据。为了保证实验数据的可靠性, 每个样品的同等位置测试 3 次, 取均值作为该件样品的硬度值, 同时每类样品测
16、试 3 件。图 2.静态力学检测所用的 Bose Electro Force 3330 电磁式疲劳试验机以及测试中接骨板的放置位置 Figure 2.Bose Electro Force 3330 electromagnetic fatigue testing machine used for static mechanical test and placement of the plate during test 下载原图1.4 统计学处理采用 SPSS13.0 软件包对数据进行统计学分析。实验结果以s 表示, 使用单因素方差分析比较 3 种制作方式制作的颅颌面接骨板生物力学性能的差异, 两
17、两比较使用 LSD 检验法, PEBM成品化, 方差分析显示, 其差异具有统计学意义;通过 LSD 检验法进行两两比较, EBM 和成品化接骨板的屈服载荷差异不具有统计学意义。最大载荷结果为 SLMEBM成品化, 方差分析显示, 其差异具有统计学意义;通过 LSD 检验法进行两两比较, 组间差异具有统计学意义。2.2 洛氏硬度测试3 种制作方式的洛氏硬度结果如表 1 所示, 其洛氏硬度结果为 SLM成品化EBM。方差分析显示, 其差异具有统计学意义;通过 LSD 检验法进行两两比较, SLM 和 EBM 2 种接骨板的洛氏硬度值具有显著差异, 而成品化钛板与 2 种接骨板无显著差异。表 1.三
18、维打印钛合金颅颌面接骨板的生物力学性能 Table 1.Biomechanical properties of three-dimensional printing titanium alloy craniomaxillofacial bone plate 下载原表 3 讨论颅颌面部创伤及整形术后常常需要使用接骨板进行骨块固定, 随着坚固内固定技术在颌骨手术中的普及, 对颅颌面部接骨板的需求越来越大。然而, 由于人体的解剖结构复杂且不规则, 成品化的接骨板和植入物往往难以与骨组织完全贴合。有报道成品化植入物与骨组织的接触率仅为 53%, 由此可造成应力集中, 影响骨生成甚至造成骨连接的松动14
19、。因此临床运用中, 常常需要对接骨板进行弯制, 使其贴合骨面。然而术中对接骨板的弯制不但延长了手术时间, 同时造成了接骨板的残余应力和微裂痕2-4, 由此产生了预弯型钛板。预弯型钛板主要用于上颌前移手术, 用以减少术中钛板的过度弯制, 并使其贴合骨面17-18。Araujo 等5通过比较几种不同类型的接骨板的生物力学稳定性, 得出预弯型钛板的生物力学稳定性优于其他类型的接骨板。Coskunses 等18则通过有限元分析, 显示在上颌前移量小于 5 mm 时, 相比于传统钛板, 预弯型钛板是一个较好的选择。Ragaey 等19通过比较术后的稳定性发现, 使用预弯型钛板, 其术后稳定性较好, 能有
20、效减少术后的复发。传统的钛板制作工艺为金属锻造, 其制作流程较为繁琐, 并且制作过程中保护气中的氧分子、碳分子会随着制造过程进入金属中, 降低了支架的机械性能6-7。同时, 传统的锻造工艺无法真正达到个性化制作需求, 近年来, 随着三维打印技术的普及, 使个性化金属植入物的制造又有了新的选择。EBM 和 SLM 技术不同的热源及不同的制造原理, 直接导致了 EBM 和 SLM 样品之间的微观结构、孔隙度、表面光洁度和力学性能的不同。SLM 系统使用的是镜像偏转系统的扫描激光束, 而 EBM 系统使用的是类似于经典的电子光学结构。虽然两者的概念相类似, 但电子束中的电流能量比在 SLM 中使用的
21、光束能量更大。在熔融扫描制作前, 电子束也被用来预热粉末, 从而降低了热梯度。而在SLM 中, 只有基底被加热, 因此 SLM 具有较高的温度梯度, 从而导致了热应力的积聚以及非平衡相的存在12。此外, 两者制造过程中的其他参数, 如粉末粒度、扫描间距等也有所不同。本研究选取金属三维打印中最常用的 2 种工艺, 比较其生物力学性能差异, 以期为后期个性化接骨板的临床运用提供参考。以往已有研究对 2 种方式制作的金属的力学性能进行比较。Zhao 等12对 SLM和 EBM 2 种技术制作的钛合金材料的微观结构和机械性能进行了对比, 发现SLM 试样的拉伸强度明显大于 EBM 试样, 然而其延展性
22、却较差。由于 3D 打印的试样中含有孔隙, 所以不论是 EBM 还是 SLM 试样, 其疲劳强度均较铸造和锻造试样差。鄢荣曾等15通过 2 种制作方式制造网状钛金属支架, 并将其生物力学性能与普通机械加工制备的钛合金试件进行对比, 结果显示, 三维打印的三维网状钛合金支架可通过网状结构单元的优化设计, 获得高孔隙率、合适孔径以及足够抗压强度等特性, 以满足临床需要。Liu 等14通过 EBM 制作锁定加压板 (LCP) , 并将其与成品化 LCP 板进行比较, 发现 EBM 制作的 LCP 板的生物强度远大于成品化 LCP 板。本研究通过静态力学的三点弯曲测试来反映材料的屈服载荷和最大载荷,
23、结果显示, 三维打印制作的接骨板的力学性能普遍优于传统接骨板, 其中, SLM 的力学性能优于 EBM。将静态力学测试的结果绘制应力应变曲线, 以进一步反映材料的力学性能, 结果显示, SLM 制作的接骨板的弹性模量最大, 其次是 EBM, 成品化接骨板的弹性模量最小。材料的应力应变曲线分为 3 个阶段:第 1 阶段为弹性形变阶段, 其应力与应变呈正比, 其中弹性模量反映了 SLM 制作金属的刚度较其他 2 种大, 具有较为优异的生物力学性能, 能够抵抗较大的外力而不至发生太大形变。第 2 阶段为塑性形变阶段, 材料发生不可逆的改变, 该阶段应力基本不变, 而应变依然增加, 材料失去了抵抗形变
24、的能力, 进入屈服阶段。屈服载荷比较显示, SLM 的屈服载荷较其他 2 种大, 具有较大的抵抗外力作用的能力。第 3 阶段应力达到最大值并发生断裂, 其中最大载荷反映材料能承受的最大应力, 其结果为 SLM成品化EBM。硬度是反映材料力学性能的另一指标, 其反映的是材料抵抗另一硬物压入其内而产生局部塑性变形的能力。Zhao 等16通过 EBM 和 SLM 技术制造钛合金支架, 并将其维氏硬度与传统锻造的钛合金支架进行比较, 结果显示, SLM 和锻造的金属硬度相似;而 EBM 制造的金属, 其硬度高于其他 2 种方式。Liu 等14利用EBM 技术制造 LCP 板, 并与成品化的 LCP 板
25、进行硬度比较, 结果显示, EBM 制作的 LCP 板的维氏硬度较成品化 LCP 板高。本研究通过检测洛氏硬度, 反应 2 种工艺制作的金属的硬度差异, 结果显示, SLM 制作的接骨板的硬度值最大, 其次是成品化接骨板, EBM 制作的接骨板的硬度值最小。两两比较显示, SLM 接骨板和 EBM 接骨板的硬度值的差异具有统计学意义, 而成品化接骨板和两者的差异无显著性。该结果与以往的研究有一定差异, 原因可能在于三维打印制作过程中制作参数及细节的差异, 以及检测的设备和方法不同所致。通过三维打印技术制作的接骨板不但具有较好的生物力学性能, 还能依据患者的解剖结构进行个性化定制, 保证了手术精
26、度, 避免了潜在的误差1,14, 具有以下优势: (1) 形态与患者解剖结构贴合, 减少了手术时间; (2) 避免了弯制过程中产生的残余应力和微裂痕对接骨板强度的影响; (3) 可作为手术导板引导手术实施, 提高手术精度; (4) 可在转角等应力集中部位进行加固, 以获得较大的力学强度1,17。但其也存在明显不足, 首先, 个性化接骨板的设计和制作环节仍然较为繁琐, 并且价格昂贵;其次, 个性化接骨板往往尺寸较大, 加大了手术难度。本研究通过生物力学检测, 探讨 3 种钛合金接骨板制作工艺在生物力学性能上的差异, 以期为后期个性化接骨板的运用提供参考。初步研究结果显示, 三维打印的钛合金接骨板
27、具有较好的生物力学性能, 其力学强度和硬度基本满足国家及行业标准, 但该研究仍有诸多不足。首先, 由于三维打印过程中金属粉末及制作过程的诸多参数对最终样品的力学性能均会产生影响, 因此该结果仅仅是一个初步比较结果, 后期可根据制造参数进行变量控制, 以探索最佳的三维打印制作方式。其次, 该研究中测试样本较少, 按照国家的检测标准, 同一类样品在每个试验中仅取 3 个样件进行测试。样品的部分测试数据存在一定的波动性, 后期研究中需扩大样本量, 以探讨 3 种方法制作样品的力学性能差异。最后, 对于不规则形状的接骨板, 无法利用传统的力学测试方法进行检测, 后期研究中需进一步探索个性化接骨板的力学
28、测试方法, 为临床操作提供相应的数据支持。利益冲突声明:无。参考文献1李彪, 姜腾飞, 沈舜尧, 等.3D 打印个体化钛板在正颌手术中的应用及其准确性评价J.中国口腔颌面外科杂志, 2016, 14 (5) :419-424. 2Lauria A, de Medeiros RC, Rodrigues DC, et al.Evaluation of cyclic and linear mechanical resistance of prebent and manuallybent plates used for maxillary advancement in orthognathic sur
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