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为解决颌面植入物强度 - 重量比优化难题，研究人员开展了针对颌面患者特异性植入物（PSI）的分析与拓扑优化研究。结果显示优化后植入物重量降低 4.43%，变形仅增 4μm 。该研究为 PSI 发展提供新方向，推动了医疗领域进步。
在医疗领域，颌面区域的修复与矫正一直是极具挑战性的难题。人的颅面解剖结构极其复杂，每个人的颌面骨骼和组织都存在独特差异，就像世界上没有两片完全相同的树叶。而且患者对于手术效果期望很高，这使得先天性或后天性颌面异常的治疗困难重重。传统的植入物难以精准适配患者的特殊解剖结构，术后并发症风险较高，恢复时间也长。因此，开发更精准、更有效的颌面植入物迫在眉睫。
在这样的背景下，Navodaya Dental College and Hospital 的研究人员开展了关于颌面患者特异性植入物（Patient-Specific Implants，PSI）的分析和拓扑优化研究。他们致力于通过优化植入物的设计，提高其机械性能，同时减轻重量，以提升临床应用效果。研究结果令人瞩目，优化后的植入物重量降低了 4.43%，而变形仅增加了 4μm，在保持机械稳定性的同时实现了重量的有效减轻。这一成果意义重大，它为颌面修复手术提供了更优质的植入物选择，有助于提高手术成功率，减少患者痛苦，推动了颌面修复医学的发展。该研究成果发表在《Bioprinting》上。
研究人员开展此项研究运用了多种关键技术方法。首先，借助有限元分析（Finite Element Analysis，FEA）评估植入物能承受的最大咀嚼力，分析应力分布和变形情况。其次，采用拓扑优化方法，对植入物的几何形状进行迭代优化。最后，利用直接金属激光烧结（Direct Metal Laser Sintering，DMLS）这一先进的增材制造（Additive Manufacturing，AM）技术，高精度制造优化后的植入物。研究中使用的样本来自一位 38 岁患下颌癌的男性患者。
研究结果
- 模型构建与材料选择：研究选用 AISI 316L 不锈钢作为植入物材料，因其具备良好的生物相容性、耐腐蚀性和机械强度。通过 CAD 翻译器将最初的 STL 格式模型转换为 STEP 文件并导入 ANSYS 环境，进而进行有限元分析前的网格划分，将模型分为节点和单元，为后续分析奠定基础。
- 拓扑优化结果：经过一系列设计迭代，研究人员成功优化了植入物的几何形状。通过拓扑优化，在维持植入物结构完整性的前提下，显著提升了强度 - 重量比。优化后的设计在生理负载条件下展现出可靠的机械性能，这意味着植入物在实际使用中能够更好地承受咀嚼等外力，同时减轻了整体重量。
- 制造与验证：运用 DMLS 技术制造出优化后的植入物，该技术不仅能制造复杂几何形状，还能保证植入物具有优良的机械性能。通过 FEA 在相同边界和加载条件下对优化设计进行验证，结果表明优化后的植入物重量相比未优化设计降低了 4.43%，而变形仅增加了 4μm，充分证明了优化设计的有效性和 DMLS 制造技术的可靠性。
研究结论与讨论
研究表明，迭代设计方法结合拓扑优化在患者特异性植入物的开发中效果显著。通过不断优化植入物的几何形状，实现了强度 - 重量比的提升，确保了植入物在生理负载下的机械可靠性。DMLS 技术的应用使得优化后的复杂设计能够高精度制造，保证了植入物的结构完整性。这一研究成果为颌面患者特异性植入物的发展提供了新的思路和方法，推动了个性化医疗在颌面外科领域的应用。同时，也为其他类似的生物医学植入物研究提供了参考范例，有望促进整个生物医学工程领域的发展，为更多患者带来更好的治疗效果和生活质量的提升。
