3D打印聚乳酸(PLA)牙科植入体的力学性能评估与仿真优化研究

本研究针对传统钛合金牙科植入体重量大、应力分布不均等问题，创新性地采用3D打印技术制备聚乳酸(PLA)植入体。通过有限元分析(FEA)和ASTM标准力学测试，系统评估了PLA在牙科应用中的压缩/拉伸性能(最高抗压强度68.9 MPa)。结果表明，虽然PLA暂时无法满足永久植入体600 MPa的强度需求，但其轻量化特性(密度1250 kg/m3 )和可控降解性为临时植入体提供了新思路，为生物可吸收材料在口腔医学中的应用奠定理论基础。

　　

牙科植入体材料正面临革命性变革。传统钛合金虽然强度优异，但其刚性特征可能导致应力屏蔽效应，且金属离子的长期释放存在潜在风险。聚乳酸(PLA)作为一种源自玉米淀粉的生物可降解材料，以其轻量化(比钛轻60%)和可定制化特性崭露头角。然而，PLA能否承受咀嚼时高达1000N的周期性载荷？其降解速率如何与骨愈合过程匹配？这些问题制约着其在临床的应用突破。

Bahrain Polytechnic的研究团队在《Results in Materials》发表的研究中，采用多尺度研究方法揭示了PLA的临床应用潜力。通过设计三组不同3D打印参数(喷嘴温度200-220°C、层高0.1-0.2mm、填充密度30-50%)的试样，结合ASTM D638/D695标准力学测试和SOLIDWORKS有限元仿真，系统评估了PLA植入体的机械性能。研究特别关注了单件式植入体设计(长度10-15mm，直径3-5mm)在模拟咬合载荷下的应力分布特征。

材料表征
研究选用纯PLA材料，通过优化3D打印参数发现：215°C打印的试样拉伸强度达53.21 MPa，比200°C组提高45%。压缩测试显示最高强度达68.9 MPa，但仍显著低于钛合金的900 MPa。

有限元分析
FEA模拟显示植入体最大von Mises应力达358.5 MPa，远超PLA的屈服强度(26 MPa)。位移分析发现87.62 μm的形变量，提示需要拓扑优化结构设计。

力学性能
拉伸测试数据揭示：

• 弹性模量1.11-1.55 GPa
• 断裂伸长率5.1-5.5%
• 抗压强度60.878-68.905 MPa
  梯度温度打印实验证实，每升高10°C喷嘴温度，强度提升约15%。

生物相容性
虽然未直接开展细胞实验，但引用文献证实PLA降解产物乳酸可通过三羧酸循环代谢，无组织毒性。

临床应用适配
针对牙科植入体的特殊需求：

1. 采用Gyroid填充图案提高孔隙率(40-60%)
2. 退火处理(50-70°C)使结晶度提升，延缓降解
3. 设计微通道结构实现药物控释(参考Nexplanon的4cm×2mm尺寸)

这项研究的重要价值在于建立了3D打印参数-力学性能-临床需求的量化关系模型。虽然证实纯PLA尚不适合永久性植入体，但为后续复合材料研究提供了基准数据。特别是发现215°C打印温度配合100%填充密度可使强度最大化，这为临时牙科修复体、骨固定夹板等短期应用指明优化方向。研究团队建议未来应重点探索PLA-羟基磷灰石复合体系，并开展百万次循环的疲劳测试以模拟长期使用场景。

该成果的突破性体现在将工程仿真(FEA)与生物医学需求精准对接，提出的"强度-降解速率协同调控"策略，为个性化医疗植入物的开发提供了新范式。特别是针对中东地区常见的颌骨骨质疏松患者，轻量化PLA植入体可显著降低应力集中风险，展现出重要的地域适应性价值。