《Scientific Reports》：In silico study of a bilayer titanium dental implant with a porous titanium and hydroxyapatite composite outer layer for enhanced osseointegration
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本研究针对传统牙种植体因弹性模量不匹配导致的应力屏蔽效应及骨整合不足等问题，开发了一种创新的双层牙种植体。该设计以钛合金为核心，外层为多孔钛与羟基磷灰石(HA)复合材料。通过有限元(FE)分析，系统研究了外层厚度、孔隙率及HA含量对应力分布和界面应变的影响。结果表明，2 mm厚外层、10%HA/90%Ti及10%孔隙率的种植体构型能显著降低种植体应力(降幅达69-94%)，并使骨界面微应变处于生理范围内(1500-2500μE)，有利于骨重塑与整合。此研究为优化牙种植体生物力学性能、提升长期稳定性提供了新策略。
在牙科修复领域，牙种植体已成为修复牙列缺失的常规手段。然而，传统钛合金种植体的长期成功面临着两大挑战：一是钛合金(如Ti6Al4V)的弹性模量(约105-120 GPa)远高于人皮质骨(约15-20 GPa)，这种刚度不匹配会导致“应力屏蔽效应”，即载荷主要由高刚度的种植体承担，周围骨骼因承受的机械刺激不足而发生吸收，最终导致种植体松动甚至断裂。二是传统种植体材料的生物活性有限，可能影响骨整合的速度和质量。尽管羟基磷灰石(HA)作为一种生物活性材料能有效促进骨生长，但其涂层与金属基体之间的结合强度往往不足，存在脱落风险。因此，开发一种既能有效传递载荷、减少应力屏蔽，又能促进骨整合的新型牙种植体设计，是口腔种植学领域亟待解决的问题。
为了应对这些挑战，一项发表在《Scientific Reports》上的研究提出了一种创新的双层牙种植体设计。该设计核心在于结合了钛合金的机械强度和HA的生物活性，并通过引入多孔结构来调节整体弹性模量。研究团队旨在通过系统的计算机模拟，探索这种新型设计的生物力学优势，并确定最优的设计参数。
研究人员主要运用了计算机辅助设计(CAD)和有限元分析(FEA)这两种关键技术方法。他们首先使用SolidWorks 2017软件构建了种植体和包含皮质骨与松质骨的下颌骨节段的三维模型。种植体模型为直径6毫米、长13毫米的圆柱形，带有单线三角形螺纹。双层种植体的设计包含一个实心的钛合金核心和一个可变厚度(1毫米, 1.5毫米, 2毫米)的多孔复合外层，该外层由钛和羟基磷灰石(HA)按不同比例(HA含量从10%到50%)混合而成，并具有不同的孔隙率(从10%到90%)。随后，利用ANSYS Workbench软件进行有限元分析，模拟在250牛顿轴向压力(模拟平均咬合力)下种植体及周围骨骼的力学响应。分析中考虑了材料的线弹性行为，并通过混合律计算了多孔复合材料的有效弹性模量。研究通过评估种植体及骨骼中的冯·米塞斯(von Mises)应力分布以及骨-种植体界面的应变，系统比较了108种双层种植体构型与一种传统实心种植体的性能。
应力分析结果
分析结果显示，所有双层种植体构型的应力值均显著低于传统实心种植体(其最大冯·米塞斯应力为83 MPa)。具体而言，多孔设计的双层种植体，其外壳的应力降低了约69-77%，核心的应力降低了约84-94%。无孔的双层构型也显示出明显的应力降低，外壳降低约72-78%，核心降低约84-90%，但其降低幅度略低于多孔设计。其中，应力降低最显著的情况出现在一些2毫米厚外层的多孔种植体核心区域。研究特别指出，对于2毫米厚外层、采用弹性模量上限值(Emax)的种植体，多孔设计相较于无孔设计，能进一步降低外壳和核心的应力，核心应力的最大降幅可达61%。在所有测试的构型中，外层厚度为2毫米、HA含量为10%、钛含量为90%(10HA90Ti)的多孔种植体表现出最优的应力分布。
界面应变分析结果
骨-种植体界面的微应变水平是评估种植体生物力学相容性的另一个关键指标。根据Frost的机械静态理论，骨应变在特定生理范围内(约1500-2500微应变, μE)最有利于骨的适应性重塑和维持。分析表明，传统种植体引起的界面应变高达4633 μE，已进入超负荷区域，长期可能引发骨吸收。相比之下，所有双层种植体构型产生的界面应变均显著降低。对于核心直径为2毫米和3毫米(对应外层厚度为2毫米和1.5毫米)的种植体，无论多孔与否，其界面应变均低于1500 μE，处于理想的生理范围内或接近生理维持区。对于核心直径为4毫米(外层厚度1毫米)的种植体，当其HA含量为10%、15%和20%时，多孔设计的界面应变超过了1500 μE，但仍远低于传统种植体，且处于促进骨适应性生长(皮质化)的有利区间。总体而言，多孔种植体通常比对应的无孔种植体产生略低的界面应变。
最优构型确认
综合应力与应变分析，研究确定外层厚度为2毫米、HA/Ti比例为10/90、并具有一定孔隙率的双层种植体为最优设计。该构型不仅显著降低了种植体内部的应力集中，提高了结构的可靠性，更重要的是，它使周围骨骼的微应变水平处于最佳的生理范围内，既能避免应力屏蔽导致的骨吸收，又能提供足够的机械刺激以促进骨整合和骨适应。
该研究的结论强调，这种创新的双层多孔牙种植体设计，通过结合多孔结构的力学优势和高生物活性HA，成功地优化了载荷传递机制。最优构型(2毫米外层，10HA90Ti多孔复合材料)在降低应力屏蔽风险和促进骨适应性重塑方面展现出显著优势，标志着牙种植体技术向前迈出了重要一步。这种设计为改善种植体初期稳定性和长期临床效果提供了一种更简单实用的解决方案。
研究的讨论部分也指出了其局限性，例如假设骨骼为均质材料、仅分析了一种载荷条件、缺乏实验验证等。未来的研究方向包括结合医学影像建立更真实的骨模型、考虑多种载荷场景、进行实验验证，并利用3D打印技术实现个性化制造。尽管存在这些局限，本研究作为概念验证，充分展示了双层多孔种植体在提升牙种植体生物力学性能和促进骨整合方面的巨大潜力，为开发更有效、更可持续的牙科植入物解决方案奠定了坚实的基础。
