Design and optimization of a novel patient-specific subperiosteal implant additively manufactured in yttria-stabilized zirconia

材料科学 植入 骨整合 立方氧化锆 氧化钇稳定氧化锆 极限抗拉强度 复合材料 有限元法 陶瓷 生物医学工程 结构工程 外科 医学 工程类
作者
Gunpreet Oberoi,Erik Kornfellner,Daniel Alexander Aigner,Ewald Unger,Martin Schwentenwein,Daniel Bomze,Christoph Staudigl,Dieter H. Pahr,Francesco Moscato
出处
期刊:Dental Materials [Elsevier]
标识
DOI:10.1016/j.dental.2024.07.008
摘要

To design a patient-specific subperiosteal implant for a severely atrophic maxillary ridge using yttria-stabilized additively manufactured zirconia (3YSZ) and evaluate its material properties by applying topology optimization (TO) to replace bulk material with a lattice structure. A contrast-based segmented skull model from anonymized computed tomography data of a patient was used for the initial anatomical design of the implant for the atrophic maxillary ridge. The implant underwent finite element analysis (FEA) and TO under different occlusal load-bearing conditions. The resulting implant designs, in bulk material and lattice, were evaluated via in-silico tensile tests and 3D printed. The workflow produced two patient-specific subperiosteal designs: a) an anatomically precise bulk implant, b) a TO lattice implant. In-silico tensile tests revealed that the Young's modulus of yttria-stabilized zirconia is 205 GPa for the bulk material and 83.3 GPa for the lattice. Maximum principal stresses in the implant were 61.14 MPa in bulk material and 278.63 MPa in lattice, both tolerable, indicating the redesigned implant can withstand occlusal forces of 125–250 N per abutment. Furthermore, TO achieved a 13.10 % mass reduction and 208.71 % increased surface area, suggesting improved osteointegration potential. The study demonstrates the planning and optimization of ceramic implant topology. A further iteration of the implant was successfully implanted in a patient-named use case, employing the same fabrication process and parameters.
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