基于三周期极小曲面种植体融合结构设计及其性能分析

李海杰¹，海几哲¹，单春龙²，徐庆宇¹，徐志国¹，雷岳衡¹，荆磊¹

（1. 新疆大学 机械工程学院，乌鲁木齐 830017；2. 新疆医科大学第六附属医院，乌鲁木齐 830000）

摘要：基于Diamond (D)、Gyroid (G)和Primitive (P) 的三周期极小曲面多孔结构凭借其优异的力学性能和生物学特性，已成为牙种植体设计的重要选择。然而，天然下颌骨组织本质上是异质的，均质多孔种植体会导致病理性骨应力集中。为了解决这个问题，本研究基于Sigmoid函数并通过参数设计来构建具有轴向融合结构的三周期极小曲面种植体，即轴向结合两种类型的三周期极小曲面单元。为了分析50%、60%和70%恒定孔隙率下的（D-G、D-P、G-P）融合结构和（D、G、P）均质结构在等效弹性模量、等效屈服强度、渗透性、流体壁剪切应力和种植体-骨界面微动方面的差异，对 18 种不同结构进行了仿真分析。结果表明：与均质支架对比，D-G融合结构具有低且范围广的弹性模量，在孔隙率50% ~ 70% 范围内从 12.23 GPa 降低到 4.58 GPa，其范围平均增加了28%，且屈服强度与皮质骨的相似；渗透率低于 (G、P) 均质支架的，但满足天然骨的要求；在流体剪切应力方面，D-G 融合结构的平均壁剪切应力大于均质结构的，其适合细胞生长区域占比98.9%；在咬合力作用下种植体-骨界面微动的模拟中，D-G轴向融合结构表现出与下颌骨更相似的应力分布，即较大的应力分布在与皮质骨接触的上层 D 结构区域，较小的应力分布均匀地分布在与松质骨接触的下层G 结构区域。这种应力分布有效地减少了皮质骨和松质骨之间的应力和微应变差异，避免了松质骨中应力集中的现象，降低了骨吸收的风险，提高了种植体的整体生物力学稳定性。

关键词：参数化设计，三周期极小曲面，多孔微结构，仿生骨架  

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Cite this article: Li, H., Hai, J., Shan, C. et al. Structural Design of Implant Fusion Based on Triple Period Minimal Surface and Its Performance Analysis. J. Shanghai Jiaotong Univ. (Sci.) (2025). https://doi.org/10.1007/s12204-025-2822-8