Design and optimization of a patient-specific additively manufactured subperiosteal ceramic implant

Abstract

Ziel: Das Design und die Optimierung eines patientenspezifischen subperiostalen Implantats für die Maxilla aus einer 3D-gedruckten Yttrium-stabilisierten Keramik an derer die Methode der Topologieoptimierung (TO) für die Zuweisung einer Gitterstruktur angewandt wird um das Implantat bezüglich Osseointegration und Belastbarkeit bei gleichzeitiger Verringerung der Masse zu verbessern.Methodik: Für diese Studie wurde ein bereits segmentiertes Schädelmodel aus anonymisierten computertomographischen-Daten eines Patienten verwendet. Ein initiales subperiostales Oberkieferimplantat wurde entsprechend des verfügbaren Restknochens entworfen.Dieses initiale Implantat wurde dann für TO unter verschiedenen Belastungsbedingungen aufbereitet. Strukturelle Änderungen und der Einbau von Gitterstrukturen wurden entsprechend der TO durchgeführt, und das endgültige Design wurde einer biomechanischenin-silico-Evaluierung unterzogen.Ergebnisse: Die durchgeführte Studie hat zwei verschiedene Arten von patienten spezifischen subperiostalen Oberkieferimplantaten ergeben: a) ein ursprüngliches Design auf der Grundlage des vorhandenen Knochens und b) ein Redesign auf der Grundlage von TO und einem osseokonduktiven Gitter. Der In-silico-Zugversuch ergab, dass der Elastizitätsmoduldes in das Implantat eingebauten Gitters 83,3 GPa beträgt, im Gegensatz zu dem desYttrium-stabilisierten keramischen Vollmaterials, das 205 GPa beträgt. Die absoluten maximalen Hauptnormalspannungen im Implantat wurden untersucht und ergaben 61,14 MPa im Vollmaterial und 278,63 MPa in der Gitterstruktur, die sowohl vom Vollmaterial als auch von der Gitterstruktur ertragen werden können, was darauf hindeutet, dass das neu gestaltete Implantat den okklusalen Kräften (125-250 N pro Abutment) standhalten kann.Schlussfolgerungen: In dieser Arbeit wurde das Potenzial der TO zur Verbesserung der Patientenspezifität eines individuell gestalteten 3D-gedruckten Implantats aufgezeigt. Eine experimentelle Validierung des beschriebenen Arbeitsablaufs könnte das vorgeschlagene Implantatdesign jedoch noch verbessern.

Objective: To design and optimize a patient-specific subperiosteal maxillary implant in 3D-printed Yttrium-stabilized Zircon oxide by utilizing topological optimisation (TO) for assigning lattices to improve osseointegration and load bearing, while reducing the bulk of the implant.Materials & Methods: A contrast-based segmented skull model from an anonymized computed tomography data of a patient was used for this research. A maxillary subperiosteal implant was initially designed according to the available residual bone. This initial implant was then processed for TO under different load bearing conditions. Structural modifications and lattice incorporation were performed according to the TO and the final design underwent in-silico biomechanical evaluation.Results: This study resulted in two different types of patient-specific subperiosteal maxillary implants, a) initial design based on the available bone, b) redesign on the basis of TO and an osseoconductive lattice. The in-silico tensile test revealed that the Young’s modulus of the lattice structure incorporated into the implant is 83,3 GPa in contrast to that of the yttriumstabilized ceramic bulk material which is 205 GPa. The absolute maximum principal stresses in the implant were considered, leading to 61,14 MPa in the bulk material and 278,63 MPa in the lattice, both tolerable by the bulk material and the lattice, suggesting that the redesigned implant can resist the occlusal forces (125-250 N per abutment).Conclusion: This thesis showed the potential to use TO to advance the patient-specificity of a dimensionally customised 3D-printed implant. However, experimental validation of the proposed workflow is necessary towards a clinical implementation of the proposed implant design.