CN105213068A - 金属增材制造的口腔赝复体支架制作方法及其赝复体支架 - Google Patents

Abstract

金属增材制造的口腔赝复体支架制作方法及其赝复体支架，所述的制作方法包括：获取患者口腔上颌三维模型数据、在模型上选取口腔赝复体支架的上颌面、重建上颌面、拉伸上颌面至实体形成初始支架模型、修复初始支架模型达到设计要求并形成最终可打印制造的支架CAD模型；然后利用选择性激光熔融3D打印机进行打印制造，制造出支架模型，并对支架模型进行热处理和表面处理；所述的口腔赝复体支架包括利用金属材料制得的本体，所述的本体包括套合部和带有网状结构的支撑部。本发明的有益效果是：利用3D打印技术制作出符合临床要求的结构，精度高、表面质量好、制作周期短，更符合临床要求。

Description

金属增材制造的口腔赝复体支架制作方法及其赝复体支架

技术领域

本发明涉及一种金属增材制造的口腔赝复体支架制作方法及其赝复体支架。

背景技术

颌骨及颜面缺损，是口腔医学中一类严重危害人类健康的疾患，它不仅造成患者咀嚼、吞咽、语言等生理功能的障碍，而且会造成患者严重的颜面部畸形，使患者产生严重的心理障碍，甚至使一些患者丧失生活信心、导致个人和家庭悲剧。缺损上颌骨的重建，一般分为外科整复和口腔赝复体修复两种方法。近年来，尽管各种外科整复法已取得很大进步，但是由于颌面部器官特殊解剖形态和组织结构，许多缺损仍难以采用自体组织进行外科修复，大部分患者采用人工材料制成的口腔赝复体进行修复。

传统口腔赝复体支架的制造主要采用铸造技术，具体过程主要有，首先病人需在动手术之前让口腔科医生观察，以达到预医治的目的，并且口腔科医生会和外科医生一同谈论具体手术方案。刚手术过的病人，由于手术过后的软组织比较敏感，变化也比较大，因此，口腔医生会给病人制作一个过盈量比较大的口腔赝复体。目的是为了让病人能够进行基本的口腔功能，例如适度咀嚼、基本发声等。等病人适应一段时间以后，病人的软组织基本定型，不发生变化以后，医生再去给病人设计制造最终的口腔赝复体。

口腔赝复体金属支架常采用传统的铸造技术，失蜡铸造是铸造技术常用方式之一。采用标准蜡来制作支架模型，具有诸多优点，操作方便，成本低而且高温熔化，流动性好，能够很好的将标准蜡运用到铸造技术中。

但是，蜡模的制作同时又存在着难以避免的不足。1、标准蜡的厚度是一定的，难以到达个性化要求。许多病人对金属支架部分厚度要求是不一样的，标准化的厚度难以满足不同病人对支架厚度的需求。2、蜡片粘贴模型上是靠蜡片温度升高而具有一定粘性然后粘贴在石膏模型上。技工所的工人主要是靠手按压，手的温度和对蜡片施加的力都是对粘结质量好坏的重要因素，这些人为因素的影响，无法避免，对于工人的熟练程度要求高。3、蜡片的大小一定，需要工人对其按照支架的要求进行切割。工人切割蜡片边缘即支架的边缘的精确度将直接影响铸造支架的质量，甚至会使得制造出的支架不合格。4、蜡片粘贴到石膏模型上后，需要技工的精修，精修蜡型的边缘，也是对技工的熟练程度要求高。

为了解决口腔赝复体支架的成型问题，粉末冶金技术作为可摘除局部义齿支架的另一种加工方法被提出来。粉末冶金是以金属粉末作为原料经过压制成型或烧结过程制作金属材料、复合材料以及各种类型制品的工艺技术。其一般过程为：(1)按常规方法制作印模、灌模，并制作石膏模型；(2)复制代模；(3)制作型腔；(4)将金属粉末填充到型腔中加压，制作出压坯并修形，使其具有一定的密度和强度；(5)在真空中加热到超过其熔点2/3-3/4的温度，使粉末颗粒间牢固的结合在一起。但粉末冶金存在的问题是金属成型和烧结后的收缩问题，这必然降低可摘除局部义齿支架的成型精度，而且制作过程工序较多，制作成本甚至比铸造工艺还要高。

计算机辅助设计和快速成型技术及仿真颜面修复材料的出现，对未解决的这些问题提供了有效手段，尤其新近出现的可以打印金属的选择性激光熔融技术，为数字化制作口腔赝复体金属支架提供了契机。以牙科CT(CBCT)图像数据为基础，经过图像处理生成患者颌面三维模型，在此基础上进行个性化口腔赝复体设计，再由3D打印快速成型设备利用修复材料进行叠加制造，可实现口腔赝复体治疗的数字化，这一系列技术将显著提高治疗的准确性，实现无痛、无创、快速及重建颌面缺损的治疗目标。

增材制造，又叫三维打印，其中金属材料的增材制造或SLM技术的发展及成熟，可以将三维打印技术应用到制作当中。因为，三维打印技术是逐层打印，层层堆积的结果，因而，不受工件结构影响，能够打印制作出复杂结构的工件。目前，SLM技术能够直接打印金属，例如钛及钛合金、不锈钢等，且已运用到医学领域。所以，选择使用三维打印技术来制作结构细长而且复杂的卡环是一个较新而且可行性高的方法。并且，利用SLM技术不仅能够很好的制作出口腔赝复体网状结构，而且精确度高，对于制作口腔赝复体支架具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于克服了传统铸造制作口腔赝复体支架的技术难点，提出一种利用该方法制作出传统铸造难以制造并更符合临床要求的结构，并且选择性激光熔融技术打印的口腔赝复体支架精度高、表面质量好、制作周期短，更符合临床要求的金属增材制造的口腔赝复体支架制作方法及其赝复体支架。

本发明所述的金属增材制造的口腔赝复体支架制作方法，包括以下步骤：

1)获取患者口腔上颌三维模型数据：从患者口中取模并制作口腔石膏模型，通过扫描设备对口腔石膏模型的扫描获得石膏模型的三维点云数据，或通过扫描设备直接扫描病人口腔，直接获得病人口腔的三维点云数据，并将三维点云数据通过扫描软件导出三角网格模型；

2)在模型上选取口腔赝复体支架的上颌面：将步骤1)中的三角网格数据导入到逆向工程软件Geomagic中，在三角网格模型上选取口腔赝复体支架的组织面基面，并将选取的组织面基面生成可编辑的曲面片，导出相应的格式；

3)重建上颌面：将步骤2)中生成的可编辑的曲面片导入到设计软件Rihno里，并在设计软件中根据以上曲面片设计出具有连接功能的大连接体、小连接体，具有固位作用的卡环结构，具有支撑作用的支撑结构等结构曲面，并设计连接阻塞器的结构曲面，对设计的结构曲面进行重建，将结构曲面片重建成无大曲率的高质量支架曲面，并导出三角网格格式；

4)拉伸上颌面至实体形成初始支架模型：将步骤3)中生成的高质量支架曲面通过三角网格再次导入到逆向工程软件Geomagic中，将支架曲面加厚到符合临床要求的厚度，形成初步支架实体模型；

5)修复初始支架模型达到设计要求并形成最终可打印制造的支架CAD模型：在逆向工程软件中对步骤4)中生成的初步支架实体模型，进行进一步的优化设计，采用拓扑优化设计以及形貌优化，形成最终支架，使得支架既能够满足强度、刚度、稳定性以及生物力学要求，又能够使得支架的重量最轻，以满足临床要求；

6)利用选择性激光熔融SLM3D打印机进行打印制造，制造出数字化设计的支架模型：将步骤5)中生成的最终支架模型数据输入SLM打印设备配套的切片软件中，进行分层处理，并根据口腔赝复体支架模型的特点设计出符合要求的支撑，以获得较高的打印质量，最终生成可打印的数控代码，并利用生成可打印的数控代码，对金属粉末进行SLM打印，制作出步骤5)中最终设计的口腔赝复体支架模型，并带有设计的支撑；

7)对步骤6)获得的3D打印制作的口腔赝复体支架模型进行相应的热处理，以及进行喷砂和抛光处理表面处理：将步骤6)中打印的口腔赝复体支架，进行一定的热处理，以获得足够的强度、刚度、稳定性，所述的热处理方式包括正火、退火、固溶处理、时效处理、调质处理；然后将步骤6)中打印的支撑去除，并进行相应的表面处理获得的产品表面质量符合临床要求，所述的表面处理包括喷砂、电解、抛光。

以上所述的工艺方法，其重点在于步骤(5)优化设计的结构、步骤(7)中热处理后的强度、刚度和稳定性及表面处理均能符合临床要求。

按照本发明所述的制作方法制作的口腔赝复体支架，其特征在于：包括利用金属材料制得的本体，所述的本体包括套合部和带有网状结构的支撑部，所述的套合部设置在所述的支撑部一侧的边缘，所述的网状结构位于所述的支撑部的另一侧，并且所述的套合部与所述的支撑部一体成型；所述的支撑部完全贴合患者缺损口腔颌面部并提供抵抗口腔颌面部生理运动所需支撑力，所述的套合部套在患者部分牙列上，并且，所述的套合部具有用于提供牙齿移动所需的支撑力的形状。

所述的金属材料为不锈钢、纯钛、钛合金、钴铬合金。

本发明的有益效果是：

(1)本发明利用逆向工程进行设计，不需要传统制铸造的手工填蜡过程，节省大量人力，并减少人为误差；

(2)设计中对上颌曲面进行重建，可以圆滑曲率较大的部分，会使得所重建的组织面与病人口腔组织面结合的更加密合，使病人异物感降到最低；

(3)本发明是结合3D激光打印技术进行设计制造，省去了传统铸造过程中的制模、翻模过程、离心浇注、时效冷却等过程，使得口腔赝复体支架部分的制作周期大大缩短，而且，需要参与的人员比传统制造要少；

(4)对口腔赝复体支架进行数字化设计，能够根据病人的个性化需求进行针对性的设计，使得最终设计的支架模型在细节部分能够更好地符合病人的需求；

(5)该发明采用数字化设计制造，可以更好地结合病人来进行最合适的设计，而且能够设计出结构复杂，细节明显，与病人口腔贴合更精确的结构，只需要考虑病人需求，而不需考虑制作能否实现，克服传统铸造技术的制造限制而给设计带来的难点；

(6)采用选择性激光熔融技术(SLM)进行设计制造，使得制造出来的口腔赝复体支架部分曲面性强，精确度高，更能够接近病人所需，对表面后处理要求小，而不需要传统铸造以后所需要的复杂的表面后处理过程；

(7)该发明设计制造适用的材料范围更加广泛，对难以传统铸造的材料也能够加工，例如钛、钛合金等，也能够设计制造出达到要求的口腔赝复体支架；

(8)采用该发明制造的口腔赝复体支架，经过固溶处理、时效处理、表面淬火、回火、退火等热处理，其致密度提高，可以使得支架的强度、硬度均能够达到临床要求。

附图说明

图1是患者的上颌石膏模型三维数据；

图2是初步选取的口腔赝复体支架的组织面轮廓；

图3是进行口腔赝复体支架组织面的重建面；

图4是组织面初步拉伸后形成的实体结构；

图5是对实体支架模型进行一定的修改最终形成的可打印支架模型；

图6是利用选择性激光熔融技术打印的口腔赝复体支架；

图7是经过一定的热处理、表面处理以后可用于临床的口腔赝复体支架。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明

参照附图：

实施例1本发明所述的金属增材制造的口腔赝复体支架制作方法，包括以下步骤：

1)获取患者口腔上颌三维模型数据：从患者口中取模并制作口腔石膏模型，通过扫描设备对口腔石膏模型的扫描获得石膏模型的三维点云数据，或通过扫描设备直接扫描病人口腔，直接获得病人口腔的三维点云数据，并将三维点云数据通过扫描软件导出三角网格模型；

2)在模型上选取口腔赝复体支架的上颌面：将步骤1)中的三角网格数据导入到逆向工程软件Geomagic中，在三角网格模型上选取口腔赝复体支架的组织面基面，并将选取的组织面基面生成可编辑的曲面片，导出相应的格式；

3)重建上颌面：将步骤2)中生成的可编辑的曲面片导入到设计软件Rihno里，并在设计软件中根据以上曲面片设计出具有连接功能的大连接体、小连接体，具有固位作用的卡环结构，具有支撑作用的支撑结构等结构曲面，并设计连接阻塞器的结构曲面，对设计的结构曲面进行重建，将结构曲面片重建成无大曲率的高质量支架曲面，并导出三角网格格式；

4)拉伸上颌面至实体形成初始支架模型：将步骤3)中生成的高质量支架曲面通过三角网格再次导入到逆向工程软件如Geomagic中，将支架曲面加厚到符合临床要求的厚度，形成初步支架实体模型；

5)修复初始支架模型达到设计要求并形成最终可打印制造的支架CAD模型：在逆向工程软件中对步骤4)中生成的初步支架实体模型，进行进一步的优化设计，采用拓扑优化设计以及形貌优化，形成最终支架，使得支架既能够满足强度、刚度、稳定性以及生物力学要求，又能够使得支架的重量最轻，以满足临床要求；

6)利用选择性激光熔融SLM3D打印机进行打印制造，制造出数字化设计的支架模型：将步骤5)中生成的最终支架模型数据输入SLM打印设备配套的切片软件中，进行分层处理，并根据口腔赝复体支架模型的特点设计出符合要求的支撑，以获得较高的打印质量，最终生成可打印的数控代码，并利用生成可打印的数控代码，对金属粉末进行SLM打印，制作出步骤5)中最终设计的口腔赝复体支架模型，并带有设计的支撑；

7)对步骤6)获得的3D打印制作的口腔赝复体支架模型进行相应的热处理，以及进行喷砂和抛光处理表面处理：将步骤6)中打印的口腔赝复体支架，进行一定的热处理，以获得足够的强度、刚度、稳定性，所述的热处理方式包括正火、退火、固溶处理、时效处理、调质处理；然后将步骤6)中打印的支撑去除，并进行相应的表面处理获得的产品表面质量符合临床要求，所述的表面处理包括喷砂、电解、抛光。

具体的，首先，通过三维扫描设备获得病人的石膏模型的三维数据图1，然后，在逆向工程软件中，根据病人的口腔病况，从病人石膏模型的三维数据图1中提取口腔赝复体支架的组织面轮廓图2，图2所设计的组织面轮廓应该具有固位作用的卡环结构。再将组织面轮廓图2中的结构导入到NURBS软件中，并对其进行重建，形成重建组织面图3，圆滑大曲率部分，将组织面边缘达到设计位置，并且设计出连接树脂结构的网状结构。将重建组织面图3在逆向工程软件中进行初步拉伸，形成初始支架实体图4，对初始支架实体图4进行修复，主要包括去除多余面、多余边界、曲率较大的过度区域，并对其边界进行圆角等处理，形成最终可打印支架实体模型图5。将可打印支架实体模型图5数据输入到3D打印设备中，进行打印制造，最终形成带有支撑的支架实体图6，对带有支撑的支架实体图6进行一定的热处理和表面处理后，最终形成满足强度、刚度、粗糙度等方面要求的口腔赝复体支架图7，这个口腔赝复体支架7能够完全满足临床要求。以上所述的工艺方法，其重点在于步骤(5)优化设计的结构、步骤(7)中热处理后的强度、刚度和稳定性及表面处理均能符合临床要求。

实施例2按照实施例1所述的制作方法制作的口腔赝复体支架，包括利用金属材料制得的本体，所述的本体包括套合部1和带有网状结构的支撑部2，所述的套合部1设置在所述的支撑部2一侧的边缘，所述的网状结构21位于所述的支撑部2的另一侧，并且所述的套合部1与所述的支撑部2一体成型；所述的支撑部2完全贴合患者缺损口腔颌面部并提供抵抗口腔颌面部生理运动所需支撑力，所述的套合部1套在患者部分牙列上，并且，所述的套合部1具有用于提供牙齿移动所需的支撑力的形状。

所述的金属材料为不锈钢、纯钛、钛合金、钴铬合金。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (3)

1.金属增材制造的口腔赝复体支架制作方法，包括以下步骤：

1)获取患者口腔上颌三维模型数据：从患者口中取模并制作口腔石膏模型，通过扫描设备对口腔石膏模型的扫描获得石膏模型的三维点云数据，或通过扫描设备直接扫描病人口腔，直接获得病人口腔的三维点云数据，并将三维点云数据通过扫描软件导出三角网格模型；

2)在模型上选取口腔赝复体支架的上颌面：将步骤1)中的三角网格数据导入到逆向工程软件Geomagic中，在三角网格模型上选取口腔赝复体支架的组织面基面，并将选取的组织面基面生成可编辑的曲面片，导出相应的格式；

3)重建上颌面：将步骤2)中生成的可编辑的曲面片导入到设计软件Rihno里，并在设计软件中根据以上曲面片设计出具有连接功能的大连接体、小连接体，具有固位作用的卡环结构，具有支撑作用的支撑结构的结构曲面，并设计连接阻塞器的结构曲面，对设计的结构曲面进行重建，将结构曲面片重建成无大曲率的高质量支架曲面，并导出三角网格格式；

4)拉伸上颌面至实体形成初始支架模型：将步骤3)中生成的高质量支架曲面通过三角网格再次导入到逆向工程软件Geomagic中，将支架曲面加厚到符合临床要求的厚度，形成初步支架实体模型；

5)修复初始支架模型达到设计要求并形成最终可打印制造的支架CAD模型：在逆向工程软件中对步骤4)中生成的初步支架实体模型，进行进一步的优化设计，采用拓扑优化设计以及形貌优化，形成最终支架，使得支架既能够满足强度、刚度、稳定性以及生物力学要求，又能够使得支架的重量最轻，以满足临床要求；

6)利用选择性激光熔融SLM3D打印机进行打印制造，制造出数字化设计的支架模型：将步骤5)中生成的最终支架模型数据输入SLM打印设备配套的切片软件中，进行分层处理，并根据口腔赝复体支架模型的特点设计出符合要求的支撑，以获得较高的打印质量，最终生成可打印的数控代码，并利用生成可打印的数控代码，对金属粉末进行SLM打印，制作出步骤5)中最终设计的口腔赝复体支架模型，并带有设计的支撑；

7)对步骤6)获得的3D打印制作的口腔赝复体支架模型进行相应的热处理，以及进行喷砂和抛光处理表面处理：将步骤6)中打印的口腔赝复体支架，进行一定的热处理，以获得足够的强度、刚度、稳定性，所述的热处理方式包括正火、退火、固溶处理、时效处理、调质处理；然后将步骤6)中打印的支撑去除，并进行相应的表面处理获得的产品表面质量符合临床要求，所述的表面处理包括喷砂、电解、抛光。

2.按照权利要求1所述的制作方法制作的口腔赝复体支架，其特征在于：包括利用金属材料制得的本体，所述的本体包括套合部和带有网状结构的支撑部，所述的套合部设置在所述的支撑部一侧的边缘，所述的网状结构位于所述的支撑部的另一侧，并且所述的套合部与所述的支撑部一体成型；所述的支撑部完全贴合患者缺损口腔颌面部并提供抵抗口腔颌面部生理运动所需支撑力，所述的套合部套在患者部分牙列上，并且，所述的套合部具有用于提供牙齿移动所需的支撑力的形状。

3.如权利要求2所述的口腔赝复体支架，其特征在于：所述的金属材料为不锈钢、纯钛、钛合金、钴铬合金。