CN105455925A - 一种基于激光选区熔化技术制备骨修补植入物的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于激光选区熔化技术制备骨修补植入物的方法，包括基于患者骨骼的标准医学图像扫描原始数据，通过图像分割、编辑、三维计算处理，完成患者原生骨的数字化三维模型的提取；根据患者个体情况，直接对原生骨的数字化三维模型进行截骨操作，获得骨修补植入物的三维模型；对骨修补植入物的三维模型内部进行可防止应力遮挡的多孔结构设计；对骨修补植入物的三维模型表面进行可加强与原生骨固定连接的镶嵌结构设计；以修整设计后的骨修补植入物的三维模型为基础导入快速成型辅助软件中进行处理，包括摆放定位、添加支撑、参数设置和切片分层，骨修补植入物的多层切片二维数据模型，再利用激光选区熔化技术进行金属3D打印，获得骨修补植入物。

Description

一种基于激光选区熔化技术制备骨修补植入物的方法
技术领域
本发明涉及一种骨损伤修补方法，特别是一种基于激光选区熔化技术制备骨修补植入物的方法。
背景技术
在骨缺损修复中，传统方法一般采用自体骨移植或者人工重建的方法，前者虽然排斥小恢复快但原材料采集复杂且骨量不多，造成二次创伤增大患者治疗痛苦；而后者多填入人工材料，通过基因技术、添加生长因子等技术处理后进行移植，但是匹配性、融合性及可制造性并不理想，往往在植入后会产生病变，致使病患进行二次治疗。
发明内容
有鉴于此，有必要针对现有技术中存在的问题，提出一种合理的骨损伤修复方法，实现对病患的个性化治疗，提高手术成功率及术后使用寿命。为实现上述目的，本发明提出一种基于激光选区熔化技术制备骨修补植入物的方法。
一种基于激光选区熔化技术制备骨修补植入物的方法，包括以下步骤：
a.基于患者骨骼的标准医学图像扫描原始数据，通过图像分割、编辑、三维计算处理，完成患者原生骨的数字化三维模型的提取；
b.根据患者个体情况，直接对原生骨的数字化三维模型进行截骨操作，获得骨修补植入物的三维模型；
c.对骨修补植入物的三维模型内部进行可防止应力遮挡的多孔结构设计；
d.对骨修补植入物的三维模型表面进行可加强与原生骨固定连接的镶嵌结构设计；
e.以修整设计后的骨修补植入物的三维模型为基础导入快速成型辅助软件中进行处理，包括摆放定位、添加支撑、参数设置和切片分层，骨修补植入物的多层切片二维数据模型，再利用激光选区熔化技术进行金属3D打印，获得骨修补植入物。
其中，步骤b所述的截骨操作是通过三维设计软件实现，所述三维设计软件为pro-e或SolidWorks。
其中，步骤c所述的多孔结构中的孔径为400～1000μm、孔壁厚为80～120μm、孔隙率为55%～85%。
其中，步骤e所述金属3D打印的材料包括纯钛金属、钛合金、不锈钢和钴铬钼合金，所述摆放定位包括骨修补植入物的三维模型加工方向设置、骨修补植入物的三维模型摆放坐标以及铺粉方向夹角的调节。所述参数设置是金属3D打印的层厚为20μm～70μm、功率为80W～100W、扫描速度为200mm/s～400mm/s、扫描间距为100μm～200μm。
本发明的有益效果：
1）精确：本发明构建的骨修补植入物与患者手术中取下的原骨高度一致，使得后续的植入手术术不需二次塑型，可简化手术过程，缩短手术时间，且外形美观。
2）安全：本发明构建的骨修补植入物以纯钛、钛合金、钴铬合金、氧化锆等金属粉末作为3D打印材料，具有良好的生物相容性以及机械性，是人体植入的最佳材料。
3）竖固：多孔结构使得骨修补植入物质轻、竖固，其抗冲击力能力远胜于目前临床的常规构型，能避免出现应力遮蔽的不良情况。
4）高效：构建此类骨修补植入物耗时短，效率高，制备全过程仅需8小时左右。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他设计方案和附图。
图1是本发明方法流程示意图；
图2是本发明多孔结构设计方案1；
图3是本发明多孔结构设计方案2。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，文中所提到的所有联接/连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少联接辅件，来组成更优的联接结构。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。
如图1所示，本发明首先针对病患做出科学合理的诊断，针对损伤部位进行加工金属材料的选择，例如：对于与人体有直接接触部位选择使用纯钛金属粉末材料，而作为内部连接件不与人体接触的结构选用钛合金属粉末材料，以增强其力学性能；
进一步进行患处全方位CT扫描，获取基于患者骨骼的标准医学图像扫描原始数据，进行患处骨修整规划，确定最终植入体外围轮廓；
进一步将所获取的医疗图像通过Mimics软件，对原生骨的数字化三维模型进行截骨操作，获得骨修补植入物的三维模型；
进一步将获得的三维模型进行实体化，通过三维建模软件SolidWorks等进行修补植入体的实体化，并根据具体骨结构形状设计植入后固位方法，同时根据患处位置设计植入体多孔结构的方案（如图2或3），并通过ANSYS等结构模拟软件进行受力模拟，设定具体结构所需合理的孔隙率以及孔隙结构尺寸，并根据本身加工工艺特点优化植入体结构，去除难加工和不可加工结构，预留粉末流出结构；
进一步将所得模型导入ontofab等分层软件，进行包括分层设计、扫描方案制定和扫描参数优化等操作：根据所加工结构对精度和致密度的要求设定层厚为20μm～70μm、功率为80W～100W、扫描速度为200mm/s～400mm/s和扫描间距为100μm～200μm的最佳优化组合，并根据具体结构选择特定的扫描方案（诸如单方向扫描、回型扫描等），确保高质量、高精度完成修补骨的成型；
进一步将最终分层软件所得到模型转进激光立体成型设备，进行激光立体成型加工；
进一步将最终获取模型进行包括机械抛光和化学处理等表面处理工作，改变植入体表面结构，促使人体组织生长结合，以增强植入体的长期稳定性，得到最终具有生物表面相容性和良好加工质量的最终产品，交至医生使用。
以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (6)

1.一种基于激光选区熔化技术制备骨修补植入物的方法，其特征在于包括以下步骤：
a.基于患者骨骼的标准医学图像扫描原始数据，通过图像分割、编辑、三维计算处理，完成患者原生骨的数字化三维模型的提取；
b.根据患者个体情况，直接对原生骨的数字化三维模型进行截骨操作，获得骨修补植入物的三维模型；
c.对骨修补植入物的三维模型内部进行可防止应力遮挡的多孔结构设计；
d.对骨修补植入物的三维模型表面进行可加强与原生骨固定连接的镶嵌结构设计；
e.以修整设计后的骨修补植入物的三维模型为基础导入快速成型辅助软件中进行处理，包括摆放定位、添加支撑、参数设置和切片分层，骨修补植入物的多层切片二维数据模型，再利用激光选区熔化技术进行金属3D打印，获得骨修补植入物。
2.根据权利要求1所述的基于激光选区熔化技术制备骨修补植入物的方法，其特征在于步骤b所述的截骨操作是通过三维设计软件实现，所述三维设计软件为pro-e或SolidWorks。
3.根据权利要求1所述的基于激光选区熔化技术制备骨修补植入物的方法，其特征在于步骤c所述的多孔结构中的孔径为400～1000μm、孔壁厚为80～120μm、孔隙率为55%～85%。
4.根据权利要求1所述的基于激光选区熔化技术制备骨修补植入物的方法，其特征在于步骤e中，金属3D打印的材料包括纯钛金属、钛合金、不锈钢和钴铬钼合金。
5.根据权利要求1所述的基于激光选区熔化技术制备骨修补植入物的方法，其特征在于步骤e中所述摆放定位包括骨修补植入物的三维模型加工方向设置、骨修补植入物的三维模型摆放坐标以及铺粉方向夹角的调节。
6.根据权利要求1所述的基于激光选区熔化技术制备骨修补植入物的方法，其特征在于步骤e中所述参数设置是金属3D打印的层厚为20μm～70μm、功率为80W～100W、扫描速度为200mm/s～400mm/s、扫描间距为100μm～200μm。
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