CN105798305A - 一种人工多孔骨结构的制作方法 - Google Patents

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张春雨
陈贤帅
颜瑜
王亚玲
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Abstract

本发明公开了本发明提供一种人工多孔骨结构的制作方法，能够克服现有图像还原技术难以设计多孔骨单元及其堆叠结构的缺点，以及弥补现有公开多孔骨制备方法的不足之处。该人工多孔骨结构的制作方法，其利用3D激光选区熔化一体成型制备出的多孔体孔隙率高、强度高，高度互联的空间贯通孔结构能够提供广泛的骨长入，高摩擦系数提供良好的移植体的初始稳定性，具有可观的临床医用前景。

Description

一种人工多孔骨结构的制作方法
技术领域
本发明涉及人工骨骼技术领域，特别是一种人工多孔骨结构的制作方法。
背景技术
当代由于各种不良原因使得越来越多的人受到骨折、骨缺损甚至截肢的困扰，加上生物医疗器械领域高速发展，修复假体骨组织的技术应运而生，而且越发受到关注。当前已有相关一些骨修复技术被应用于临床医疗或医学实验中。1885年Macewan就首次应用自体骨移植的方法对颅骨进行修补，之后这种方法便被加以推广，虽然自体骨移植技术不需要考虑移植体和宿主的生物相容性和排斥反应，而且能够较好愈合，但是毕竟自体骨来源短缺，不能作为充分考虑的对象；1908年Lexer提出并应用同种异体骨移植的技术，其将死去的健康人的尸体的骨架作为移植体，将其植入缺损骨组织的病人并固定。由于异体骨的来源充足这种技术也在一定程度上得到了应用，但是异体骨存在异体相克和排斥免疫的缺点，也难以得到广泛适用；另外有利用生物降解材料作为临床医用的移植，虽然其能保证一定的生物活性，避免应力遮蔽现象，但是由于材料特点导致其强度有限，容易发生二次骨折所带来的不必要的麻烦，因此该技术也只是适用于小范围的骨移植技术，很难应用于承重较大的骨骼部位；骨组织工程是通过对自体分离出来的骨细胞及相关组织液进行培养扩增后得到的天然的人工骨植入体，这种方式生成的骨植入体不会产生对自体骨的排斥反应，但是培养需要一定周期且由骨组织工程所得到的移植体的机械强度还有待提高等，因此骨组织工程还有待进一步突破。
目前对于人工制作骨小梁植入物的设计方法主要是采用CT技术对骨骼横断面进行切片还原，然后采用一定的算法，利用程序对人体骨微观结构图像进行边缘检测及提取轮廓的操作，得到的数据进行插值修补生成矢量图，最后将各层数据进行求和得到三维多孔结构。这种设计方法便于控制孔径大小，形状及孔隙率，也能得到不同规则的多孔，然而由于程序的复杂，难免出现封闭的死单元，这将使得植入体失去生物活性；另外由于单元不规则统一难免导致受力不平衡或出现应力集中现象，这在骨组织移植中是致命的；再者，由于随机性无法预测生成孔隙的大小也难以控制孔隙形状，这将不便于对骨小梁形态进行评估；最后，这样得到的图形往往难以较好的加工，不如自下而上的特征建模方式所得的模型一样具有较好的加工可行性。
现在对于公开多孔钛人工结构骨小梁的加工方法主要是以钛粉作为原材料，其先后经过配置材料、制作浆料、发泡、激光烧结和加工后清洁处理的工艺流程。这样得到的多孔钛人工结构骨已进行试验，但是，其多孔钛块体结构难以控制甚至是不可控的，很难保证结构体的形状，导致孔隙率低，难免出现死单元，存在应力遮挡的危机，而且，其生产出来的人工骨实体还需进一步经过机加工及表面处理等操作方可得到人工骨植入体，所以业内对于这种加工方式值得的骨小梁植入物的性能也存在疑虑。
发明内容
本发明提供一种人工多孔骨结构的制作方法，能够克服现有图像还原技术难以设计多孔骨单元及其堆叠结构的缺点，以及弥补现有公开多孔骨制备方法的不足之处。
一种人工多孔骨结构的制作方法，包括步骤：
1）采用SolidWorks三维制图软件构建网格单元，所述网格单元是镂空的截角八面体；
2）将步骤1）中的网格单元进行阵列，得到人工多孔骨结构中的多孔体；
3）通过SolidWorks三维制图软件构建人工多孔骨结构中的壳体；
4）将步骤2）所得的多孔体和步骤3）所得的壳体进行布尔操作，获得人工多孔骨结构的三维实体模型；
5）将步骤4）所得的三维实体模型输出为STL格式文件并传入ontofab中进行分层，分层结束后将结果导入光纤选择性激光熔化设备，利用金属材料3D打印机对模型进行3D打印，得到半成品；
6）冷却后，对步骤5）所得的半成品铲除支撑并对底面锉平，并采用喷砂处理，除去表面粘熔残余的材料，得到表面光洁的人工多孔骨结构。
所述步骤2）的网格单元以线性排列或紧密排列的方式阵列。所述线性排列是指多个截角八面体按完全相同的空间构型进行连接，通过相同的面对接串联成线形组，随后以线形组横向并排连接成面组，最后以面组上下并排连接成多孔体。所述紧密排列是指多个截角八面体在堆叠时，任意一个截角八面体的每一个表面均与另一个截角八面体相同形状的表面对接。
所述步骤5）的3D打印流程中的参数设定为：采用理论密度为4.55g/cm3的纯钛，激光光斑直径d=83μm，波长λ=1024nm，扫描间距h=100～200μm，功率P=70～100W，扫描速度V=100～500mm/s，铺粉厚度t=30～70μm。
本发明公开的一种人工多孔骨结构的制作方法，其利用3D激光选区熔化一体成型制备出的多孔体孔隙率高、强度高，高度互联的空间贯通孔结构能够提供广泛的骨长入，高摩擦系数提供良好的移植体的初始稳定性，具有可观的临床医用前景。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明的构思、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。
一种人工多孔骨结构的制作方法，包括步骤：
1）采用SolidWorks三维制图软件构建网格单元，所述网格单元是镂空的截角八面体；
2）将步骤1）中的网格单元进行阵列，得到人工多孔骨结构中的多孔体，所述网格单元以线性排列或紧密排列的方式阵列。；
3）通过SolidWorks三维制图软件构建人工多孔骨结构中的壳体；
4）将步骤2）所得的多孔体和步骤3）所得的壳体进行布尔操作，获得人工多孔骨结构的三维实体模型；
5）将步骤4）所得的三维实体模型输出为STL格式文件并传入ontofab中进行分层，分层结束后将结果导入光纤选择性激光熔化设备，利用金属材料3D打印机对模型进行3D打印，其采用理论密度为4.55g/cm3的纯钛，激光光斑直径d=83μm，波长λ=1024nm，扫描间距h=100～200μm，功率P=70～100W，扫描速度V=100～500mm/s，铺粉厚度t=30～70μm，得到半成品；
6）冷却后，对步骤5）所得的半成品铲除支撑并对底面锉平，并采用喷砂处理，除去表面粘熔残余的材料，得到表面光洁的人工多孔骨结构。
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 (3)

1.一种人工多孔骨结构的制作方法，其特征在于包括步骤：
1）采用SolidWorks三维制图软件构建网格单元，所述网格单元是镂空的截角八面体；
2）将步骤1）中的网格单元进行阵列，得到人工多孔骨结构中的多孔体；
3）通过SolidWorks三维制图软件构建人工多孔骨结构中的壳体；
4）将步骤2）所得的多孔体和步骤3）所得的壳体进行布尔操作，获得人工多孔骨结构的三维实体模型；
5）将步骤4）所得的三维实体模型输出为STL格式文件并传入ontofab中进行分层，分层结束后将结果导入光纤选择性激光熔化设备，利用金属材料3D打印机对模型进行3D打印，得到半成品；
6）冷却后，对步骤5）所得的半成品铲除支撑并对底面锉平，并采用喷砂处理，除去表面粘熔残余的材料，得到表面光洁的人工多孔骨结构。
2.根据权利要求1所述的人工多孔骨结构的制作方法，其特征在于，所述步骤2）的网格单元以线性排列或紧密排列的方式阵列。
3.根据权利要求1所述的人工多孔骨结构的制作方法，其特征在于，所述步骤5）的3D打印流程中的参数设定为：采用理论密度为4.55g/cm3的纯钛，激光光斑直径d=83μm，波长λ=1024nm，扫描间距h=100～200μm，功率P=70～100W，扫描速度V=100～500mm/s，铺粉厚度t=30～70μm。
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