CN105893769B - 一种合金脑颅骨修复体的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种合金脑颅骨修复体的制备方法。该方法主要包括步骤：获取患者颅骨图像数据、三维重建生成颅骨模型、获得二维修复体并进行塑形制作，获得合金脑颅骨修复体等。本发明所述制备方法弥补了传统制备技术的不足，高效制备出满足医用材料生物相容性和力学相容性要求的复杂形状的合金脑颅骨修复体。同时，该制备方法成本较低，制造精度高、成型效率高。

Description

一种合金脑颅骨修复体的制备方法
技术领域
本发明属于医学应用领域，应用于脑神经外科、脑神经内科、颅骨修复等医学专业，涉及一种合金修复体的加工制造方法，特别地，涉及一种合金脑颅骨修复体的制备方法。
背景技术
在神经外科和神经内科领域，出现如下创伤或疾病时，需对颅骨施行切除以及修复手术：头部外伤、颅内感染或肿瘤、脑水肿或颅内压增高以及颅骨畸形等。颅骨缺损后为了恢复颅腔密闭性以及防止出现进一步的神经系统症状，需行颅骨缺损修复术。
现有技术中常用的颅骨修复体材料有非金属材料和金属材料，非金属材料有有机玻璃、骨水泥及复合材料，有机玻璃坚硬，可加热塑性，取材方便，但对人体有刺激且时间久后易老化，难以达到满意效果；骨水泥塑形快，但对脑组织有刺激，术后易变形产生松动。常用的金属有钽、钛板或不锈钢丝网，国内外均有采用，其塑型方便，组织反应轻，外观佳，是颅骨修补的好材料。但金属材料具有导热性，修补后局部温差大，患者有不适的灼热感，病人不适宜在太阳光下其他较热或较冷环境中长时间工作，同时常用的医用金属材料导电或导磁和不透X线，妨碍病人术后进行CT等检查。可降解高分子材料虽然可以作为颅骨修复使用，但是其力学性能相对欠佳，而且酸性的降解产物容易引发炎症等。上述材料均不能很好地满足颅骨修复体所要求的高拉伸和压缩强度、高抗冲击性、抗磨性、良好的成型加工性、高可靠性以及良好的生物相容性。
合金材料具有良好的生物相容性、无毒以及强度高等特点，使其在颅脑损伤、颅内肿瘤手术或开颅减压术所致的颅骨缺损的修复中有较为普遍的应用。但是，该应用一直存在的一个问题是无法提供与患者颅骨缺损大小以及形态完全相吻合的金属材料修复体，尤其是对于复杂程度较高的缺损情况，对修复体的形态要求则更高。另外，现有技术中的修复体制备方法在修复假体质量上有所提高，但制造周期长、成本高柔性差，以目前的制备手段很难保证一次手术完成清创和修补。而压痕、起皱、回弹和边缘翘曲是多点成形中特有的成形缺陷，压痕和起皱影响颅骨修复体的外形美观，回弹会使修复体尺寸与骨窗尺寸不吻合，导致修复体塌陷或固定松动。边缘翘曲会使修复体与骨窗不能良好贴合，影响修复质量。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种合金脑颅骨修复体的制备方法，以弥补传统制备技术的不足，高效制备出满足医用材料生物相容性和力学相容性要求的复杂形状的合金脑颅骨修复体。同时，该制备方法成本较低，制造精度高、成型效率高。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是一种合金脑颅骨修复体的制备方法，包括以下步骤：
(1)利用计算机断层扫描技术方式获取患者颅骨图像数据，计算机断层扫描技术的扫描间距为1.7～1.9mm，获得的图像数据用标准DICOM文件格式储存于计算机可读介质，得到颅骨缺损轮廓；
(2)将DICOM格式的CT图像数据导入数字化三维医学影像交互式处理软件Mimics中进行数据的读取、分割及三维重建，选取分割后颅骨图像的任一象素点，则与此像素点连接的三维区域均被临时记录下来，提取颅骨的灰度阈值范围为505～2055；颅骨三维成型后，通过Mimics的镜像功能将健侧颅骨对称复制到缺损部位，再利用透明功能使缺损形状及边缘可见，利用多面体分割功能沿着缺损边缘切割修复体模型并进行分离；提取完成后以STL格式输出修复体，并且存放有医学图像控制系统软件的计算机输出三维重建生成的颅骨模型；
(3)利用逆向工程软件Surfacer对颅骨缺损进行修补、CAD设计出个体化的颅骨缺损修复体，调整颅骨原型的位置，并提取出修复体曲面数据，根据颅骨缺损模型确定金属修复体的边缘轮廓，采用逆向设计、CAD设计出金属修复体的曲面形状，最后根据该修复体的曲面对金属修复体进行塑形；
(4)将步骤(3)中所获得的曲面数据在有限元分析软件Deform、autoform或Dynaform中通过计算、数据处理功能，根据修复体曲面，综合金属材料的弯曲、拉伸、压延的塑性变形因素，反求出颅骨修复体平面状态的边缘轮廓和面积大小，获得二维平面的修复体；
(5)根据步骤(4)中获得的二维平面的修复体，制作二维合金网片：以海绵钛为原料，将海绵钛与氢气混合，保持氢气正压为0.06～0.07MPa，在680～700℃保温30～40min，确保海绵钛与氢气充分反应后降温冷却；然后对海绵钛采用气流磨进行破碎，气流磨的转速控制在1100r/min～1200r/min，破碎得到粒度为15～30um的氢化钛粉末；将上述氢化钛粉末作为原料，采用氩气作为气体射频等离子体进行脱氢及球化处理，射频等离子体输出功率为65kw～75kw；并采用氩气作为保护气，保护气流量为0.8m3/h～1.2m3/h，使形成稳定的等离子炬；然后采用氩气作为载气将氢化钛粉输送至等离子炬中央，送氢化钛粉末的速率选择在150g/min～200g/min，氢化钛粉在下落过程中经过等离子炬受热熔融，并在氩气的保护下沉积在收集罐中，即得钛粉；将制得的钛粉、选用金属镁粉、金属钼粉采用球磨工艺进行机械混合均匀，上述混合的粉末中金属镁粉的含量为5～10wt％、金属钼粉的含量为3～5wt％，余量为钛粉，球磨工艺的球料比为2.5∶1～1.5∶1，球磨时间为5～8h，转速为50～80r/min；并对混合的粉末进行冷等静压，冷等静压的压力为200～300Mpa，保压时间为10～15min；在真空炉中对混合粉末进行激光烧结成形，获得烧结粉末合金坯体，真空烧结时真空度要≤10-3Pa，烧结保温时间为2.5～3.5h，激光功率为20～30W，坯体表面涂玻璃润滑剂保护，然后对坯体进行机械加工，制成二维合金网片，网片的厚度为40～60μm；
(6)根据在步骤(3)中提取的修复体曲面数据，烧制修复体模型，修复体模型使用的材料为步骤(5)中所制得的钛粉以及热塑性树脂粉末，修复体模型中热塑性树脂粉末的含量为5～7wt％，在纯度为99.3％～99.5％的惰性氩气保护下，以CO2激光器为热源，对混合粉末进行烧结成形，得到修复体模型坯件，激光功率为32～38W；在惰性气体保护下，将修复体模型坯件放入脱脂炉内，直接进行热脱脂；脱脂温度为350～450℃，保温时间为1.5～2.5h，脱除速率为2～4℃/min；在惰性气体保护下，将修复体模型坯件放入烧结炉内，进行高温烧结，最终得到修复体模型，烧结温度为900～1100℃，保温时间为1.5～2.5h，升温速率为2.5～3.5℃/min；然后进行模压塑性变形，并在预锻和终锻中间安排预热和热处理，获得所需要的修复体模型坯件的形状和尺寸；进行均匀化退火，用喷砂机打磨修复体模型的凸面及其边缘，最后手工打磨，直至修复体模型表面达到技术要求，进而对其进行超声波清洗和消毒处理；将制作好的修复体模型与步骤(5)中制成的二维合金网片贴合比较，并进行压制，在压制过程中把二维合金网片反复与修复体模型比较，直至两者完全吻合，并修剪所述二维合金网片；
(7)将步骤(6)中制得的产品置于温度为55～65℃、浓度为7～8mol的NaOH溶液中浸泡2～4h，之后用水清洗后使其干燥，然后放入36～37℃的SBF缓冲液中浸泡15～20h，清洗后干燥进行热处理，以5℃/min的速率加热至625～635℃保温25～35分钟，然后关闭电源随炉冷却至室温，制得最终的合金脑颅骨修复体。
优选的，所述热塑性树脂为聚乙烯。
在上述任一方案中优选的是，所述压制过程中用塑料薄膜将二维合金网片封住。
在上述任一方案中优选的是，所述模压塑性变形中用到的模压模具材料为Cr12MoV，预锻前预热温度为380～400℃，终锻后安排T4热处理工艺。
在上述任一方案中优选的是，所述所述钛粉和热塑性树脂粉末的粒径分别为：150～200目和300～500目。
在上述任一方案中优选的是，在步骤(7)后还对合金脑颅骨修复体再次进行消毒和烘干，并妥善保存。
本发明是根据多年的试验和经验所得各成分的配比和具体的步骤，并不是将各成分简单叠加和步骤的随意组合，而是根据各成分的相互作用原则进行的相应选择，并且确定了最佳的制造步骤，因此，本发明具有显著的意义。
本发明的有益效果：
1.本发明的方法完成了金属修复体的边缘界定和设计，不仅能确保修复体边缘与颅骨缺损边界完美贴合，而且因轮廓边缘光滑而避免了对周围软组织的刺激与损伤。本发明方法制备的合金脑颅骨修复体不仅可实现修复体本身的修复功能，还可保证手术的精确性，获得更好的颅骨修复后的外形效果，而且降低了软组织刺激及损伤风险。
2.本发明面对不同患者的需求，能够个性化设计，并直接制备出任意复杂形状和高尺寸精度的合金脑颅骨修复体，可实现对修复套显微组织和力学性能的控制，本发明方法所制备出的合金脑颅骨修复体力学性能优异，其弹性模量和强度与自然骨匹配，可满足作为生物医用材料所需要的生物力学相容性要求。
3.本发明所述的方法可实现颅骨修复体的精确成型，并且不易受颅骨修复假体形状、薄厚程度等的限制；且合金脑颅骨修复体具有优良的生物学性能，便于临床赋形。
4.本发明方法的工艺生产工序少、成本低、可操作性及重复性强，适合工业化推广。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步描述，但要求保护的范围并不局限于此。
实施例1
一种合金脑颅骨修复体的制备方法，包括以下步骤：
(1)利用计算机断层扫描技术(CT)方式获取患者颅骨图像数据，计算机断层扫描技术的扫描间距为1.7mm，获得的图像数据用标准DICOM文件格式储存于计算机可读介质，得到颅骨缺损轮廓；
(2)将DICOM格式的CT图像数据导入数字化三维医学影像交互式处理软件Mimics中进行数据的读取、分割及三维重建，选取分割后颅骨图像的任一象素点，则与此像素点连接的三维区域均被临时记录下来，提取颅骨的灰度阈值范围为2055；颅骨三维成型后，通过Mimics的镜像功能将健侧颅骨对称复制到缺损部位，再利用透明功能使缺损形状及边缘可见，利用多面体分割功能沿着缺损边缘切割修复体模型并进行分离；提取完成后以STL格式输出修复体，并且存放有医学图像控制系统软件的计算机输出三维重建生成的颅骨模型；
(3)利用逆向工程软件Surfacer对颅骨缺损进行修补、CAD设计出个体化的颅骨缺损修复体，调整颅骨原型的位置，并提取出修复体曲面数据，根据颅骨缺损模型确定金属修复体的边缘轮廓，采用逆向设计、CAD设计出金属修复体的曲面形状，最后根据该修复体的曲面对金属修复体进行塑形；
(4)将步骤(3)中所获得的曲面数据在有限元分析软件Deform中通过计算、数据处理功能，根据修复体曲面，综合金属材料的弯曲、拉伸、压延的塑性变形因素，反求出颅骨修复体平面状态的边缘轮廓和面积大小，获得二维平面的修复体；
(5)根据步骤(4)中获得的二维平面的修复体，制作二维合金网片：以海绵钛为原料，将海绵钛与氢气混合，保持氢气正压为0.06MPa，在700℃保温30min，确保海绵钛与氢气充分反应后降温冷却；然后对海绵钛采用气流磨进行破碎，气流磨的转速控制在1200r/min，破碎得到粒度为15um的氢化钛粉末；将上述氢化钛粉末作为原料，采用氩气作为气体射频等离子体进行脱氢及球化处理，射频等离子体输出功率为75kw；并采用氩气作为保护气，保护气流量为0.8m3/h，使形成稳定的等离子炬；然后采用氩气作为载气将氢化钛粉输送至等离子炬中央，送氢化钛粉末的速率选择在200g/min，氢化钛粉在下落过程中经过等离子炬受热熔融，并在氩气的保护下沉积在收集罐中，即得钛粉；将制得的钛粉、选用金属镁粉、金属钼粉采用球磨工艺进行机械混合均匀，上述混合的粉末中金属镁粉的含量为5％、金属钼粉的含量为5wt％，余量为钛粉，球磨工艺的球料比为2.5∶1，球磨时间为5h，转速为80r/min；并对混合的粉末进行冷等静压，冷等静压的压力为200Mpa，保压时间为15min；在真空炉中对混合粉末进行激光烧结成形，获得烧结粉末合金坯体，真空烧结时真空度要≤10-3Pa，烧结保温时间为2.5h，激光功率为30W，坯体表面涂玻璃润滑剂保护，然后对坯体进行机械加工，制成二维合金网片，网片的厚度为40μm；
(6)根据在步骤(3)中提取的修复体曲面数据，烧制修复体模型，修复体模型使用的材料为步骤(5)中所制得的钛粉以及热塑性树脂粉末，修复体模型中热塑性树脂粉末的含量为7wt％，在纯度为99.3％的惰性氩气保护下，以CO2激光器为热源，对混合粉末进行烧结成形，得到修复体模型坯件，激光功率为38W；在惰性气体保护下，将修复体模型坯件放入脱脂炉内，直接进行热脱脂；脱脂温度为350℃，保温时间为2.5h，脱除速率为2℃/min；在惰性气体保护下，将修复体模型坯件放入烧结炉内，进行高温烧结，最终得到修复体模型，烧结温度为1100℃，保温时间为1.5h，升温速率为3.5℃/min；然后进行模压塑性变形，并在预锻和终锻中间安排预热和热处理，获得所需要的修复体模型坯件的形状和尺寸；进行均匀化退火，用喷砂机打磨修复体模型的凸面及其边缘，最后手工打磨，直至修复体模型表面达到技术要求，进而对其进行超声波清洗和消毒处理；将制作好的修复体模型与步骤(5)中制成的二维合金网片贴合比较，并进行压制，在压制过程中把二维合金网片反复与修复体模型比较，直至两者完全吻合，并修剪所述二维合金网片。
(7)将步骤(6)中制得的产品置于温度为55℃、浓度为8mol的NaOH溶液中浸泡2h，之后用水清洗后使其干燥，然后放入37℃的SBF缓冲液中浸泡15h，清洗后干燥进行热处理，以5℃/min的速率加热至635℃保温25分钟，然后关闭电源随炉冷却至室温，制得最终的合金脑颅骨修复体。
所述热塑性树脂为聚乙烯。
所述压制过程中用塑料薄膜将二维合金网片封住。
所述模压塑性变形中用到的模压模具材料为Cr12MoV，预锻前预热温度为400℃，终锻后安排T4热处理工艺。
所述所述钛粉和热塑性树脂粉末的粒径分别为：150目和500目。
在步骤(7)后还可对合金脑颅骨修复体再次进行消毒和烘干，并妥善保存。
实施例2
一种合金脑颅骨修复体的制备方法，包括以下步骤：
(1)利用计算机断层扫描技术(CT)方式获取患者颅骨图像数据，计算机断层扫描技术的扫描间距为1.9mm，获得的图像数据用标准DICOM文件格式储存于计算机可读介质，得到颅骨缺损轮廓；
(2)将DICOM格式的CT图像数据导入数字化三维医学影像交互式处理软件Mimics中进行数据的读取、分割及三维重建，选取分割后颅骨图像的任一象素点，则与此像素点连接的三维区域均被临时记录下来，提取颅骨的灰度阈值范围为505；颅骨三维成型后，通过Mimics的镜像功能将健侧颅骨对称复制到缺损部位，再利用透明功能使缺损形状及边缘可见，利用多面体分割功能沿着缺损边缘切割修复体模型并进行分离；提取完成后以STL格式输出修复体，并且存放有医学图像控制系统软件的计算机输出三维重建生成的颅骨模型；
(3)利用逆向工程软件Surfacer对颅骨缺损进行修补、CAD设计出个体化的颅骨缺损修复体，调整颅骨原型的位置，并提取出修复体曲面数据，根据颅骨缺损模型确定金属修复体的边缘轮廓，采用逆向设计、CAD设计出金属修复体的曲面形状，最后根据该修复体的曲面对金属修复体进行塑形；
(4)将步骤(3)中所获得的曲面数据在有限元分析软件autoform中通过计算、数据处理功能，根据修复体曲面，综合金属材料的弯曲、拉伸、压延的塑性变形因素，反求出颅骨修复体平面状态的边缘轮廓和面积大小，获得二维平面的修复体；
(5)根据步骤(4)中获得的二维平面的修复体，制作二维合金网片：以海绵钛为原料，将海绵钛与氢气混合，保持氢气正压为0.07MPa，在680℃保温40min，确保海绵钛与氢气充分反应后降温冷却；然后对海绵钛采用气流磨进行破碎，气流磨的转速控制在1100r/min，破碎得到粒度为30um的氢化钛粉末；将上述氢化钛粉末作为原料，采用氩气作为气体射频等离子体进行脱氢及球化处理，射频等离子体输出功率为65kw；并采用氩气作为保护气，保护气流量为1.2m3/h，使形成稳定的等离子炬；然后采用氩气作为载气将氢化钛粉输送至等离子炬中央，送氢化钛粉末的速率选择在150g/min，氢化钛粉在下落过程中经过等离子炬受热熔融，并在氩气的保护下沉积在收集罐中，即得钛粉；将制得的钛粉、选用金属镁粉、金属钼粉采用球磨工艺进行机械混合均匀，上述混合的粉末中金属镁粉的含量为10wt％、金属钼粉的含量为3wt％，余量为钛粉，球磨工艺的球料比为1.5∶1，球磨时间为8h，转速为50r/min；并对混合的粉末进行冷等静压，冷等静压的压力为300Mpa，保压时间为10min；在真空炉中对混合粉末进行激光烧结成形，获得烧结粉末合金坯体，真空烧结时真空度要≤10-3Pa，烧结保温时间为3.5h，激光功率为20W，坯体表面涂玻璃润滑剂保护，然后对坯体进行机械加工，制成二维合金网片，网片的厚度为60μm；
(6)根据在步骤(3)中提取的修复体曲面数据，烧制修复体模型，修复体模型使用的材料为步骤(5)中所制得的钛粉以及热塑性树脂粉末，修复体模型中热塑性树脂粉末的含量为5wt％，在纯度为99.5％的惰性氩气保护下，以CO2激光器为热源，对混合粉末进行烧结成形，得到修复体模型坯件，激光功率为32W；在惰性气体保护下，将修复体模型坯件放入脱脂炉内，直接进行热脱脂；脱脂温度为450℃，保温时间为1.5h，脱除速率为4℃/min；在惰性气体保护下，将修复体模型坯件放入烧结炉内，进行高温烧结，最终得到修复体模型，烧结温度为900℃，保温时间为2.5h，升温速率为2.5℃/min；然后进行模压塑性变形，并在预锻和终锻中间安排预热和热处理，获得所需要的修复体模型坯件的形状和尺寸；进行均匀化退火，用喷砂机打磨修复体模型的凸面及其边缘，最后手工打磨，直至修复体模型表面达到技术要求，进而对其进行超声波清洗和消毒处理；将制作好的修复体模型与步骤(5)中制成的二维合金网片贴合比较，并进行压制，在压制过程中把二维合金网片反复与修复体模型比较，直至两者完全吻合，并修剪所述二维合金网片。
(7)将步骤(6)中制得的产品置于温度为65℃、浓度为7mol的NaOH溶液中浸泡4h，之后用水清洗后使其干燥，然后放入36℃的SBF缓冲液中浸泡20h，清洗后干燥进行热处理，以5℃/min的速率加热至625℃保温35分钟，然后关闭电源随炉冷却至室温，制得最终的合金脑颅骨修复体。
所述热塑性树脂为聚乙烯。
所述压制过程中用塑料薄膜将二维合金网片封住。
所述模压塑性变形中用到的模压模具材料为Cr12MoV，预锻前预热温度为380℃，终锻后安排T4热处理工艺。
所述所述钛粉和热塑性树脂粉末的粒径分别为：200目和300目。
在步骤(7)后还可对合金脑颅骨修复体再次进行消毒和烘干，并妥善保存。
实施例3
一种合金脑颅骨修复体的制备方法，包括以下步骤：
(1)利用计算机断层扫描技术(CT)方式获取患者颅骨图像数据，计算机断层扫描技术的扫描间距为1.8mm，获得的图像数据用标准DICOM文件格式储存于计算机可读介质，得到颅骨缺损轮廓；
(2)将DICOM格式的CT图像数据导入数字化三维医学影像交互式处理软件Mimics中进行数据的读取、分割及三维重建，选取分割后颅骨图像的任一象素点，则与此像素点连接的三维区域均被临时记录下来，提取颅骨的灰度阈值范围为1505；颅骨三维成型后，通过Mimics的镜像功能将健侧颅骨对称复制到缺损部位，再利用透明功能使缺损形状及边缘可见，利用多面体分割功能沿着缺损边缘切割修复体模型并进行分离；提取完成后以STL格式输出修复体，并且存放有医学图像控制系统软件的计算机输出三维重建生成的颅骨模型；
(3)利用逆向工程软件Surfacer对颅骨缺损进行修补、CAD设计出个体化的颅骨缺损修复体，调整颅骨原型的位置，并提取出修复体曲面数据，根据颅骨缺损模型确定金属修复体的边缘轮廓，采用逆向设计、CAD设计出金属修复体的曲面形状，最后根据该修复体的曲面对金属修复体进行塑形；
(4)将步骤(3)中所获得的曲面数据在有限元分析软件Dynaform中通过计算、数据处理功能，根据修复体曲面，综合金属材料的弯曲、拉伸、压延的塑性变形因素，反求出颅骨修复体平面状态的边缘轮廓和面积大小，获得二维平面的修复体；
(5)根据步骤(4)中获得的二维平面的修复体，制作二维合金网片：以海绵钛为原料，将海绵钛与氢气混合，保持氢气正压为0.065MPa，在690℃保温35min，确保海绵钛与氢气充分反应后降温冷却；然后对海绵钛采用气流磨进行破碎，气流磨的转速控制在1150r/min，破碎得到粒度为25um的氢化钛粉末；将上述氢化钛粉末作为原料，采用氩气作为气体射频等离子体进行脱氢及球化处理，射频等离子体输出功率为70kw；并采用氩气作为保护气，保护气流量为1.0m3/h，使形成稳定的等离子炬；然后采用氩气作为载气将氢化钛粉输送至等离子炬中央，送氢化钛粉末的速率选择在180g/min，氢化钛粉在下落过程中经过等离子炬受热熔融，并在氩气的保护下沉积在收集罐中，即得钛粉；将制得的钛粉、选用金属镁粉、金属钼粉采用球磨工艺进行机械混合均匀，上述混合的粉末中金属镁粉的含量为8wt％、金属钼粉的含量为4wt％，余量为钛粉，球磨工艺的球料比为2∶1，球磨时间为7h，转速为60r/min；并对混合的粉末进行冷等静压，冷等静压的压力为250Mpa，保压时间为13min；在真空炉中对混合粉末进行激光烧结成形，获得烧结粉末合金坯体，真空烧结时真空度要≤10-3Pa，烧结保温时间为3h，激光功率为25W，坯体表面涂玻璃润滑剂保护，然后对坯体进行机械加工，制成二维合金网片，网片的厚度为50μm；
(6)根据在步骤(3)中提取的修复体曲面数据，烧制修复体模型，修复体模型使用的材料为步骤(5)中所制得的钛粉以及热塑性树脂粉末，修复体模型中热塑性树脂粉末的含量为6wt％，在纯度为99.4％的惰性氩气保护下，以CO2激光器为热源，对混合粉末进行烧结成形，得到修复体模型坯件，激光功率为35W；在惰性气体保护下，将修复体模型坯件放入脱脂炉内，直接进行热脱脂；脱脂温度为400℃，保温时间为2h，脱除速率为3℃/min；在惰性气体保护下，将修复体模型坯件放入烧结炉内，进行高温烧结，最终得到修复体模型，烧结温度为1000℃，保温时间为2h，升温速率为3℃/min；然后进行模压塑性变形，并在预锻和终锻中间安排预热和热处理，获得所需要的修复体模型坯件的形状和尺寸；进行均匀化退火，用喷砂机打磨修复体模型的凸面及其边缘，最后手工打磨，直至修复体模型表面达到技术要求，进而对其进行超声波清洗和消毒处理；将制作好的修复体模型与步骤(5)中制成的二维合金网片贴合比较，并进行压制，在压制过程中把二维合金网片反复与修复体模型比较，直至两者完全吻合，并修剪所述二维合金网片。
(7)将步骤(6)中制得的产品置于温度为60℃、浓度为7.5mol的NaOH溶液中浸泡3h，之后用水清洗后使其干燥，然后放入36.5℃的SBF缓冲液中浸泡18h，清洗后干燥进行热处理，以5℃/min的速率加热至630℃保温30分钟，然后关闭电源随炉冷却至室温，制得最终的合金脑颅骨修复体。
所述热塑性树脂为聚乙烯。
所述压制过程中用塑料薄膜将二维合金网片封住。
所述模压塑性变形中用到的模压模具材料为Cr12MoV，预锻前预热温度为390℃，终锻后安排T4热处理工艺。
所述所述钛粉和热塑性树脂粉末的粒径分别为：180目和400目。
为保证效果，所用的聚乙烯粉末可在以氢气为调节剂，采用粒度为0.3μm的四氯化钛催化剂，在反应温度80℃、反应压力为0.9MPa，搅拌转速为300～500RPM的条件下制得。
本发明的方法完成了金属修复体的边缘界定和设计，不仅能确保修复体边缘与颅骨缺损边界完美贴合，而且因轮廓边缘光滑而避免了对周围软组织的刺激与损伤。本发明方法制备的合金脑颅骨修复体不仅可实现修复体本身的修复功能，还可保证手术的精确性，获得更好的颅骨修复后的外形效果，而且降低了软组织刺激及损伤风险。
本发明面对不同患者的需求，能够个性化设计，并直接制备出任意复杂形状和高尺寸精度的合金脑颅骨修复体，可实现对修复套显微组织和力学性能的控制，本发明方法所制备出的合金脑颅骨修复体力学性能优异，其弹性模量和强度与自然骨匹配，可满足作为生物医用材料所需要的生物力学相容性要求。
本发明所述的方法可实现颅骨修复体的精确成型，并且不易受颅骨修复假体形状、薄厚程度等的限制；且合金脑颅骨修复体具有优良的生物学性能，便于临床赋形。
本发明方法的工艺生产工序少、成本低、可操作性及重复性强，适合工业化推广。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (6)

1.一种合金脑颅骨修复体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)利用计算机断层扫描技术方式获取患者颅骨图像数据，计算机断层扫描技术的扫描间距为1.7～1.9mm，获得的图像数据用标准DICOM文件格式储存于计算机可读介质，得到颅骨缺损轮廓；
(2)将DICOM格式的CT图像数据导入数字化三维医学影像交互式处理软件Mimics中进行数据的读取、分割及三维重建，选取分割后颅骨图像的任一像素点，则与此像素点连接的三维区域均被临时记录下来，提取颅骨的灰度阈值范围为505～2055；颅骨三维成型后，通过Mimics的镜像功能将健侧颅骨对称复制到缺损部位，再利用透明功能使缺损形状及边缘可见，利用多面体分割功能沿着缺损边缘切割修复体模型并进行分离；提取完成后以STL格式输出修复体，并且存放有医学图像控制系统软件的计算机输出三维重建生成的颅骨模型；
(3)利用逆向工程软件Surfacer对颅骨缺损进行修补、CAD设计出个体化的颅骨缺损修复体，调整颅骨原型的位置，并提取出修复体曲面数据，根据颅骨缺损模型确定金属修复体的边缘轮廓，采用逆向设计、CAD设计出金属修复体的曲面形状，最后根据该修复体的曲面对金属修复体进行塑形；
(4)将步骤(3)中所获得的曲面数据在有限元分析软件Deform、autoform或Dynaform中通过计算、数据处理功能，根据修复体曲面，综合金属材料的弯曲、拉伸、压延的塑性变形因素，反求出颅骨修复体平面状态的边缘轮廓和面积大小，获得二维平面的修复体；
(5)根据步骤(4)中获得的二维平面的修复体，制作二维合金网片：以海绵钛为原料，将海绵钛与氢气混合，保持氢气正压为0.06～0.07MPa，在680～700℃保温30～40min，确保海绵钛与氢气充分反应后降温冷却；然后对海绵钛采用气流磨进行破碎，气流磨的转速控制在1100r/min～1200r/min，破碎得到粒度为15～30um的氢化钛粉末；将上述氢化钛粉末作为原料，采用氩气作为气体射频等离子体进行脱氢及球化处理，射频等离子体输出功率为65kw～75kw；并采用氩气作为保护气，保护气流量为0.8m3/h～1.2m3/h，使形成稳定的等离子炬；然后采用氩气作为载气将氢化钛粉输送至等离子炬中央，送氢化钛粉末的速率选择在150g/min～200g/min，氢化钛粉在下落过程中经过等离子炬受热熔融，并在氩气的保护下沉积在收集罐中，即得钛粉；将制得的钛粉、选用金属镁粉、金属钼粉采用球磨工艺进行机械混合均匀，上述混合的粉末中金属镁粉的含量为5～10wt％、金属钼粉的含量为3～5wt％，余量为钛粉，球磨工艺的球料比为2.5∶1～1.5∶1，球磨时间为5～8h，转速为50～80r/min；并对混合的粉末进行冷等静压，冷等静压的压力为200～300Mpa，保压时间为10～15min；在真空炉中对混合粉末进行激光烧结成形，获得烧结粉末合金坯体，真空烧结时真空度要≤10-3Pa，烧结保温时间为2.5～3.5h，激光功率为20～30W，坯体表面涂玻璃润滑剂保护，然后对坯体进行机械加工，制成二维合金网片，网片的厚度为40～60μm；
(6)根据在步骤(3)中提取的修复体曲面数据，烧制修复体模型，修复体模型使用的材料为步骤(5)中所制得的钛粉以及热塑性树脂粉末，修复体模型中热塑性树脂粉末的含量为5～7wt％，在纯度为99.3％～99.5％的惰性氩气保护下，以CO2激光器为热源，对混合粉末进行烧结成形，得到修复体模型坯件，激光功率为32～38W；在惰性气体保护下，将修复体模型坯件放入脱脂炉内，直接进行热脱脂；脱脂温度为350～450℃，保温时间为1.5～2.5h，脱除速率为2～4℃/min；在惰性气体保护下，将修复体模型坯件放入烧结炉内，进行高温烧结，最终得到修复体模型，烧结温度为900～1100℃，保温时间为1.5～2.5h，升温速率为2.5～3.5℃/min；然后进行模压塑性变形，并在预锻和终锻中间安排预热和热处理，获得所需要的修复体模型坯件的形状和尺寸；进行均匀化退火，用喷砂机打磨修复体模型的凸面及其边缘，最后手工打磨，直至修复体模型表面达到技术要求，进而对其进行超声波清洗和消毒处理；将制作好的修复体模型与步骤(5)中制成的二维合金网片贴合比较，并进行压制，在压制过程中把二维合金网片反复与修复体模型比较，直至两者完全吻合，并修剪所述二维合金网片；
(7)将步骤(6)中制得的产品置于温度为55～65℃、浓度为7～8mol的NaOH溶液中浸泡2～4h，之后用水清洗后使其干燥，然后放入36～37℃的SBF缓冲液中浸泡15～20h，清洗后干燥进行热处理，以5℃/min的速率加热至625～635℃保温25～35分钟，然后关闭电源随炉冷却至室温，制得最终的合金脑颅骨修复体。
2.根据权利要求1所述的合金脑颅骨修复体的制备方法，其特征在于，所述热塑性树脂为聚乙烯。
3.根据权利要求1或2所述的合金脑颅骨修复体的制备方法，其特征在于，所述压制过程中用塑料薄膜将二维合金网片封住。
4.根据权利要求3所述的合金脑颅骨修复体的制备方法，其特征在于，所述模压塑性变形中用到的模压模具材料为Cr12MoV，预锻前预热温度为380～400℃，终锻后安排T4热处理工艺。
5.根据权利要求4所述的合金脑颅骨修复体的制备方法，其特征在于，所述所述钛粉和热塑性树脂粉末的粒径分别为：150～200目和300～500目。
6.根据权利要求5所述的合金脑颅骨修复体的制备方法，其特征在于，在步骤(7)后还对合金脑颅骨修复体再次进行消毒和烘干，并妥善保存。
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