CN113081396A - 一种颅骨修复材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种颅骨修复材料的制备方法，其包括步骤：(1)基于患者颅骨缺损部位的图像数据，获得颅骨修补片的三维数据；(2)基于颅骨修补片的三维数据，采用基材金属粉末通过3D打印技术制得颅骨修补片毛坯，所述颅骨修补片毛坯包括：内表层、外表层以及设于内表层和外表层之间的疏松网孔层；其中所述内表层和外表层上均设有若干盲孔；(3)将第一复合粉末加入颅骨修补片毛坯的外表层的盲孔中，将第二复合粉末加入颅骨修补片毛坯的内表层的盲孔中，以得到颅骨修复材料。此外，本发明还公开了一种颅骨修复材料，其采用上述的制备方法制得。

Description

一种颅骨修复材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种材料及其制备方法,尤其涉及一种修复材料及其制备方法。
背景技术
颅骨缺损是神经外科中的常见问题之一。临床修复颅骨缺损的主要方法是颅骨修补成形，主要包括自体骨移植和人工骨移植修复材料两大类。自体骨移植虽然被认为是最理想的骨移植材料，但是，自体骨移植存在自体骨保管困难、感染率高、骨来源受限、塑性欠佳、整形效果差、成本高昂等问题。因此自体骨移植在临床应用中受到了极大限制，人工骨移植修复材料开始逐渐替代自体骨移植。
目前，人工骨移植修复材料分为非金属修复材料和金属修复材料。非金属骨修复材料主要包括有机玻璃和骨水泥。有机玻璃具有机械性能强、绝热绝缘性好、对X射线无影响等优势，但硬度低于颅骨，受较大外力时易碎。骨水泥为丙烯酸酯类骨固着剂，固着吻合能力较强，坚韧性强于颅骨，塑形快、可多次塑性，但成型后脆性强，易感染，术后并发症较多。金属修复材料主要是钛网，其物理性能稳定，极少引起过敏及排斥反应，组织相容性好。然而，钛网的成型主要是利用机床铸造和模具压制成型，受工艺水平影响易出现起皱、边缘翘曲和强度不足等问题。并且，该方法存在生产周期长、修复材料与颅骨表面粘附程度差、手术过程中需根据患者骨窗实际情况直接手工裁剪塑形、感染率高、修复效果不理想等问题。
基于此，期望获得一种颅骨修复材料，其可以克服上述的材料所存在的问题，该颅骨修复材料在作为骨植入材料时可以表现出极好的力学性能和生物相容性。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种颅骨修复材料的制备方法，该制备方法解决了现有技术中的不足，通过3D打印技术获得由基材金属粉末制得的颅骨修补片毛坯，利用第一复合粉末和第二复合粉末分别加入至颅骨修补片毛坯的外表层以及内表层从而得到颅骨修复材料，该制备方法既可以降低生产复杂的结构件的难度，又可以保证生产得到的复杂的结构件具有较高的精度，而最终获得的颅骨修复材料力学性能以及生物相容性表现均良好。
为了实现上述目的，本发明提出了一种颅骨修复材料的制备方法，其包括步骤：
(1)基于患者颅骨缺损部位的图像数据，获得颅骨修补片的三维数据；
(2)基于颅骨修补片的三维数据，采用基材金属粉末通过3D打印技术制得颅骨修补片毛坯，颅骨修补片毛坯包括：内表层、外表层以及设于内表层和外表层之间的疏松网孔层；其中内表层和外表层上均设有若干盲孔；
(3)将第一复合粉末加入颅骨修补片毛坯的外表层的盲孔中，将第二复合粉末加入颅骨修补片毛坯的内表层的盲孔中，以得到颅骨修复材料。
在本发明所述的颅骨修复材料的制备方法中，通过对患者颅骨缺损部位进行计算机断层扫描、核磁共振成像、X射线成像、B超成像或电子成像技术可以获得患者颅骨缺损部位的图像数据。随后通过图像处理软件对图像数据进行分割、提取，以重建患者颅骨及缺损部位三维模型，基于重建的患者颅骨及缺损部位三维模型计算缺失部分人工颅骨的大小、曲率，进而获得颅骨修补片的三维数据。
基于颅骨修补片的三维数据设计颅骨修补片模型，采用基材金属粉末利用3D打印技术制得颅骨修补片毛坯。该颅骨修补片毛坯的尺寸和孔隙率应当与患者颅骨缺损部位相匹配。采用3D打印技术可以在打印过程中通过逐层打印的方式构造所需形状的结构件，不仅有效降低了生产复杂结构件的难度，而且还能保证复杂结构件的精度。
将第一复合粉末加入颅骨修补片毛坯的外表层的盲孔中时，可以对添加完第一复合粉末的颅骨修补片毛坯进行表面打磨，去除飞边和毛刺，随后将第二复合粉末加入颅骨修补片毛坯的内表层的盲孔中时，可以对添加完第二复合粉末的颅骨修补片毛坯进行表面打磨，去除飞边和毛刺，从而最终获得外表面与内表面紧致、疏松网孔层疏松的颅骨修补片
由此可以看出，通过本发明所述的制备方法可以克服现有技术中由于采用机床铸造和模具压制成型技术制备钛网，随后需要通过人工裁剪钛网造成的各种缺陷，例如受工艺水平影响现有技术的钛网易出现起皱、边缘翘曲和强度不足的问题，并且现有技术存在生产周期长、修复材料与颅骨表面粘附程度差、手术过程中需根据患者骨窗实际情况直接手工裁剪塑形、感染率高、修复效果不理想的问题。而区别于现有技术，本案由于采用3D打印技术精确制备获得所需要的颅骨修补片毛坯，大大缩短了制备周期，且所获得的颅骨修补片毛坯可以与患者基体充分结合。
另外，本案采用的第一复合粉末与第二复合粉末可以充分发挥材料的强度和耐磨性优势，且具有较好的生物相容性，使得最终的颅骨修复材料兼具作为骨植入材料的高力学性能以及较强的生物相容性，这非常有利于减少因材料生物相容性所诱发的手术并发症，对于提高颅骨修补手术的成功率具有极高的积极作用。
进一步地，在本发明所述的制备方法中，在步骤(2)中，基材金属粉末至少包括钛合金粉末。
上述方案中，钛合金粉末可以采用TA、TB以及TC系列。
进一步地，在本发明所述的制备方法中，在步骤(2)中，钛合金粉末满足下列各项的至少其中之一：球形度≥98％；粒径尺寸≤45μm；氧含量≤100ppm。
进一步地，在本发明所述的制备方法中，在步骤(3)中，采用振动沉积和搅拌摩擦加工的方式将第一复合粉末加入颅骨修补片毛坯的外表层的盲孔中；并且/或者采用振动沉积和搅拌摩擦加工的方式将第二复合粉末加入颅骨修补片毛坯的内表层的盲孔中。
上述方案中，考虑到搅拌摩擦加工工艺可以有效实现材料的组织细化、均匀化和致密化，从而提高材料的强度和塑性。在一些实施方式中，可以通过振动沉积的方式将第一复合粉末或是第二复合粉末加入颅骨修补片毛坯的外表层或内表层，随后，利用搅拌摩擦加工的方式使得加入的第一复合粉末或是第二复合粉末与颅骨修补片毛坯充分结合。
进一步地，在本发明所述的制备方法中，第一复合粉末至少包括：磷酸三钙粉末和/或羟基磷灰石粉末。
进一步地，在本发明所述的制备方法中，第二复合粉末至少包括ZrO2粉末。
进一步地，在本发明所述的制备方法中，ZrO2粉末的粒径为20-30μm。
相应地，本发明的另一目的在于提供一种颅骨修复材料，该颅骨修复材料力学性能优良且生物相容性好。
为了实现上述目的，本发明提出了一种颅骨修复材料，其采用上述的制备方法制得。
进一步地，在本发明所述的颅骨修复材料中，盲孔的口径为0.1-3mm，深度为0.3-5mm，相邻盲孔之间的间距为1-10mm。上述方案中，可以根据皮下积液的积液量调整盲孔的口径或是其间距，以大大减少患者组织与颅骨修复材料之间的接触面积，从而降低皮下积液的积液量，进而降低感染的发生率。
进一步地，在本发明所述的颅骨修复材料中，颅骨修复材料的厚度为3-15mm。
进一步地，在本发明所述的颅骨修复材料中，疏松网孔层的网孔口径为0.3～1mm。
本发明所述的颅骨修复材料及其制备方法相较于现有技术具有如下所述的优点以及有益效果：
通过本发明所述的制备方法可以克服现有技术中由于采用机床铸造和模具压制成型技术制备钛网，随后需要通过人工裁剪钛网造成的各种缺陷，例如受工艺水平影响现有技术的钛网易出现起皱、边缘翘曲和强度不足的问题，并且现有技术存在生产周期长、修复材料与颅骨表面粘附程度差、手术过程中需根据患者骨窗实际情况直接手工裁剪塑形、感染率高、修复效果不理想的问题。
此外，本发明所述的制备方法由于采用3D打印技术精确制备获得所需要的颅骨修补片毛坯，大大缩短了制备周期，且所获得的颅骨修补片毛坯可以与患者基体充分结合。
另外，本发明所述的制备方法采用的第一复合粉末与第二复合粉末可以充分发挥材料的强度和耐磨性优势，且具有较好的生物相容性，使得最终的颅骨修复材料兼具作为骨植入材料的高力学性能以及较强的生物相容性，这非常有利于减少因材料生物相容性所诱发的手术并发症，对于提高颅骨修补手术的成功率具有极高的积极作用。
本发明所述的颅骨修复材料也同样具有上述的优点以及有益效果。
附图说明
图1为本发明所述的颅骨修复材料的制备方法在一些实施方式中的工艺流程图。
图2示意性地显示了本发明所述的颅骨修复材料在一些实施方式中的结构。
图3为本发明所述的颅骨修复材料在一些实施方式中的颅骨修复材料的结构截面示意图。
图4为实施例1的颅骨修复材料的内表层微观组织图。
图5为实施例2的颅骨修复材料的外表层微观组织图。
图6为实施例1的颅骨修复材料的拉伸曲线图。
图7为实施例2的颅骨修复材料的拉伸曲线图。
具体实施方式
下面将结合说明书附图以及具体的实施例对本发明所述的颅骨修复材料及其制备方法做进一步的解释和说明，然而该解释和说明并不对本发明的技术方案构成不当限定。
实施例1-6
实施例1-6的颅骨修复材料采用以下步骤制得：
(1)基于患者颅骨缺损部位的图像数据，获得颅骨修补片的三维数据。
(2)基于颅骨修补片的三维数据，采用基材金属粉末通过3D打印技术制得颅骨修补片毛坯，颅骨修补片毛坯包括：内表层、外表层以及设于内表层和外表层之间的疏松网孔层；其中内表层和外表层上均设有若干盲孔，其中基材金属粉末至少包括钛合金粉末，钛合金粉末满足下列各项的至少其中之一：球形度≥98％；粒径尺寸≤45μm；氧含量≤100ppm。
(3)将第一复合粉末加入颅骨修补片毛坯的外表层的盲孔中，将第二复合粉末加入颅骨修补片毛坯的内表层的盲孔中，以得到颅骨修复材料，其中，第一复合粉末至少包括：磷酸三钙粉末和/或羟基磷灰石粉末，第二复合粉末至少包括ZrO2粉末，ZrO2粉末的粒径为20-30μm。
在一些实施方式中，在步骤(3)中，可以采用振动沉积和搅拌摩擦加工的方式将第一复合粉末加入颅骨修补片毛坯的外表层的盲孔中；并且/或者采用振动沉积和搅拌摩擦加工的方式将第二复合粉末加入颅骨修补片毛坯的内表层的盲孔中。
在一些实施方式中，在步骤(1)中，通过对患者颅骨缺损部位进行计算机断层扫描、核磁共振成像、X射线成像、B超成像或电子成像技术可以获得患者颅骨缺损部位的图像数据。随后通过图像处理软件对图像数据进行分割、提取，以重建患者颅骨及缺损部位三维模型，基于重建的患者颅骨及缺损部位三维模型计算缺失部分人工颅骨的大小、曲率，进而获得颅骨修补片的三维数据。
表1列出了实施例1-6的颅骨修复材料所采用的钛合金粉末、第一复合粉末以及第二复合粉末。
表1.
Figure BDA0002331444490000061
表2列出了实施例1-6的颅骨修复材料中所涉及的颅骨修补毛坯的三维数据以及颅骨修复材料的结构数据。
表2.
Figure BDA0002331444490000071
表3列出了实施例1-6的颅骨修复材料所采用的搅拌摩擦加工中涉及的具体工艺参数。
表3.
Figure BDA0002331444490000072
图1为本发明所述的颅骨修复材料的制备方法在一些实施方式中的工艺流程图。
如图1所示，在本实施方式中，颅骨修复材料的制备方法包括步骤：(1)基于患者颅骨缺损部位的图像数据，获得颅骨修补片的三维数据。(2)基于颅骨修补片的三维数据，采用基材金属粉末通过3D打印技术制得颅骨修补片毛坯，颅骨修补片毛坯包括：内表层、外表层以及设于内表层和外表层之间的疏松网孔层；其中内表层和外表层上均设有若干盲孔。(3)将第一复合粉末加入颅骨修补片毛坯的外表层的盲孔中，将第二复合粉末加入颅骨修补片毛坯的内表层的盲孔中，以得到颅骨修复材料。
图2示意性地显示了本发明所述的颅骨修复材料在一些实施方式中的结构。
如图2所示，在本实施方式中，颅骨修复材料的外表层1包括盲孔P，盲孔P的口径可以设置为0.1-3mm，深度可以设置为0.3-5mm，相邻盲孔之间的间距可以设置为1-10mm。
图3为本发明所述的颅骨修复材料在一些实施方式中的颅骨修补毛坯的结构截面示意图。
如图3所示，颅骨修补片毛坯包括：内表层1、外表层2以及设于内表层1和外表层2之间的疏松网孔层3，其中内表层1和外表层2上均设有若干盲孔P。因而,可以将第一复合粉末加入颅骨修补片毛坯的外表层2的盲孔P中，将第二复合粉末加入颅骨修补片毛坯的内表层1的盲孔P中，以得到颅骨修复材料。
图4为实施例1的颅骨修复材料的内表层微观组织图。
图5为实施例2的颅骨修复材料的外表层微观组织图。
结合图4和图5可以看出，实施例1和2的内、外表层的结构致密，基材金属粉末与第一、第二复合粉末结合充分。
图6为实施例1的颅骨修复材料的拉伸曲线图。
如图6所示，图中A曲线为3D打印成型的颅骨修补片毛坯的拉伸曲线，B曲线为最终获得的颅骨修复材料的拉伸曲线。由图6可知，颅骨修补片毛坯的强度为666MPa，总延伸率为5.8％，经过搅拌摩擦加工制备后的颅骨修复材料的抗拉强度达到676MPa，总延伸率为19.9％，由此说明通过本案的制备方法所获得的颅骨修复材料具有相对较高的强度和延伸率，作为颅骨修复材料，其具有相对优良的综合性能。
图7为实施例2的颅骨修复材料的拉伸曲线图。
如图7所示，a曲线为3D打印成型的颅骨修补片毛坯的拉伸曲线，b曲线为最终获得的颅骨修复材料的拉伸曲线。由图可知，3D打印成型的颅骨修补片毛坯强度为666MPa，延伸率为5.8％，经过搅拌摩擦加工制备的颅骨修复材料的强度为729MPa，总延伸率为11.7％，由此说明通过本案的制备方法所获得的颅骨修复材料具有相对较高的强度和延伸率，作为颅骨修复材料，其具有相对优良的综合性能。
综上所述，通过本发明所述的制备方法可以克服现有技术中由于采用机床铸造和模具压制成型技术制备钛网，随后需要通过人工裁剪钛网造成的各种缺陷，例如受工艺水平影响现有技术的钛网易出现起皱、边缘翘曲和强度不足的问题，并且现有技术存在生产周期长、修复材料与颅骨表面粘附程度差、手术过程中需根据患者骨窗实际情况直接手工裁剪塑形、感染率高、修复效果不理想的问题。
此外，本发明所述的制备方法由于采用3D打印技术精确制备获得所需要的颅骨修补片毛坯，大大缩短了制备周期，且所获得的颅骨修补片毛坯可以与患者基体充分结合。
另外，本发明所述的制备方法采用的第一复合粉末与第二复合粉末可以充分发挥材料的强度和耐磨性优势，且具有较好的生物相容性，使得最终的颅骨修复材料兼具作为骨植入材料的高力学性能以及较强的生物相容性，这非常有利于减少因材料生物相容性所诱发的手术并发症，对于提高颅骨修补手术的成功率具有极高的积极作用。
本发明所述的颅骨修复材料也同样具有上述的优点以及有益效果。需要说明的是，本发明的保护范围中现有技术部分并不局限于本申请文件所给出的实施例，所有不与本发明的方案相矛盾的现有技术，包括但不局限于在先专利文献、在先公开出版物，在先公开使用等等，都可纳入本发明的保护范围。
此外，本案中各技术特征的组合方式并不限本案权利要求中所记载的组合方式或是具体实施例所记载的组合方式，本案记载的所有技术特征可以以任何方式进行自由组合或结合，除非相互之间产生矛盾。
还需要注意的是，以上所列举的实施例仅为本发明的具体实施例。显然本发明不局限于以上实施例，随之做出的类似变化或变形是本领域技术人员能从本发明公开的内容直接得出或者很容易便联想到的，均应属于本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种颅骨修复材料的制备方法，其特征在于，其包括步骤：
(1)基于患者颅骨缺损部位的图像数据，获得颅骨修补片的三维数据；
(2)基于颅骨修补片的三维数据，采用基材金属粉末通过3D打印技术制得颅骨修补片毛坯，所述颅骨修补片毛坯包括：内表层、外表层以及设于内表层和外表层之间的疏松网孔层；其中所述内表层和外表层上均设有若干盲孔；
(3)将第一复合粉末加入颅骨修补片毛坯的外表层的盲孔中，将第二复合粉末加入颅骨修补片毛坯的内表层的盲孔中，以得到颅骨修复材料。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述基材金属粉末至少包括钛合金粉末。
3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述钛合金粉末满足下列各项的至少其中之一：球形度≥98％；粒径尺寸≤45μm；氧含量≤100ppm。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤(3)中，采用振动沉积和搅拌摩擦加工的方式将第一复合粉末加入颅骨修补片毛坯的外表层的盲孔中；并且/或者采用振动沉积和搅拌摩擦加工的方式将第二复合粉末加入颅骨修补片毛坯的内表层的盲孔中。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一复合粉末至少包括：磷酸三钙粉末和/或羟基磷灰石粉末。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第二复合粉末至少包括ZrO2粉末。
7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述ZrO2粉末的粒径为20-30μm。
8.一种颅骨修复材料，其采用如权利要求1-7中任意一项所述的制备方法制得。
9.如权利要求8所述的颅骨修复材料，其特征在于，所述盲孔的口径为0.1-3mm，深度为0.3-5mm，相邻盲孔之间的间距为1-10mm。
10.如权利要求8所述的颅骨修复材料，其特征在于，所述颅骨修复材料的厚度为3-15mm。
11.如权利要求8所述的颅骨修复材料，其特征在于，所述疏松网孔层的网孔口径为0.3～1mm。
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