CN113768666A - 一种3d打印基于tpms设计的仿生下颌骨支架的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种3D打印基于TPMS设计的仿生下颌骨支架的制备方法，包括个性化骨支架设计、与TPMS结构复合填充、格式转换及支撑设计、支架3D打印制备和表面处理等步骤，将TPMS与钛支架充填复合，从而将TPMS结构优良的骨引导、骨诱导性能、力学性能与钛支架的优良生物相容性有机的结合起来，作为新型多孔仿生骨支架，为钛支架的临床应用提供一种新的选择方法。
Description
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，更具体的说是涉及一种3D打印基于三周期极小曲面(Triply Periodic Minimal Surface,TPMS)设计的个性化多孔钛仿生下颌骨支架的制备方法。
背景技术
随着科学医疗技术的发展，下颌骨缺损、缺失修复这类复杂的手术也逐步进行。目前下颌骨修复使用较多的是截取人自体骨，在预制钛板和钛钉的固定下与两端健康颌骨部分进行连接的方法。这种方法虽不易产生排异反应且可以实现良好的骨结合，但自体骨数量有限，并且会对取骨部位造成损伤，外部形态也不易恢复。
近年来，3D打印技术兴起，有效弥补了传统工艺的不足，具有成型精度高的特点，突破了成型材料的局限和克服孔洞结构不可控的缺陷；生产周期短，无需制备传统工艺的模具，成型速度快；个性化制备，实现支架结构与骨缺损部位的解剖结构完全切合等优点。3DP技术为复杂多孔结构的制造提供了一种高效的方法，实现了设计/制造一体化，提高了设计、建模和制造的效率,为骨组织修复的研发及临床应用提供了有益的理论与技术参考。
TPMS设计的结构由于其在空间上的无限延伸、平均曲率为零、高比表面积、良好的拓扑优化结构和自支撑性，在航天航空、机械制造以及医疗方面都引起了极大的关注。采用3D打印技术制备个性化TPMS设计的多孔钛仿生下颌骨支架，将TPMS与钛支架充填复合，从而将TPMS结构优良的骨引导、骨诱导性能、力学性能与钛支架的优良生物相容性有机的结合起来，有望作为新型多孔仿生骨支架，能够为骨缺损患者提供更好的解决方案。
发明内容
有鉴于此，本发明在下颌骨部分或全部修复重建手术中，提供了一种3D打印基于TPMS设计的具有高支撑强度、良好骨传导性，且更有利用细胞攀附的个性化多孔钛仿生下颌骨支架的制备方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种3D打印基于TPMS设计的仿生下颌骨支架的制备方法，包括以下步骤：
(1)个性化骨支架设计：结合患者CT数据，应用三维设计软件设计出下颌骨支架的实体模型；
(2)与TPMS结构复合填充：在LatticelT中进行单胞结构、单胞尺寸、孔隙率、网格精度的选择，导出TPMS结构设计的多孔下颌骨支架；
(3)格式转换及支撑设计：在Magics软件中导入步骤(1)中的下颌骨支架的实体模型和步骤(2)中的TPMS结构设计的多孔下颌骨支架，完成下颌骨薄片的设计、髁状突的实心化、e-stage一键支撑，经ConceptLaser Build Processor切片处理后导出CLS格式文件，打印备用；
(4)支架3D打印制备及热处理：将切片处理过的TPMS结构设计的多孔下颌骨支架导入到3D打印机中，进行打印成型，打印制备出TPMS多孔下颌骨支架，并在真空热处理炉中进行热处理，以消除热应力；
(5)表面处理：将TPMS多孔下颌骨支架进行大颗粒喷砂后酸蚀，吹干后保存，即可。
采用选择性激光熔融技术(SLM)3D打印技术制备个性化三周期极小曲面(TriplyPeriodic Minimal Surface,TPMS)设计的多孔钛仿生下颌骨支架，将TPMS与钛支架充填复合，从而将TPMS结构优良的骨引导、骨诱导性能、力学性能与钛支架的优良生物相容性有机的结合起来，作为新型多孔仿生骨支架，为钛支架的临床应用提供了一种新的选择方法。
优选的，在上述一种3D打印基于TPMS设计的仿生下颌骨支架的制备方法中，步骤(1)所述个性化骨支架设计具体是：结合患者CT数据，将经过Mimics软件提取的待修复部位模型，导入Geomagic wrap软件，经平滑去噪、编辑轮廓线、构造曲面片、拟合曲面片进行逆向建模后，得到STL格式的下颌骨支架的实体模型。
优选的，在上述一种3D打印基于TPMS设计的仿生下颌骨支架的制备方法中，若只制作部分下颌骨，则用NX软件进行个性化截骨后，得到STL格式的待修复部位下颌骨支架的实体模型。
优选的，在上述一种3D打印基于TPMS设计的仿生下颌骨支架的制备方法中，步骤(3)所述格式转换及支撑设计具体是：在Magics软件中导入步骤(1)中的下颌骨支架的实体模型和步骤(2)中的TPMS结构设计的多孔下颌骨支架，采用布尔运算完成下颌骨薄片的设计和髁状突的实心化，将下颌骨薄片修复后采用e-stage自动生成支撑，与上部结构拟合后，导入ConceptLaser Build Processor进行切片，导出CLS格式文件，打印备用。
优选的，在上述一种3D打印基于TPMS设计的仿生下颌骨支架的制备方法中，步骤(4)中所述3D打印机和真空热处理炉的设定参数如下：采用20-45μm的ConceptLaser Ti-6Al-4V粉末，通过50μm的100W激光熔化，岛状扫描速度为900mm/s，层厚为25μm逐层熔化钛合金粉末，打印完成后，在800℃下真空条件下进行热处理1.5h，保温6h，随炉冷却。
优选的，在上述一种3D打印基于TPMS设计的仿生下颌骨支架的制备方法中，步骤(5)所述表面处理具体是：去离子水、丙酮、酒精对其进行超声清洗后使用120-150目的Al203砂砾在喷砂机上对TPMS多孔下颌骨支架进行喷砂处理，清洗后置于体积分数含35％硫酸、20％的盐酸，和余量的水中进行酸蚀处理，再次用去离子水、丙酮、酒精对其进行超声清洗，吹干后妥善保存待后续使用。
优选的，在上述一种3D打印基于TPMS设计的仿生下颌骨支架的制备方法中，所述酸蚀处理的温度为75℃，时间为30min。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种3D打印基于TPMS设计的仿生下颌骨支架的制备方法，具有以下有益效果：
(1)TPMS函数能更简易的实现结构参数的变化，克服了传统桁架晶胞结构设计中的缺点，可以自动获得复杂微结构和高质量表面的多孔骨支架数字化模型；
(2)与规则的晶格结构支架相比，本发明打印制备出TPMS多孔下颌骨支架具有光滑接头的无限连续的表面确保了更少的应力集中和更高的机械性能，并且还具有良好的拓扑优化性，在打印过程中提供了自支撑性；
(3)高比表面积的TPMS多孔下颌骨支架有助于增强细胞的粘附、迁移和增殖，为在其上培养的细胞提供更好的生物学信号；
(4)实心化的髁突，在关节置换手术或下颌骨手术中打开关节下腔，避免了软组织的长入造成关节粘连；
(5)下颌骨薄片，避免在3D打印过程中翘起变形、支撑进入多孔结构里影响产品质量、后续支撑的方便去除、以及增强下颌骨下缘的强度；
(6)多孔结构的设计降低了弹性模量，减少了应力屏蔽，从而更加符合人体植入物。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明提供的仿生下颌骨支架的结构设计以及打印效果示意图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明实施例公开了一种3D打印基于TPMS设计的个性化多孔钛仿生下颌骨支架的制备方法，包括以下步骤：
1)取一名患者CBCT数据导入Mimics软件中，进行阈值分割，单独提取出其下颌骨的数据，获得下颌骨三角面片模型，将经过mimics软件初步提取的下颌骨导入GeomagicWrap软件中，经平滑去噪、编辑轮廓线、构造曲面片、拟合曲面片操作进行逆向建模，得到STL格式的实体模型；如只制作部分下颌骨，可用NX软件对其进行个性化截骨。
2)与TPMS结构复合填充，以gyriod结构为例，在基于Matlab设计的LatticelT中选择结构为gyriod、单胞尺寸6mm、孔隙率65％、网格精度30，导出TPMS结构设计的多孔下颌骨支架。
3)为了避免在3D打印过程中gyriod下颌骨结构因为没有支撑设计引起翘起变形、支撑进入多孔结构里影响产品质量、后续支撑的方便去除、以及增强下颌骨下缘的强度，现设计下颌骨薄片。在Magics软件中，导入步骤1)的下颌骨实体模型，确定空间坐标系(0,0,0)；再次导入步骤1)下颌骨实体模型，确定空间坐标系(0，0，0.5)，二者进行布尔运算交集，得到下颌骨残片，手动划分不需要的范围(比如升支部分进行删除)，尽量保留下颌骨下缘的薄片，并对其进行平滑处理，得到0.5mm厚度的下颌骨薄片；
为了避免在下颌骨置换手术或关节置换术过程中打开关节下腔后，愈合过程中软组织长入，现将髁状突实心化。在Magics软件中，设置立方体，对比髁状突尺寸，延至乙状切迹，将其与步骤1)中下颌骨实体模型进行布尔运算，导出实心髁状突结构；再按照同理，用该立方体与步骤2)中的gyriod结构的支架进行布尔运算，导出gyriod结构的剩余下颌骨部分，统一坐标系，将二者进行“合并零件”或者“布尔运算交集”，得出个性化gyriod结构下颌骨；将上述下颌骨薄片以及髁突实心化的gyriod结构下颌骨确定统一坐标系后，进行“合并零件”或者“布尔运算交集”，整体缩小到原来的0.4倍，导出最终STL格式文件；
在Magics中采用布尔运算完成下颌骨薄片的设计和髁状突的实心化，将修复后薄片采用e-stage自动生成2mm支撑，与上部结构调整坐标拟合后，导入ConceptLaser BuildProcessor进行切片，切片厚度0.025mm，导出CLS格式文件，打印备用。
4)支架3D打印制备，将切片处理过的TPMS结构设计的多孔下颌骨支架导入到3D打印机中，进行打印成型，打印制备出TPMS多孔下颌骨支架；3D打印机和真空热处理炉的设定参数如下：采用20-45μm的ConceptLaser Ti-6Al-4V粉末，通过50μm的100W激光熔化，岛状扫描速度为900mm/s，层厚为25μm逐层熔化钛合金粉末。打印完成后，在800℃下真空条件下进行热处理1.5h，保温6h，虽炉冷却。
5)表面处理，用去离子水、丙酮、酒精对其进行超声清洗，对3D打印试件进行清洗后使用120-150目的Al203砂砾在喷砂机上对试样进行喷砂处理，清洗后置于75℃的体积分数含35％硫酸、20％的盐酸，和余量的水中进行酸蚀处理，再次用去离子水、丙酮、酒精对其进行超声清洗，吹干后妥善保存待后续使用。
本发明不仅适用于下颌骨整体或者部分的置换手术，还适用于制作除了gyriod结构以外的TPMS结构。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的方案而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (7)
1.一种3D打印基于TPMS设计的仿生下颌骨支架的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)个性化骨支架设计：结合患者CT数据，应用三维设计软件设计出下颌骨支架的实体模型；
(2)与TPMS结构复合填充：在LatticelT中进行单胞结构、单胞尺寸、孔隙率、网格精度的选择，导出TPMS结构设计的多孔下颌骨支架；
(3)格式转换及支撑设计：在Magics软件中导入步骤(1)中的下颌骨支架的实体模型和步骤(2)中的TPMS结构设计的多孔下颌骨支架，完成下颌骨薄片的设计、髁状突的实心化、e-stage一键支撑，经ConceptLaserBuild Processor切片处理后导出CLS格式文件，打印备用；
(4)支架3D打印制备及热处理：将切片处理过的TPMS结构设计的多孔下颌骨支架导入到3D打印机中，进行打印成型，打印制备出TPMS多孔下颌骨支架，并在真空热处理炉中进行热处理，以消除热应力；
(5)表面处理：将TPMS多孔下颌骨支架进行大颗粒喷砂后酸蚀，吹干后保存，即可。
2.根据权利要求1所述的一种3D打印基于TPMS设计的仿生下颌骨支架的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述个性化骨支架设计具体是：结合患者CT数据，将经过Mimics软件提取的待修复部位模型，导入Geomagic wrap软件，经平滑去噪、编辑轮廓线、构造曲面片、拟合曲面片进行逆向建模后，得到STL格式的下颌骨支架的实体模型。
3.根据权利要求2所述的一种3D打印基于TPMS设计的仿生下颌骨支架的制备方法，其特征在于，若只制作部分下颌骨，则用NX软件进行个性化截骨后，得到STL格式的待修复部位下颌骨支架的实体模型。
4.根据权利要求1所述的一种3D打印基于TPMS设计的仿生下颌骨支架的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述格式转换及支撑设计具体是：在Magics软件中导入步骤(1)中的下颌骨支架的实体模型和步骤(2)中的TPMS结构设计的多孔下颌骨支架，采用布尔运算完成下颌骨薄片的设计和髁状突的实心化，将下颌骨薄片修复后采用e-stage自动生成支撑，与上部结构拟合后，导入ConceptLaser Build Processor进行切片，导出CLS格式文件，打印备用。
5.根据权利要求1所述的一种3D打印基于TPMS设计的仿生下颌骨支架的制备方法，其特征在于，步骤(4)中所述3D打印机和真空热处理炉的参数设定如下采用20-45μm的ConceptLaserTi-6Al-4V粉末，通过50μm的100W激光熔化，岛状扫描速度为900mm/s，层厚为25μm逐层熔化钛合金粉末，打印完成后，在800℃真空条件下进行热处理1.5h，保温6h，随炉冷却。
6.根据权利要求1所述的一种3D打印基于TPMS设计的仿生下颌骨支架的制备方法，其特征在于，步骤(5)所述表面处理具体是：用去离子水、丙酮、酒精对其进行超声清洗后使用120-150目的Al203砂砾在喷砂机上对TPMS多孔下颌骨支架进行喷砂处理，清洗后置于按体积分数含35％硫酸、20％的盐酸和余量水的混合液下进行酸蚀，再次用去离子水、丙酮、酒精对其进行超声清洗，吹干后妥善保存待后续使用。
7.根据权利要求6所述的一种3D打印基于TPMS设计的仿生下颌骨支架的制备方法，其特征在于，所述酸蚀处理的温度为75℃，时间为30min。
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