CN113768667B - 一种3d打印基于个性化设计仿生结构钛网的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种3D打印基于个性化设计仿生结构钛网的制备方法，实现步骤包括：个性化仿生结构钛网的设计、钛网3D打印制备、热处理、表面处理等。本发明用选择性激光熔融技术(SLM)3D打印技术制备蛛网与双曲面结构拟合的个性化仿生结构钛网，将蛛网与双曲面结构优良的力学传导性能与钛网结合，可以制造出口腔生物学功能优良，满足牙槽骨三维骨增量需求的个性化钛网。

Description

一种3D打印基于个性化设计仿生结构钛网的制备方法
技术领域
本发明涉及垂直牙槽骨增量技术领域，更具体的说是涉及一种3D打印基于个性化设计仿生结构钛网的制备方法。
背景技术
牙槽骨大面积骨缺损是口腔种植医生经常面临的难题，其中以水平伴垂直向骨缺损(不利型骨缺损)的骨增量技术尤为困难。目前临床医生解决牙槽骨不利型缺损增量的方法主要有块状骨移植、牙槽突牵张成骨及引导骨组织再生术(guided bone regeneration,GBR)三种。但是这三种方式均存在局限性和不足。经过国内外学者的探索，GBR成骨的稳定支撑结构钛加强型膜片及钛网逐渐被应用临床，并在垂直骨增量上取得了较好效果，但仍有黏膜开裂及感染情况发生从而影响成骨，产生骨增量的不确定性。因钛加强型膜无法在国内采购，目前国内医生多采用钛网作为GBR的支撑结构。
钛网因其良好的机械强度和生物相容性逐渐应用于大面积骨缺损中三维骨壁的重建，不仅能够为骨再生提供支持性保护，还能减少自体骨移植所需的骨量，因此钛网在GBR技术中具有广泛的适应症。钛网有成品钛网及个性化钛网两种，成品钛网或个性化钛网均可单独应用于水平骨缺损、垂直骨缺损的骨增量手术，且在水平-垂直联合骨缺损时也能够获得良好的骨增量效果。个性化钛网是随着金属3D打印的出现逐步兴起，其特点是可根据缺损形态术前设计并打印成型，术中无需塑形，操作时间短，组织贴合性好，可术前根据缺损受力情况调整厚度及孔隙率，但目前也还存在孔隙设计单一，如圆形、梯形、三角形、正方形等简单几何孔或不规则孔，这类型孔隙形成后钛网强度下降，且力学传导不畅，易形成应力集中区，这种应力集中区域可造成钛网局部位移甚至断裂，造成黏膜开裂以及对新骨的形成造成不利的影响，影响骨增量的整体质量、体积和轮廓外形。
发明内容
有鉴于此，本发明为解决目前成品钛网与个性化钛网力学传导效果不佳、应力分布不均匀造成的钛网变形、断裂、黏膜破裂等问题以及目前成品钛网与个性化钛网植入后牙槽骨增量后吸收不均匀以及骨增量形态不佳的问题，首次拟合蛛网结构与双曲抛物面形态，设计并制造口腔生物学功能优良的个性化钛网，满足牙槽骨三维骨增量需求。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种3D打印基于个性化设计仿生结构钛网的制备方法，包括以下步骤：
(1)个性化仿生结构钛网的设计：运用三维设计软件进行建模，并运用Ansys软件进行有限元分析，优化钛网结构；
(2)钛网3D打印制备：将切片处理过的钛网导入到3D打印机中，进行打印成型，打印制备出个性化仿生钛网；
(3)热处理：将3D打印钛网放入热处理炉中，在氩气下进行退火处理；
(4)表面喷砂处理：将经过退火处理的钛网去除支撑，进行喷砂及酸蚀处理，吹干后保存，即可。
优选的，在上述一种3D打印基于个性化设计仿生结构钛网的制备方法中，步骤(1)所述个性化仿生结构钛网的设计具体包括以下步骤：
(1.1)采集DICOM格式原始数据，将原始数据导入Mimics软件进行模型的初步重建，将Mimics生成的STL格式文件导入Geomagic软件中，抹去模型钉状物和多余特征进行处理，然后对模型进行光滑处理，虚拟骨增量，最后进行曲面拟合；
(1.2)将Geomagic处理完成的模型以IGS格式导入到Ansys软件中，对构件的受力进行静力分析，得到模型的受力变形云图，从变形云图中观察模型变形的梯度变化；
(1.3)借助Soildworks软件从模型的变形云图中找到最大变形区的位置，将蛛网结构中心选择在最大形变处面积的中心位置，最大变形区周围梯度曲线密集，变形量大小的变化缓慢，变形量也明显比结构件的其他部分大，是最大变形集中区，此处选择布置圆环形规则纬线和经线，圆环形的间隔在离最大变形区越近越小，离最大变形区越远越大，最大变形区结构件的形状设计为双曲抛物面，规则的经线布置沿着圆环形规则纬线的中心向四周扩散，也就是沿着变形变化的梯度方向，规则经线数量选择布置8-16条；
(1.4)在最大变形集中区外，还会有些地方的变形比较大，这时可以沿着这些区域变形的梯度方向布置不规则经线，构件形状由最大变形集中区的双曲抛物面向原构件的贴合颌骨形状过渡；
(1.5)最后在模型件受力较小的部分，也是沿着这些区域变形的梯度方向布置不规则的经线，构件形状贴合颌骨模型，并在此区域设计钛网固位钉孔；
(1.6)按照以上步骤对原始模型反复改进设计，直到结果满足要求。
优选的，在上述一种3D打印基于个性化设计仿生结构钛网的制备方法中，步骤(2)中所述钛网所采用的材料为Ti-6Al-4V金属粉末。
优选的，在上述一种3D打印基于个性化设计仿生结构钛网的制备方法中，步骤(2)中所述3D打印机的电子熔融设备在氩气保护下以600-800℃，20-40mA的电子束流、10000-18000mm/s的扫描速度下预热钛合金粉末，然后再以5-7mA的电子束流、300-500mm/s的扫描速度、岛状扫描的扫描策略逐层熔化钛合金粉末。
优选的，在上述一种3D打印基于个性化设计仿生结构钛网的制备方法中，步骤(3)所述热处理具体为：将3D打印钛网放入热处理炉中，抽真空，3-5分钟后使炉内气压在0.1-1Pa开始加热，加热至750-850℃，退火60-120min后炉冷至150℃以下，关闭抽真空使炉内气压恢复，再打开炉门，冷却至室温。
优选的，在上述一种3D打印基于个性化设计仿生结构钛网的制备方法中，步骤(4)所述表面喷砂处理具体为：在0.1-0.2MPa气压下，喷口距离钛网10-20cm，用80目的石英砂颗粒(SiO2)垂直对经过退火处理的钛网表面均匀喷砂30-45秒，再依次用丙酮、无水乙醇和去离子水分别超声清洗15min，室温下自然干燥，避光保存，即可。
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打印基于个性化设计仿生结构钛网的制备方法，采用选择性激光熔融技术(SLM)3D打印技术制备蛛网与双曲面结构拟合的个性化仿生结构钛网，将蛛网与双曲面结构优良的力学传导性能与钛网结合，可以制造出口腔生物学功能优良，满足牙槽骨三维骨增量需求的个性化钛网；
并且拟合蛛网结构和双曲抛物面结构的仿生钛网结构有利于钛网的均匀受力，增加其力学传导性，特别是模仿自然界中网格状结构，可以解决个性化钛网力学传导较差的问题。
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。
本发明实施例公开了一种3D打印基于个性化设计仿生结构钛网的制备方法，包括以下步骤：
1.个性化仿生结构钛网的设计
1.1采集DICOM格式原始数据，将原始数据导入Mimics软件进行模型的初步重建，将Mimics生成的STL格式文件导入Geomagic软件中，抹去模型钉状物和多余特征进行处理，然后对模型进行光滑处理，虚拟骨增量，最后进行曲面拟合；
1.2将Geomagic处理完成的模型以IGS格式导入到Ansys软件中，对构件的受力进行静力分析，得到模型的受力变形云图，从变形云图中观察模型变形的梯度变化；
1.3借助Soildworks软件从模型的变形云图中找到最大变形区的位置，将蛛网结构中心选择在最大形变处面积的中心位置，最大变形区周围梯度曲线密集，变形量大小的变化缓慢，变形量也明显比结构件的其他部分大，是最大变形集中区，此处选择布置圆环形规则纬线和经线，圆环形的间隔在离最大变形区越近越小，离最大变形区越远越大，最大变形区结构件的形状设计为双曲抛物面，规则的经线布置沿着圆环形规则纬线的中心向四周扩散，也就是沿着变形变化的梯度方向，规则经线数量选择布置8至16条；
1.4在最大变形集中区外，还会有些地方的变形比较大，这时可以沿着这些区域变形的梯度方向布置不规则经线，构件形状由最大变形集中区的双曲抛物面向原构件的贴合颌骨形状过渡；
1.5最后在模型件受力较小的部分，也是沿着这些区域变形的梯度方向布置不规则的经线，构件形状贴合颌骨模型，并在此区域设计钛网固位钉孔；
1.6按照以上步骤对原始模型反复改进设计，直到结果满足要求；
2.钛网3D打印制备：将设计好的个性化仿生钛网以STL格式保存导入支撑软件Auto Fab中，添加支撑进行切片处理，进行打印，3D打印机的电子熔融设备在氩气气氛保护下以600℃，30mA的电子束流、15000mm/s的扫描速度下预热钛合金粉末，然后再以6mA的电子束流、400mm/s的扫描速度、岛状扫描的扫描策略逐层熔化钛合金粉末；
3.打印完成后进行退火处理，将3D打印钛网放入热处理炉中，抽真空，3分钟后使炉内气压在0.1-1Pa开始加热，加热至800℃，退火60min后炉冷至150℃以下，关闭抽真空使炉内气压恢复，再打开炉门，冷却至室温；
4.将经过退火处理的钛网去除支撑，进行喷砂及酸蚀处理，在0.1MPa气压下，喷口距离钛网10cm，用80目的石英砂颗粒(SiO2)垂直对经过退火处理的钛网表面均匀喷砂30秒，再依次用丙酮、无水乙醇和去离子水分别超声清洗15min，室温下自然干燥，避光保存，即可。
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 (5)

1.一种3D打印基于个性化设计仿生结构钛网的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)个性化仿生结构钛网的设计：运用三维设计软件进行建模，并运用Ansys软件进行有限元分析，优化钛网结构；
(2)钛网3D打印制备：将切片处理过的钛网导入到3D打印机中，进行打印成型，打印制备出个性化仿生钛网；
(3)热处理：将3D打印钛网放入热处理炉中，在氩气下进行退火处理；
(4)表面喷砂处理：将经过退火处理的钛网去除支撑，进行喷砂及酸蚀处理，吹干后保存，即可；
步骤(1)所述个性化仿生结构钛网的设计具体包括以下步骤：
(1.1)采集DICOM格式原始数据，将原始数据导入Mimics软件进行模型的初步重建，将Mimics生成的STL格式文件导入Geomagic软件中，抹去模型钉状物和多余特征进行处理，然后对模型进行光滑处理，虚拟骨增量，最后进行曲面拟合；
(1.2)将Geomagic处理完成的模型以IGS格式导入到Ansys软件中，对构件的受力进行静力分析，得到模型的受力变形云图，从变形云图中观察模型变形的梯度变化；
(1.3)借助Soildworks软件从模型的变形云图中找到最大变形区的位置，将蛛网结构中心选择在最大形变处面积的中心位置，最大变形区周围梯度曲线密集，变形量大小的变化缓慢，变形量也明显比结构件的其他部分大，是最大变形集中区，此处选择布置圆环形规则纬线和经线，圆环形的间隔在离最大变形区越近越小，离最大变形区越远越大，最大变形区结构件的形状设计为双曲抛物面，规则的经线布置沿着圆环形规则纬线的中心向四周扩散，也就是沿着变形变化的梯度方向，规则经线数量选择布置8至16条；
(1.4)在最大变形集中区外，还会有些地方的变形比较大，这时可以沿着这些区域变形的梯度方向布置不规则经线，构件形状由最大变形集中区的双曲抛物面向原构件的贴合颌骨形状过渡；
(1.5)最后在模型件受力较小的部分，也是沿着这些区域变形的梯度方向布置不规则的经线，构件形状贴合颌骨模型，并在此区域设计钛网固位钉孔；
(1.6)按照以上步骤对原始模型反复改进设计，直到结果满足要求。
2.根据权利要求1所述的一种3D打印基于个性化设计仿生结构钛网的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述钛网所采用的材料为Ti-6Al-4V金属粉末。
3.根据权利要求1所述的一种3D打印基于个性化设计仿生结构钛网的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述3D打印机的电子熔融设备在氩气气氛保护下以600-800℃，20-40mA的电子束流、10000-18000mm/s的扫描速度下预热钛合金粉末，然后再以5-7mA的电子束流、300-500mm/s的扫描速度、岛状扫描的扫描策略逐层熔化钛合金粉末。
4.根据权利要求1所述的一种3D打印基于个性化设计仿生结构钛网的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述热处理具体为：将3D打印钛网放入热处理炉中，抽真空，3-5分钟后使炉内气压在0.1-1Pa开始加热，加热至750-850℃，退火60-120min后炉冷至150℃以下，关闭抽真空使炉内气压恢复，再打开炉门，冷却至室温。
5.根据权利要求1所述的一种3D打印基于个性化设计仿生结构钛网的制备方法，其特征在于，步骤(4)所述表面喷砂处理具体为：在0.1-0.2MPa气压下，喷口距离钛网10-20cm，用80目的石英砂颗粒(SiO2)垂直对经过退火处理的钛网表面均匀喷砂30-45秒，再依次用丙酮、无水乙醇和去离子水分别超声清洗15min，室温下自然干燥，避光保存，即可。
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