CN114557797A - 一种用于下颌骨体部节段性缺损修复的假体及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于下颌骨体部节段性缺损修复的假体及其制备方法，所述方法包括以下步骤：(1)采集患者颌面部CT成像数据；(2)利用三维重建软件根据成像原始数据建立下颌骨三维模型；(3)通过计算机辅助软件对模型表面数据进行优化，(4)采用计算机辅助设计软件设计植入体内部微观结构，(5)将数据文件导入3D打印设备，制备出个性化的下颌骨节段性缺损假体；(6)对假体进行后期处理。本发明可形成“外形匹配、应力优化、组织再生”功能性下颌骨体部缺损修复体。

Description

一种用于下颌骨体部节段性缺损修复的假体及其制备方法
技术领域
本发明涉及口腔科、整形外科领域，具体涉及到一种下颌骨节段性缺损后个性化植入物制备方法。
背景技术
颌面部骨骼结构复杂，个体差异较大，尤其下颌骨不仅关系到面下三分之一的外观，还与咀嚼、吞咽、呼吸、发音等生理功能密切相关，因此一旦发生缺损，会严重影响患者的美观及生活质量。目前临床上用于下颌骨缺损修复的方法主要包括自体骨移植、同种异体骨移植以及人工骨植入体植入。但自体骨移植存在供区二次创伤及供区功能障碍等缺陷，同种异体骨移植存在来源有限、生物力学强度不足等问题，而常规的人工骨植入体在临床应用过程中存在塑形困难难以恢复下颌骨理想外形，以及生物力学性能不佳容易导致植入体断裂或外露等一系列问题。因此如何构建一种外形理想、生物力学性能优良的下颌骨缺损植入体成为目前临床上一个亟待解决的难题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种用于下颌骨体部节段性缺损修复的假体及其制备方法。
本发明的技术方案如下：
一种用于下颌骨体部节段性缺损修复的假体的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)采集患者颌面部CT成像数据；
(2)利用三维重建软件根据成像原始数据建立下颌骨三维模型，通过计算机辅助设计软件在所述下颌骨三维模型上模拟设计截骨线，并通过矢状面对称的方式及通过上颌骨咬合关系逆向拟合的方法，得到缺损部位下颌骨最终修复所预期的宏观外形参考模型；
(3)通过计算机辅助软件对模型表面数据进行优化，
(4)采用计算机辅助设计软件设计植入体内部微观结构，将植入体内部设计为网状结构，模拟下颌骨内部骨小梁密度、方向的分布，使植入体形态、厚度、孔隙率与缺损区域的生物力学性能相适应；
(5)将数据文件导入3D打印设备，制备出个性化的下颌骨节段性缺损假体；
(6)对假体进行后期处理。
优选的，第(3)步中，对植入体进行生物力学优化后进行相应的剪径减重处理，宏观外形尺寸范围为：颊舌径宽度为10-14mm，高度为12-20mm。
优选的，第(3)步中，植入体的宏观外形设计方面包括了植入体与正常骨组织的连接固定部分，通过有限元分析，对连接固定部分的外形长度、宽度及固定螺丝的数量、分布及角度进行优化。
进一步优选的，在避开牙根前提下，固定连接部分设计为两个固定螺钉，固定部分厚度为1-2mm，螺孔间距5-6mm，固定部分从植入体边缘向周围预留骨组织延伸18-22mm。
优选的，第(4)步中下颌骨缺损区内部网状结构设计过程为：采用布尔运算、网格单元映射方法，对下颌骨缺损区模型内部进行网状结构设计，根据材料弹性模量、泊松比，通过计算机辅助设计软件进行三维有限元分析，对缺损部位内部微观结构进行个性化设计，以满足缺损部位的所对应的生物力学要求，在植入体满足下颌骨生物应力要求的前提下，调整小梁直径及网格大小，对高应力要求的部位下颌角颏孔区、正中联合及髁突颈部进行梯度化设计，对相应的小梁进行加粗强化，使得优化后的内部结构应力分布对应下颌骨行使正常生理功能的生物力学要求。
进一步优选的，梯度化三维网状结构相关具体参数如下：上方近牙槽嵴顶部位网格径5-10mm，小梁直径0.1-0.3mm，下方近下颌骨下缘部位网格径1-2mm，小梁直径1-2mm，网孔率50％-95％，网格结构包括四面体、六面体，植入体弹性模量为10-100GPa，依据下限是松质骨弹性模量，上限是前期做的部分预实验结果。
进一步优选的，网状结构内部复合成骨所需的细胞因子、干细胞、成骨材料、成血管相关材料因子、自体骨髓生物活性成分。
优选的，第(5)步3d打印前，术者与3D打印工程师对设计优化的实体模型进行审核。
优选的，第(5)步采用的打印原料为颗粒直径为20-100μm的钛合金粉末。
优选的，第(5)步3D打印工艺包括电子束熔融、选择性激光熔化。
优选的，第(6)步的所述后期处理包括清洗、除尘、抛光、表面处理和消毒。
优选的，所述计算机辅助设计软件包括Proplan、Mimics、Geomagic、GeomagicStudio、UG、ANASYS Workbench、Pro/E、UnigraphicsNX、Inventor、SolidWorks、和/或Pro/E。
前述方法制备的一种用于下颌骨体部节段性缺损修复的假体。
本发明的技术效果如下：
本发明提供一种用于下颌骨体部节段性缺损修复的3D打印三维网状钛合金假体及其制备方法，借助3D打印方法制备出个性化的下颌骨植入物，用于修复下颌骨节段性缺损，在实现下颌骨缺损部位宏观外形的个性化恢复，同时满足下颌骨行使功能所需的生物力学性能的要求。其中涉及到的下颌骨体部节段性缺损范围定义为颏孔至最后一颗磨牙远中的范围。本方法制备的下颌骨植入体不仅可以从外形上最大程度的恢复缺损下颌骨的形态，而且其内部网状的结构设计一方面可以减少植入体与天然骨组织的生物力学差异，另一方面网状结构内部空间还可以复合促成骨相关的生物活性成分，实现骨组织的再生可用于最终种植修复，最终形成“外形匹配、应力优化、组织再生”功能性下颌骨体部缺损修复体。
首先进行三维CT扫描获取原始数据。将获得的原始数据导入计算机辅助设计软件,进行下颌骨三维模型重建，并根据患者具体病情模拟手术，设计截骨范围，然后通过镜像重构，匹配裁剪、表面光顺一系列图像处理，设计出缺损下颌骨。为了减少植入体对周围组织的应力遮挡效应、减轻植入体重重量、满足后期种植修复所需硬组织量三方面的需要，需要对设计的下颌骨进行剪径处理，宏观外形尺寸范围为：颊舌径宽度为正常下颌骨宽度的2/3左右，也即10-14mm，高度为正常下颌骨2/3，也即12-20mm；并根据拟种植修复位点的需要，通过上颌牙咬合逆向拟合构建下颌骨外形，以满足后期种植修复种植体及上方修复体咬合关系的恢复。
植入体的宏观外形设计方面包括了植入体与正常骨组织的连接固定部分，通过有限元分析，对连接固定部分的外形长度、宽度及固定螺丝的数量、分布及角度都进行了优化，最终达到理想的应力分布。
下颌骨缺损区内部网状结构设计为采用布尔运算、网格单元映射方法，对下颌骨缺损区模型内部进行网状结构设计，根据材料属性(弹性模量、泊松比)，通过计算机辅助设计软件进行三维有限元分析，对缺损部位内部微观结构进行个性化设计，以满足缺损部位的所对应的生物力学要求，在植入体满足下颌骨生物应力要求的前提下，调整小梁直径及网格大小，对高应力要求的部位(下颌角颏孔区、正中联合及髁突颈部)进行梯度化设计，对相应的小梁进行加粗强化，使得优化后的内部结构应力分布更适合下颌骨行使正常生理功能的生物力学要求。
3D打印工艺包括电子束熔融、选择性激光熔化，更适合制作假体所需的材
设计的植入体网状结构内部可以复合成骨所需的细胞因子、干细胞、成骨材料、成血管相关材料因子、自体骨髓生物活性成分，以利于周围骨组织及新生血管的长入。
植入体后期处理除清洁除尘外，也包括对植入体进行一定的表面处理，在植入体内部网状结构表面复合具有促成骨或促血管化作用的生物活性成分，以利于后期植入体内部骨组织和新生血管的长入。
综上，与现有技术相比，本发明具有下优点：
(1)本发明所需的原始数据为CT扫描获得患者影像学资料，数据客观可靠容易获取；
(2)本发明所设计的下颌骨个性化宏观外形由矢状面健侧下颌骨镜像对称或对颌咬合关系逆向拟合的方法获得，在具有高度的解剖匹配性的同时，还可以为后期种植修复咬合重建奠定基础；
(3)本发明设计的植入体为了减少金属材料带来的应力遮挡效应，对植入体进行了剪径减重设计，剪径目的在保证下颌骨外形功能的同时，满足后期在植入体上进行种植修复所需要的种植修复空间；
(4)本发明设计的植入体内部网状结构可以模仿缺损骨内骨小梁密度、方向的分布，通过调整植入体形态、厚度、孔隙率，进行梯度化设计，使得其与缺损区生物力学性能相适应，在应力集中的区域强化抗力结构，提升植入体的力学性能和稳定性；
(5)本发明设计的植入体内部网状结构在实现外形及生物力学特性两方面要求的前提下，通过优化最大限度的减小内部小梁结构的直径增加孔隙率，使得最终植入体金属量降低，有利于植入体植入植入后周围血管及营养成分向植入体内部的供给，最终达到良好的成骨效果，形成植入体-骨组织复合体，实现机械性修复向生物学修复的转变；
(6)本发明设计的个性化下颌骨植入体宏观外形具有高度特异性，内部微观结构具有复杂性，传统的减材制造技术难以完成，而采用3D打印的增材制造技术可以实现该植入体的直接成型，节省了原料，简化了工艺流程。
(7)3D打印技术是利用计算机辅助设计建立物体的数字化模型，然后将设计好的模型层层分解，通过将打印材料的逐层堆积，实现个性化设计及制作。目前比较成熟的金属3D打印技术包括选区激光熔化技术(selective laser melting,SLM)和电子束熔化技术(selective electron beam melting,EBM)。3D打印技术不仅可以实现下颌骨缺损区宏观外形的个性化设计制备，还可以结合计算机软件优化设计实现内部微观复杂结构的制备，从而达到调整植入体材料力学性能的目的，最终制备出兼具个性化宏观外形及理想力学性能的下颌骨缺损植入体。
(8)在应力集中的区域强化抗力结构，提升植入体的力学性能和稳定性，并进行表面形态和结构力学分析预测。
附图说明
图1为本发明实施例个性化三维网状结构下颌骨体部植入体三维有限元模型矢状位观；
图2为本发明实施例个性化三维网状结构下颌骨体部植入体三维有限元模型水平位观；
图3为本发明实施例个性化三维网状结构下颌骨体部植入体三维有限元模型冠状位观。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面结合具体实施例对本发明进行进一步的解释。
实施例
本实施例的一种用于下颌骨体部节段性缺损修复的假体的制备方法，包括以下步骤：
(1)原始数据获取：对患者颌面部进行CT扫描，获取患者下颌骨的原始数据资料；
(2)三维模型建立：将获得的原始数据导入计算机辅助设计软件进行下颌骨三维模型重建，并根据患者具体病情模拟手术，通过计算机辅助设计软件在所述下颌骨三维模型上模拟设计截骨线，设计截骨范围；通过矢状面对称的方式及通过上颌骨咬合关系逆向拟合的方法，得到缺损部位下颌骨最终修复所预期的宏观外形参考模型；现有常用的计算机辅助设计软件均可使用。
(3)表面处理数据优化：将设计好的下颌骨三维模型输入到计算机辅助设计软件，经过光顺、修补一系列精细化图像处理在后续有限元分析中减少局部应力集中。
下颌骨缺损区外部宏观结构设计：通过两种方式获得缺损部位下颌骨的宏观外形设计，a.将下颌骨三维模型导入到计算机辅助设计软件，利用下颌骨两侧自然对称性，按照模拟手术要求将健侧下颌骨数据镜像对称映射到患侧下颌骨缺损区，b.通过对颌咬合关系逆向拟合设计出缺损下颌骨修复的外形。在通过上述两种方法完成下颌骨宏观外形设计后，再设计出修复体与正常骨组织的连接固定部分，并进过后续处理获得与CAD造型设计软件相匹配的数据文件；
为了减少植入体对周围组织的应力遮挡效应、减轻植入体重重量、满足后期种植修复所需硬组织量三方面的需要，需要对设计的下颌骨进行剪径处理，宏观外形尺寸范围为：颊舌径宽度d为正常下颌骨宽度的2/3左右，也即10-14mm，高度h为正常下颌骨2/3，也即12-20mm。
植入体的宏观外形设计方面包括了植入体与正常骨组织的连接固定部分，通过有限元分析，对连接固定部分的外形长度、宽度及固定螺丝的数量、分布及角度进行优化。
在避开牙根前提下，固定连接部分设计为两个固定螺钉，固定部分厚度为1-2mm，螺孔间距5-6mm，固定部分从植入体边缘向周围预留骨组织延伸18-22mm。
(4)下颌骨缺损区内部微观结构设计：采用布尔运算、网格单元映射方法，对下颌骨缺损区模型内部进行三维网状结构设计，根据材料属性(弹性模量、泊松比)，通过计算机辅助设计软件进行三维有限元分析，对缺损部位内部三维网状结构进行个性化设计，以满足缺损部位的对应的生物力学要求，最后汇总输入逆向工程软件中构建STL格式实体模型；在植入体满足下颌骨生物应力要求的前提下，调整小梁直径及网格大小，对高应力要求的部位下颌角颏孔区、正中联合及髁突颈部进行梯度化设计，对相应的小梁进行加粗强化。梯度化三维网状结构相关具体参数如下：上方近牙槽嵴顶部位网格径5-10mm，小梁直径0.1-0.3mm，下方近下颌骨下缘部位网格径1-2mm，小梁直径1-2mm，网孔率50％-95％，网格结构包括四面体、六面体，植入体弹性模量为10-100GPa。网状结构内部复合成骨所需的细胞因子、干细胞、成骨材料、成血管相关材料因子、自体骨髓生物活性成分。三维网状结构具体如图1-3所示；
(5)3D打印个性化植入体：3d打印前，术者与3D打印工程师对设计优化的实体模型进行审核；将前期优化设计好下颌骨缺损区模型的STL文件导入3D打印系统(包括电子束熔化和选区激光熔化)，根据打印层厚、XYZ轴要求设置设备工艺参数后，启动设备开始进行3D打印，打印原料为颗粒直径为20-100μm的钛合金粉末；
(6)后期处理：通过清洗、除尘、抛光消毒、包装、缺陷检验步骤对打印获得的个性化三维网状结构下颌骨缺损植入体进行进一步处理以便满足后续临床需要。

Claims (10)

1.一种用于下颌骨体部节段性缺损修复的假体的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)采集患者颌面部CT成像数据；
(2)利用三维重建软件根据成像原始数据建立下颌骨三维模型，通过计算机辅助设计软件在所述下颌骨三维模型上模拟设计截骨线，并通过矢状面对称的方式及通过上颌骨咬合关系逆向拟合的方法，得到缺损部位下颌骨最终修复所预期的宏观外形参考模型；
(3)通过计算机辅助软件对模型表面数据进行优化，
(4)采用计算机辅助设计软件设计植入体内部微观结构，将植入体内部设计为网状结构，模拟下颌骨内部骨小梁密度、方向的分布，使植入体形态、厚度、孔隙率与缺损区域的生物力学性能相适应；
(5)将数据文件导入3D打印设备，制备出个性化的下颌骨节段性缺损假体；
(6)对假体进行后期处理。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于对植入体进行生物力学优化后进行相应的剪径减重处理，宏观外形尺寸范围为：颊舌径宽度为10-14mm，高度为12-20mm。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于第(3)步中，植入体的宏观外形设计方面包括了植入体与正常骨组织的连接固定部分，通过有限元分析，对连接固定部分的外形长度、宽度及固定螺丝的数量、分布及角度进行优化。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于在避开牙根前提下，固定连接部分设计为两个固定螺钉，固定部分厚度为1-2mm，螺孔间距5-6mm，固定部分从植入体边缘向周围预留骨组织延伸18-22mm。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于第(4)步中下颌骨缺损区内部网状结构设计过程为：采用布尔运算、网格单元映射方法，对下颌骨缺损区模型内部进行网状结构设计，根据材料弹性模量、泊松比，通过计算机辅助设计软件进行三维有限元分析，对缺损部位内部微观结构进行个性化设计，以满足缺损部位的所对应的生物力学要求，在植入体满足下颌骨生物应力要求的前提下，调整小梁直径及网格大小，对高应力要求的部位下颌角颏孔区、正中联合及髁突颈部进行梯度化设计，对相应的小梁进行加粗强化，使得优化后的内部结构应力分布对应下颌骨行使正常生理功能的生物力学要求。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于梯度化三维网状结构相关具体参数如下：上方近牙槽嵴顶部位网格径5-10mm，小梁直径0.1-0.3mm，下方近下颌骨下缘部位网格径1-2mm，小梁直径1-2mm，网孔率50％-95％，网格结构包括四面体、六面体，植入体弹性模量为10-100GPa。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于网状结构内部复合成骨所需的细胞因子、干细胞、成骨材料、成血管相关材料因子、自体骨髓生物活性成分。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于第(5)步3d打印前，术者与3D打印工程师对设计优化的实体模型进行审核。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于第(5)步采用的打印原料为颗粒直径为20-100μm的钛合金粉末。
10.根据权利要求1-9任一所述的方法制备的一种用于下颌骨体部节段性缺损修复的假体。
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