CN215192628U - 具有血管微循环通道和引导骨生长的下颌骨植入体 - Google Patents

Abstract

一种具有血管微循环通道和引导骨生长的下颌骨植入体，塑型单元与复合结构植入体的初始结构为形状相同的筒状结构，支撑单元、血管微循环通道、生长单元均设置在塑型单元内，塑型单元沿着其拉伸应变方向的两端，血管微循环通道的左右两条主通道分别与待修复下颌骨两端断面的下颌神经管连接，一个固定单元与同一端的塑型单元连接，支撑单元与塑型单元的内壁固定连接，生长单元的左右两端分别与待修复下颌骨两端断面相贴合，血管微循环通道为树枝状的分叉结构，在塑型单元内的血管微循环通道的周围均与生长单元相贴合；生长单元为多孔结构。本实用新型有效提高修复成功率，对改善患者面部的形态与轮廓，恢复口腔咀嚼功能具有非常好的效果。

Description

具有血管微循环通道和引导骨生长的下颌骨植入体

技术领域

本实用新型涉及下颌骨修复领域，尤其是涉及一种具有血管微循环通道和引导骨生长的下颌骨植入体。

背景技术

下颌骨位于人体面部下端，是面部体积和面积最大、最健壮的、同时也是唯一能活动的承重骨骼。在治疗头颈部肿瘤、感染、外伤、先天性发育畸形等疾病时，行下颌骨切除术通常不可避免，从而造成下颌骨的缺损。下颌骨缺损后会对患者的咀嚼、吞咽、语言等生理功能产生障碍，而严重面部缺陷会给患者带来心理伤害，从而极大地降低了患者的生存质量和生活质量。因此，如何对行下颌骨切除术后的缺损下颌骨进行功能和美学两方面的修复，是一个多世纪以来颌面外科医生一直试图解决的且极具挑战性的课题。

目前，血管化的腓骨瓣移植法是临床上下颌骨缺损修复重建的“金标准”。但由于其形状、尺寸、体积大小与下颌骨缺损的部位差异显著等自身不足因素的存在，使得重建效果不理想，无法完全恢复下颌骨的生物力学行为以实现正常的咀嚼功能，且容貌恢复差，患者的术后生活质量较低。

近年来，国内外很多研究人员借助CAD技术开发了形态各异的钛金属下颌骨植入体，并通过3D打印技术进行成型，有些经过生物相容性处理的植入体已被应用于临床。但是钛金属的刚度(弹性模量104～113GPa)等机械性能远大于骨组织(皮质骨弹性模量3～30GPa，松质骨弹性模量0.02～2GPa)，容易形成“应力屏蔽”效应，从而发生骨吸收造成固定钛钉的松脱、植入体磨穿软组织，最终导致植入体的失效；此外，由于新的骨组织通常沿下颌骨残端向钛金属植入体中心生长，而钛金属植入体内部无血管化通道，不能有效地促进骨组织在其内部的生长，以致下颌骨残端-钛金属植入体整体的骨愈合效果不佳。

将组织工程用于重建下颌骨缺损是一种相对较新的方法。目前，骨组织工程是这一领域最为活跃的研究方向，其通常使用可降解材料的支架，支架中接种有骨髓基质细胞和成骨因子，将其植入缺损部位以重建下颌骨。但是存在如何进行有效固定以保障组织工程支架与自体组织两者之间有充足的时间形成血管化通道，同时精准把控支架的降解速率，以及对使用成骨因子来增强骨愈合引发的潜在致癌性和未知的远期疗效的担忧等难点，使得这一方法仍处于探索阶段。

近年来，被工程界称为“21世纪最有前途的材料”，一种具有超高性能的生物相容性材料——聚醚酮酮(PEKK)在生物医学领域得到了广泛的研究与应用。其与其他生物材料相比具有诸多显著优势：弹性模量为5.1GPa，拉伸强度为100MPa，与人体骨的力学性能相近，因此不必担心“应力屏蔽”效应导致植入体的失效；同时具有优异的机械性能(耐疲劳性能接近铝合金)、化学惰性(耐腐蚀性接近镍钢，耐260℃高温，抗水解)及其他适用于生物医学应用的性能，在国际上被认为是未来最有希望取代钛合金材料成为骨植入物原材料的下一代生物材料之一。其力学性能(尤其是弹性模量)与人体下颌骨骨质相比仍存在差距，目前多用于非承重骨部位的替代物。但可通过掺杂碳纤维或碳纳米管的方法调节其弹性模量至20GPa以接近人体皮质骨，以减轻因“应力屏蔽”效应引起的骨吸收风险。

营养物质与氧气在生物医学材料中的扩散距离仅能达到数百微米，因此血管微循环系统的存在是实现大型人工植入体存活的重要前提。微流控技术可实现精确操作和控制微米尺度通道中的流体。但是人体的每根血管直径大小都不尽相同、不同种类的血管结构也有所差异、分支更是形态各异。随着3D打印技术的兴起，为在体外构建类似体内微血管网络空间拓扑结构提供了工艺支持。将微流控技术与3D打印技术相融合，在设计与制备复杂的人工血管化网络方面具有巨大的潜力，进而为构建人工植入体血管化通道提供了可行性。

发明内容

为了解决目前下颌骨缺损修复中，自体骨移植存在的形状不匹配、供区骨源有限、美学重建效果不理想、咬合重建考虑不足，金属植入体存在弹性模量过高、内部无血管化通道使得骨组织无法在其内部生长，以及组织工程可降解支架力学性能不足等问题，本实用新型提供了一种具有血管微循环通道的下颌骨植入体新结构，内部以血管化通道为引导以解决植入体内部骨组织生长的问题，外部以个性化外观为基础以实现美学及功能修复的目标的个性化复合结构植入体的制作方法和植入体。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种具有血管微循环通道和引导骨生长的下颌骨植入体，包括用于塑型的塑型单元、用于与待修复下颌骨颊侧固定的固定单元、用于承载咬合力的支撑单元、用于引导植入体内部骨组织生成的血管微循环通道以及支撑血管微循环通道促进血管新生和骨组织生长的生长单元，所述塑型单元与复合结构植入体的初始结构为形状相同的筒状结构，所述支撑单元、血管微循环通道、生长单元均设置在所述塑型单元内，所述塑型单元沿着其拉伸应变方向的两端，所述血管微循环通道的左右两条主通道分别与待修复下颌骨两端断面的下颌神经管连接，一个固定单元与同一端的塑型单元连接，所述支撑单元与所述塑型单元的内壁固定连接，所述生长单元的左右两端分别与待修复下颌骨两端断面相贴合，所述血管微循环通道为树枝状的分叉结构，在所述塑型单元内的所述血管微循环通道的周围均与所述生长单元相贴合；

所述生长单元为n个多孔单元体形成的多孔结构，n为大于0的自然数，n个多孔单元体分别分布在所述塑型单元、所述血管微循环通道及所述支撑单元之间的空隙内。

进一步，所述塑型单元、固定单元、支撑单元和生长单元采用PEKK材料制成，血管微循环通道采用可降解聚合物材料制成。

再进一步，所述固定单元通过钛钉与待修复下颌骨颊侧固接。

本实用新型的设计构思为：针对目前下颌骨缺损修复中，基于自体骨移植、金属植入体和组织工程可降解支架等的修复技术中存在的问题，本实用新型从生物学角度出发，拟基于PEKK材料，设计制作一种内部以血管化通道为引导以解决植入体内部骨组织生长的问题，外部以个性化外观为基础以实现美学及功能修复的目标的个性化复合结构植入体；即通过工程结构优化中的拓扑优化算法，设计一种能提供植入体初期稳定性的支撑结构；通过流体仿真技术，设计植入体内部为可降解聚合物材料的血管微循环通道和为PEKK材料的多孔结构，在血管微循环通道的引导下促进植入体内部的血管新生和骨组织生长。

本实用新型的有益效果主要表现在：避免了自体骨移植后对患者造成二次伤害，不能个性化恢复容貌，咀嚼功能恢复不理想等问题；同时避免了个性化钛金属植入物对患处周围产生“应力屏蔽”效应，引发植入体的固定板断裂、植入体磨穿软组织、植入部位发生感染等并发症；综合血管化腓骨瓣与个性化植入体的优势，从植入体内部血管通道缺乏和较低的骨诱导能力这一问题出发，引入拓扑优化与流体仿真方法，设计了一种内部以血管微通道为引导辅以生长单元以解决植入体内部骨生长的问题、以支撑单元来维持植入体系统的整体稳定性，外部以塑型单元为基础以实现美学及功能修复的目标、以固定单元来维持植入体系统的初期稳定性的个性化复合结构植入体；采用PCL(或PLCL)材料，具有良好的生物相容性，适宜的机械强度，良好的柔韧性与可加工性，较慢的降解速度，可以增强血管再生和重塑过程；同时采用PEKK材料，具有与骨相近的热性能、良好的生物相容性和骨结合能力；其力学性能与骨比较接近，具有很好的增强改善空间，不必担心“应力遮蔽”，从而提高修复成功率，对改善患者面部的形态与轮廓，恢复口腔咀嚼功能具有非常好的效果。

附图说明

图1是本实用新型下颌骨病变模型示意图。

图2是本实用新型待修复下颌骨模型示意图。

图3是本实用新型修复后的完整下颌骨模型示意图，其中31是复合结构植入体的初始结构，32是非病变区域模型。

图4是本实用新型皮质骨模型示意图。

图5是本实用新型松质骨模型示意图。

图6是个性化复合结构植入体的塑型单元示意图。

图7是个性化复合结构植入体的塑型单元与固定单元装配示意图。

图8是个性化复合结构植入体的有限元分析模型示意图。

图9是个性化复合结构植入体的支撑单元示意图。

图10是个性化复合结构植入体的血管微循环通道示意图。

图11是个性化复合结构植入体的生长单元示意图。

图12是个性化复合结构植入体的模型示意图。

图13是个性化复合结构植入体模型与非病变区域模型装配示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述。

参照图1～图13，一种具有血管微循环通道和引导骨生长的下颌骨植入体，包括用于塑型的塑型单元82、用于与待修复下颌骨颊侧固定的固定单元81、用于承载咬合力的支撑单元83、用于引导植入体内部骨组织生成的血管微循环通道84以及支撑血管微循环通道促进血管新生和骨组织生长的生长单元85，所述塑型单元82与复合结构植入体的初始结构为形状相同的筒状结构，所述支撑单元83、血管微循环通道84、生长单元85均设置在所述塑型单元82内，所述塑型单元82沿着其拉伸应变方向的两端，所述血管微循环通道84的左右两条主通道分别与待修复下颌骨两端断面的下颌神经管连接，一个固定单元与同一端的塑型单元连接，所述支撑单元83与所述塑型单元82的内壁固定连接，所述生长单元85的左右两端分别与待修复下颌骨两端断面相贴合，所述血管微循环通道84为树枝状的分叉结构，在所述塑型单元82内的所述血管微循环通道84的周围均与所述生长单元85相贴合；

所述生长单元85为n个多孔单元体形成的多孔结构，n为大于0的自然数，n个多孔单元体分别分布在所述塑型单元82、所述血管微循环通道84及所述支撑单元83之间的空隙内。

所述塑型单元82用于维持结构的完整性，为内部支架提供合适的支撑力，为骨组织生长提供生长空间；所述固定单元81用于维持植入体系统的初期稳定性；所述支撑单元83用于承载咬合力，维持植入体系统的整体稳定性；所述血管微循环通道84用于植入体-骨组织间营养物质与氧气的运输和供应，引导植入体内部骨组织生成；所述生长单元85用于骨细胞的附着、增殖和分化，满足组织间运输营养物质和代谢废物，引导新骨生成；所述固定单元通过钛钉与待修复下颌骨颊侧固接。

使用时，将整个个性化复合结构植入体的固定单元81贴合在待修复下颌骨颊侧上，并且生长单元85的两端截面分别与待修复下颌骨两端断面相贴合，然后通过钛钉将个性化复合结构植入体固定在待修复下颌骨的缺损区域即可。

本实施例的具有血管微循环通道和引导骨生长的下颌骨植入体制作方法，包括以下步骤：

1)图像采集及三维模型建立，过程如下：

1.1)患者颌面部图像数据采集：该数据的采集可以通过螺旋CT或CBCT等扫描设备来采集，以CBCT为例，可以采用锥形束CT薄层扫描患者下颌骨下缘至鼻骨上缘平面范围，扫描后将断层数据以DICOM格式保存导出；

1.2)重建患者的下颌骨三维模型：将包含患者下颌骨DICOM格式的CBCT图像数据导入到医学图像处理软件中，如Materialise公司的Mimics软件，通过设置合理的CT图像灰度值范围、使用区域增长生成掩膜、蒙版编辑、生成三维模型等操作重建患者的下颌骨三维模型，同时对重要解剖结构如牙根、下颌神经管等进行重建，在软件中分析确定患者的病变区域范围11，如图1所示；

1.3)截除病变区域颌骨：根据三维下颌骨模型上的病变区域范围11，结合临床的诊断，最终确定患者的颌骨截除方案，在设计软件中，如Materialise公司的Magics软件，将患者下颌骨的病变区域完整截断得到待修复下颌骨模型，如图2所示；

1.4)建立缺损区域初始修复结构：利用镜像技术，在设计软件中，如3D system公司的Geomagic Studio软件，将待修复下颌骨的健侧部位对称到缺损区域，构建出修复后的完整下颌骨以及分离出的复合结构植入体的初始结构，如图3所示；

1.5)分割复合结构植入体初始修复结构：根据CBCT图像上测得的皮质骨厚度，将初始修复结构虚拟分成“皮质骨”模型92与“松质骨”模型93两部分，如图4，图5所示；

2)塑型单元及固定单元设计，过程如下：

2.1)以镜像技术得到的完整下颌骨三维模型为基础，生成三角形网格模型，并以此构建有限元仿真模型，以主动牵引力来模拟咀嚼肌(咬肌、颞肌、翼内肌、翼外肌)肌力，同时限制咬合区域垂直方向的运动的方式在复合结构植入体的初始结构上施加咬合力，经有限元计算得到完整下颌骨的应变曲线分布，以及修复体部位的生物力学响应(应力、应变、位移)；

2.2)以复合结构植入体的初始结构中的“皮质骨”模型(如图4所示)为基础，根据有限元分析得到的完整下颌骨应变曲线分布，以PEKK材料的弹性模量为基础，确定复合结构植入体的塑型单元82的厚度H，如图6所示；

2.3)以完整下颌骨应变曲线分布为基础，根据PEKK材料的弹性模量确定复合结构植入体的固定单元81的厚度，固定单元81的走向根据应变曲线中拉应变方向设计，固定单元设有若干个，固定单元上的固定孔的位置需避开周围健康牙齿的牙根及下颌神经管，如图7所示；

3)支撑单元设计，过程如下：

3.1)有限元分析模型的构建

将复合结构植入体的初始结构的塑型单元、固定单元及“松质骨”模型导入到有限元仿真软件，如Altair公司的Hypermesh软件，进行四面体网格划分，设置相应的骨材料属性(密度、弹性模量、泊松比)及边界条件(固定单元固定孔全自由度固定)，设定分析步，施加三种咬合工况，完成有限元分析模型的建立，如图8所示；

3.2)拓扑优化设计

采用有限元仿真软件，如Altair公司的Hypermesh软件，以拓扑优化变密度法中的SIMP算法为基础，将“松质骨”模型设定为设计区域，建立设计响应、响应区域，将最小应变能密度设定为目标函数及优化目标，并将体积分数设定为约束，经拓扑优化循环后得到复合结构植入体的支撑单元83，如图9所示；

4)血管微循环通道设计，过程如下：

采用多物理场耦合分析软件，如Comsol公司的ComsolMultiphysics软件，以去除支撑单元后剩余的“松质骨”模型为基础，计算主通道与分支通道的半径、角度变化关系，构建双向各一条主通道并且中部具有多条分支的微通道网络结构，主通道两端分别与下颌神经管相连的通道模型，以整体流道克服流阻所消耗的能量最低为优化原则，经流体仿真得到复合结构植入体的血管微循环通道84，如图10所示；

5)生长单元设计，过程如下：

采用工业设计软件，如Marcam Engineering公司的Auto Fab软件，将去除固定单元、血管微循环通道后剩余的“松质骨”模型以VFX格式导入Auto Fab软件，设置相应的3D打印机型号和打印材料后，对其使用正六面体、单元边长为600μm的多孔单元结构进行阵列填充，得到复合结构植入体的生长单元85的结构模型，如图11所示；

6)个性化复合结构植入体的装配，过程如下：

采用设计软件，如Materlise公司的Magics软件，将前面所述的塑型单元82、固定单元81、支撑单元83、血管微循环通道84、以及生长单元85相组合，得到个性化复合结构植入体，如图12所示；

7)个性化复合结构植入体的制作，过程如下：

塑型单元、固定单元、支撑单元和生长单元使用PEKK材料，血管微循环通道用可降解聚合物材料如聚-L-丙交酯-己内酯(PLCL)，两种材料的丝材通过双挤出头3D打印机挤出，分别控制两个挤出头的温度、时序，一次性成型出个性化复合结构植入体，打印的个性化复合结构植入体需经过表面喷砂、生物活化如羟基碳灰石喷涂等后处理；

8)体外培养，过程如下：

在个性化复合结构化植入体内添加营养成分、生长因子及骨细胞后，在培养液中培养，使其生物活化。

然后通过临床手术植入到下颌骨的缺损区域，用钛钉固定固定单元81，完成修复手术，最终修复效果图如图13所示。

Claims (3)

1.一种具有血管微循环通道和引导骨生长的下颌骨植入体，其特征在于，所述植入体包括用于塑型的塑型单元、用于与待修复下颌骨颊侧固定的固定单元、用于承载咬合力的支撑单元、用于引导植入体内部骨组织生成的血管微循环通道以及支撑血管微循环通道促进血管新生和骨组织生长的生长单元，所述塑型单元与复合结构植入体的初始结构为形状相同的筒状结构，所述支撑单元、血管微循环通道、生长单元均设置在所述塑型单元内，所述塑型单元沿着其拉伸应变方向的两端，所述血管微循环通道的左右两条主通道分别与待修复下颌骨两端断面的下颌神经管连接，一个固定单元与同一端的塑型单元连接，所述支撑单元与所述塑型单元的内壁固定连接，所述生长单元的左右两端分别与待修复下颌骨两端断面相贴合，所述血管微循环通道为树枝状的分叉结构，在所述塑型单元内的所述血管微循环通道的周围均与所述生长单元相贴合；

所述生长单元为n个多孔单元体形成的多孔结构，n为大于0的自然数，n个多孔单元体分别分布在所述塑型单元、所述血管微循环通道及所述支撑单元之间的空隙内。

2.如权利要求1所述的具有血管微循环通道和引导骨生长的下颌骨植入体，其特征在于，所述塑型单元、固定单元、支撑单元和生长单元采用PEKK材料制成，血管微循环通道采用可降解聚合物材料制成。

3.如权利要求1或2所述的具有血管微循环通道和引导骨生长的下颌骨植入体，其特征在于，所述固定单元通过钛钉与待修复下颌骨颊侧固接。

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