CN103300946A - 修复下颌骨缺损跨过中心平面的个性化支架的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明修复下颌骨缺损跨过中心平面的个性化支架的制造方法，将个体缺损的个性化外形、内部微结构通过CT扫描结合曲面补孔的方式设计出修复模型，然后通过切割算法得到缺损区域的修复体，经BOOL运算设计后通过EBSM方法制造出来，在下颌骨缺损区植入三维网状金属支架，修复体与两骨断端用钛螺钉固定，加入成骨材料和自体骨髓基质干细胞，软组织缝合，完成成骨后进行种植体植入，最后完成义齿修复。本发明能够更好的促进和引导骨生长，植入体与周围骨骼的骨结合效果良好，有利于长久修复。
Description
技术领域
本发明涉及一种下颌骨缺损修复用组织工程支架的制造方法。
背景技术
近年来，由于肿瘤、感染、交通事故等原因造成的颌面特别是下颌缺损具有逐年增多的趋势，仅在欧洲每年就有150万人需要进行颅颌面外科手术进行骨修复，其中有相当大一部分是下颌骨的手术。
目前的下颌骨缺损修复手术主要采用自体骨移植和金属板修复体植入两种修复方法，自体骨移植修复会造成取骨部位的二次创伤，而且供骨的大小有限，同时植入时由于血管化手术非常困难，造成植入体供血不足，导致自体骨植入体吸收很难控制，影响修复效果。金属板植入修复时，虽然目前根据患者自身骨骼结构的个性化定制技术已经比较成熟，金属植入物的修复能提供支撑，恢复外观，但后期不能进行种植牙，因此不能恢复咬合功能，且植入体内部结构的设计，优化和制造面临着诸多困难，导致植入手术后金属板植入体与周围骨骼的骨结合效果不佳，从而影响长久修复的效果。
组织工程是应用工程与生命科学的原理与方法来认识哺乳类组织（正常或者病理状态下）的结构与功能的关系，并研制人工生物材料以便修复、维持或改善其功能。组织工程是作为面相移植而产生功能组织和器官的科学和技术，集成了CT/MRI等图像测量技术、三维重建技术、快速原型技术、材料工程技术、生物工程技术等不同的学科领域。其基本原则是组织可以从病人身上分离出来，在特殊材料制成的组织支架中生长和扩张，最终形成支架引导的三维组织。这样，生成的三维组织可以移植到同一病人中，以替代病变组织的功能。
组织能够再生主要在于组织支架的结构上的可形成性和支架种子细胞作用下的生物反应器功能。支架由诸如孔、纤维、膜等结构元素通过随机、分形或周期分布规律组合而成，通过工程方法可以被复制和制造。当一个三维组织结构被用于开发人工替代组织时，可以对支架结构中的生物材料进行工程结构设计，以优化结构并满足一定的营养条件。但目前的组织工程在干细胞技术基础上的修复由于支架材料都采用可吸收材料，吸收较快不能提供很好的力学支撑，只能修复小于3cm缺损，不能修复超过4颗牙位（大于3cm）的缺损，特别是下颌骨缺损跨过中心平面的缺损的修复。
下颌缺损修复的难点在于修复手术必须恢复患者容貌和咀嚼功能，因此组织工程技术对支架和植入体的外形、材料和结构有特殊要求，目前用于下颌骨缺损超过4颗牙位即在3cm以上且缺损跨过中心平面的创伤缺损的下颌骨的修复领域中还没有成熟的技术可供应用。
发明内容
针对目前下颌骨缺损修复中存在的问题，本发明提出一种新型的修复下颌骨缺损跨过中心平面的个性化支架的制造方法，其提供与病人面部结构相匹配的个性化支架，并通过支架的生物活性诱导新骨生长实现牙的修复和患者面容的恢复。
修复下颌骨缺损跨过中心平面的个性化支架的制造方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）拍摄患者口腔部位的CT图像进行CT数据采集；
（2）利用三维重建软件根据CT采集的数据重建患者口腔部位的下颌骨骨骼模型；
（3）下颌骨的修复模型设计，利用曲面补孔的方式进行修复，即根据缺损区域周边曲面的曲率变化，设计修补曲面使其与周围边界曲面曲率连续，得到完整的修复模型；在所述下颌骨骨骼模型上获得缺损区域的截骨线，利用该截骨线在所述修复模型上将修复假体切割分离出来，获得的修复假体的外形即为个性化支架的外形；以笛卡尔正交桁架结构作为个性化支架内部联通的基本单元，然后分别通过向X、Y、Z三个坐标方向的阵列运算得到内部连通孔的运算框架，其中表层接近咬合区的支架应力与密质骨的承载力相对应，获得内部网状结构模型；
（4）将修复假体与内部网状结构模型进行布尔运算，得到个性化支架的参数；
（5）根据上述计算得到的个性化支架的参数，采用具有生物相容性的金属材料，经过快速成型制造出个性化的支架，所述生物相容性的支架材料为可在其上加入成骨材料、自体骨髓基质干细胞和BMP，表面覆盖可吸收生物膜的材料。
所述CT数据采集为对下颌骨进行螺旋CT扫描，扫描平面平行于眶耳平面，扫描范围从眶上缘至下颌骨下缘，获得患者原始的断层影像。
所述三维重建模型优选的运用三维重建软件3DMSR将CT采集的数据进行三维重建，将其转变为直观立体效果的图像，得到STL格式的下颌骨三维模型，将STL格式的图像数据输入软件MIMICS10.1，通过定义灰度阈值来识别并重建密质骨、松质骨、牙齿和下颌神经管目标区域，将在Mimics10.1中处理后的数据导入Geomagic Studio4.0，删除下颌骨以外的部分，得到完整下颌骨的三维重建模型。
获得内部网状结构模型时优选的在ICEM CFD软件中划分网格，得到三维网格模型，模型包含节点数和四面体单元数，模型的每个节点有3个自由度，包括x、y、z方向上的移动，模型的单元类型为SOLID185；设定模型中密质骨和松质骨材料性质连续、均质、各向同性，密质骨弹性模量为16000-18000MPa，松质骨为800-1200MPa，密质骨和松质骨的泊松比均为0.27-0.33。
所述网状结构的靠近牙床部分的内部连通孔间通孔的中心距范围为1-6mm，所述网状结构的远离牙床部分的内部连通孔间通孔的中心距为6-10mm。
所述快速成型优选的采用EBSM电子束选区融化工艺。
所述金属材料优选为钛。
所述成骨材料优选为羟基磷灰石。
所述可吸收生物膜优选为Bio-guide膜。
根据上述的下颌骨缺损跨过中心平面的个性化支架的制造方法制造的个性化支架。
技术效果
本发明的个性化支架是将个体缺损的个性化外形、内部微结构通过CT扫描结合软件建模，经BOOL运算设计后通过EBSM方法制造出来，在下颌骨缺损区植入三维网状金属支架，修复体与两骨断端用钛螺钉固定，加入成骨材料和自体骨髓基质干细胞，表面覆盖可吸收生物膜，软组织缝合；完成成骨后进行种植体植入，最后完成义齿修复。所述个性化外形由如下方法制备：（1）重建出下颌骨的原始模型，（2）设计修复模型，（3）获得缺损区域的修复体，所述内部微结构是根据力学和生物学约束转换来的几何约束设计的规则的微结构，所述几何约束是指孔隙率、孔径。
具体的，所述的方法是通过患者CT数据重建出下颌骨的原始模型后，利用曲面补孔的方式设计出修复模型，然后通过切割算法得到缺损区域的修复体，得到个性化外形，再通过支架外部形状和内部微结构之间的BOOL运算，通过EBSM方法制造出来，加入成骨材料（羟基磷灰石）和自体骨髓基质干细胞处理后，手术植入体内进行骨重建修复，最终通过牙种植恢复患者的全部功能。
本发明的有益效果主要表现在：可以快速制造出具有良好生物相容性和生物活性的金属材料，加入成骨材料（羟基磷灰石）和自体骨髓基质干细胞（术前抽取骨髓，分离干细胞，培养；在适当的时候可以应用干细胞库的同种异体干细胞）处理后植入体内，用于下颌骨缺损的组织工程化修复。应用曲面补孔设计出外形的支架可以针对下颌骨缺损跨过中心平面的情况较好的恢复患者的外表和容貌，并通过设计合理的支架密度分布使之既具有更好的应力结构同时具有更好的生物活性可填充成骨材料和干细胞等诱导新骨生长，最终使骨缺损部位再生的组织与支架完全形成像钢筋混凝土般结构，在完成种植牙修复后，使患者口腔功能得到完全恢复。本发明一方面解决了现有技术使用金属支架与周围骨骼的骨结合效果不佳，无法实现组织再生，以及使用自体骨移植造成二次创伤和难控制的问题，另一方面也解决了目前组织工程三维网状金属支架运用于临床还很困难，组织工程三维网状金属支架强度和外形难以满足临床的运用，也即克服了一般组织工程技术无法实现良好的适应下颌骨结构的问题，为下颌骨的修复提供了一种更有效的方法。
本发明的支架能够更好的促进和引导骨生长；另外对支架进行了力学分析，对支架的孔洞疏密程度也有相应的控制，受力大的部位加密一些可以更好的支撑，受力小的部位稀疏一些让骨组织更多的长入，同时可以节省材料，节约成本，方便加工。
本发明利用清华大学激光快速成形中心在电子束选区熔化沉积（electron beamselective melting,EBSM）技术及系统开发的基础和经验，针对复杂金属结构，特别是多金属梯度结构零件制造的需求，开发具有两种金属粉末供粉功能的电子束选区熔化双金属快速成形制造系统；同时，针对颌面外科钛合金植入物的个性化制造及其生物学性能评价开展研究。其最大成形零件尺寸200mm×200mm×200mm，铺粉厚度0.05mm～0.5mm，电子束功率3kW，束斑定位精度±0.2mm，可实现矢量扫描和光栅式图像扫描。完成钛合金颌骨植入器件的电子束选区熔化制造工艺的研究，器件具有良好的个性化匹配结构和生物界面；器件的材料生物相容性好，无毒副作用；密实样品强度达到900MPa以上。
附图说明
图1为实施例下颌骨缺损示意图；
图2为个性化支架的示意图；
图3为个性化支架安装于患处的示意图。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，下面结合具体实施方式对本发明进行进一步的解释。
如图1所示，缺陷位于下颌右侧切牙至左侧下颌升支及髁状突部分，尺寸大约8-10cm。
首先对下颌骨缺陷处进行螺旋CT扫描：采用Philips公司生产的MX-8000型螺旋CT进行扫描，扫描平面平行于眶耳平面，扫描范围从眶上缘至下颌骨下缘，获得患者原始的断层影像。再运用三维可视化技术、利用吉马飞公司自主编写的三维重建软件3DMSR(3-Dimensional Medicine Surface Rendering)将这些离散数据进行三维重建，将其转变为具有直观立体效果的图像，得到STL格式的下颌骨三维模型；
将STL格式的图像数据输入软件MIMICS10.1，通过定义灰度阈值来识别并重建密质骨、松质骨、牙齿和下颌神经管目标区域，将在Mimics10.1中处理后的数据导入Geomagic Studio4.0，删除下颌骨以外的部分，得到完整下颌骨的三维重建模型；
利用曲面补孔的方式进行修复，根据缺损区域周边曲面的曲率变化，设计修补曲面使其与周围边界曲面曲率连续；在所述下颌骨骨骼模型上获得缺损区域的截骨线，利用该截骨线在所述修复模型上将修复假体切割分离出来，获得的修复假体的外形即为个性化支架的外形；在ICEM CFD软件中划分网格，得到三维网格模型，模型包含节点数和四面体单元数，模型的每个节点有3个自由度，包括x、y、z方向上的移动，模型的单元类型为SOLID185；设定模型中密质骨和松质骨材料性质连续、均质、各向同性，密质骨弹性模量为17000MPa，松质骨为1000MPa，密质骨和松质骨的泊松比均为0.30；以笛卡尔正交桁架结构作为内部联通的基本单元，然后分别通过向X、Y、Z三个坐标方向的阵列运算得到内部连通孔的运算框架；将修复假体与内部结构模型进行布尔运算，得到个性化支架的成型数据。其中网状结构的靠近牙床部分的内部连通孔间通孔的中心距范围分布在1-6mm，所述网状结构的远离牙床部分的内部连通孔间通孔的中心距范围分布在6-10mm。
根据上述计算得到的个性化支架的成型数据通过采用具有生物相容性的钛金属材料通过EBSM电子束选区融化工艺快速成型制造出个性化支架。
在下颌骨缺损区植入三维网状金属支架，修复体与两骨断端用钛螺钉固定，在所述个性化支架上加入成骨材料羟基磷灰石和自体骨髓基质干细胞(术前抽取骨髓，分离干细胞，培养；在适当的时候可以应用干细胞库的同种异体干细胞)以及BMP，成骨材料要求能够充满支架，自体骨髓基质干细胞需要渗透成骨材料，BMP适量，表面覆盖可吸收生物膜Bio-guide膜，可吸收生物膜的大小以支架的长短为依据。
将软组织缝合；完成成骨后进行纯钛的人工牙根种植体植入，最后完成义齿修复。
Claims (10)
1.修复下颌骨缺损跨过中心平面的个性化支架的制造方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）拍摄患者口腔部位的CT图像进行CT数据采集；
（2）利用三维重建软件根据CT采集的数据重建患者口腔部位的下颌骨骨骼模型；
（3）下颌骨的修复模型设计，利用曲面补孔的方式进行修复，即根据缺损区域周边曲面的曲率变化，设计修补曲面使其与周围边界曲面曲率连续，得到完整的修复模型；在所述下颌骨骨骼模型上获得缺损区域的截骨线，利用该截骨线在所述修复模型上将修复假体切割分离出来，获得的修复假体的外形即为个性化支架的外形；以笛卡尔正交桁架结构作为个性化支架内部联通的基本单元，然后分别通过向X、Y、Z三个坐标方向的阵列运算得到内部连通孔的运算框架，其中表层接近咬合区的支架应力与密质骨的承载力相对应，获得内部网状结构模型；
（4）将修复假体与内部网状结构模型进行布尔运算，得到个性化支架的参数；
（5）根据上述计算得到的个性化支架的参数，采用具有生物相容性的金属材料，经过快速成型制造出个性化的支架，所述生物相容性的支架材料为可在其上加入成骨材料、自体骨髓基质干细胞和BMP，表面覆盖可吸收生物膜的材料。
2.根据权利要求1所述的修复下颌骨缺损跨过中心平面的个性化支架的制造方法，其特征在于所述CT数据采集为对下颌骨进行螺旋CT扫描，扫描平面平行于眶耳平面，扫描范围从眶上缘至下颌骨下缘，获得患者原始的断层影像。
3.根据权利要求1所述的修复下颌骨缺损跨过中心平面的个性化支架的制造方法，其特征在于所述三维重建模型为运用三维重建软件3DMSR将CT采集的数据进行三维重建，将其转变为直观立体效果的图像，得到STL格式的下颌骨三维模型，将STL格式的图像数据输入软件MIMICS10.1，通过定义灰度阈值来识别并重建密质骨、松质骨、牙齿和下颌神经管目标区域，将在Mimics10.1中处理后的数据导入Geomagic Studio4.0，删除下颌骨以外的部分，得到完整下颌骨的三维重建模型。
4.根据权利要求1所述的修复下颌骨缺损跨过中心平面的个性化支架的制造方法，其特征在于获得内部网状结构模型时在ICEM CFD软件中划分网格，得到三维网格模型，模型包含节点数和四面体单元数，模型的每个节点有3个自由度，包括x、y、z方向上的移动，模型的单元类型为SOLID185；设定模型中密质骨和松质骨材料性质连续、均质、各向同性，密质骨弹性模量为16000-18000MPa，松质骨为800-1200MPa，密质骨和松质骨的泊松比均为0.27-0.33。
5.根据权利要求4所述的修复下颌骨缺损跨过中心平面的个性化支架的制造方法，其特征在于所述网状结构的靠近牙床部分的内部连通孔间通孔的中心距为1-6mm，所述网状结构的远离牙床部分的内部连通孔间通孔的中心距为6-10mm。
6.根据权利要求1所述的修复下颌骨缺损跨过中心平面的个性化支架的制造方法，其特征在于所述快速成型采用EBSM电子束选区融化工艺。
7.根据权利要求1所述的修复下颌骨缺损跨过中心平面的个性化支架的制造方法，其特征在于所述金属材料为钛。
8.根据权利要求1所述的修复下颌骨缺损跨过中心平面的个性化支架的制造方法，其特征在于所述成骨材料为羟基磷灰石。
9.根据权利要求1所述的修复下颌骨缺损跨过中心平面的个性化支架的制造方法，其特征在于在所述可吸收生物膜为Bio-guide膜。
10.根据权利要求1-9任一所述的修复下颌骨缺损跨过中心平面的个性化支架的制造方法制造的个性化支架。
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
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