CN106580520B - 具有pekk支撑固定单元与组织工程生长单元的下颌骨植入体制作方法及植入体 - Google Patents

Abstract

一种具有PEKK支撑固定单元与组织工程生长单元的下颌骨植入体的制作方法，所述方法包括以下步骤：1)图像采集及三维模型建立：2)塑型单元及固定单元设计:3)支撑单元设计：4)生长单元设计5)个性化复合结构植入体的装配6)个性化复合结构植入体的制作7)体外培养。本发明提供了一种从咬合功能重建出发、具有能提供足够的力学强度来维持结构完整性的PEKK材料的塑型单元、固定单元及支撑单元、以及能够引导新骨生成的内部可降解支架的生长单元共同组成的个性化复合结构植入体的制作方法和植入体。

Description

具有PEKK支撑固定单元与组织工程生长单元的下颌骨植入体 制作方法及植入体

技术领域

本发明涉及下颌骨修复领域，尤其是涉及一种具有PEKK支撑固定单元与组织工程生长单元的下颌骨植入体制作方法及植入体。

背景技术

下颌骨是人体颌面部骨骼中体积和面积均最大的，也是面部唯一能活动的骨骼，其作为颜面部外形的主要支撑结构，形态复杂，又具有极强个体化特征。目前，创伤、肿瘤切除和畸形矫正造成的下颌骨缺损已经成为临床常见的疾病，下颌骨缺损后对患者的吞咽、语言、咀嚼等功能都会产生影响，并导致面部畸形、降低生活质量。

目前临床上修复下颌骨缺损的主要方法是在患者自身不同部位取骨植入体进行移植修复，如髂骨、肋骨或腓骨取骨。这一技术已经在临床上应用多年，比较成熟，可以有效的部分恢复患者的口腔功能和容貌。但由于在取骨部位二次手术对患者带来新的创伤、造成新的骨缺损，而且植入体骨量和形状都有限，很难完全恢复患者的容貌，特别是咬合功能的重建不理想，后期咬合修复比较困难。

修复下颌骨缺损的另一种方法是个性化金属植入体。随着数字化设计技术和金属3D打印技术在医学领域的应用，个性化下颌骨植入体的设计与制作技术已经比较成熟。钛合金材料的3D打印植入体经过羟基磷灰石HA喷涂等生物处理后，在临床上已经得到了成功应用。但是金属材料如钛合金的弹性模量(110GPa)等力学性能比人体骨组织(皮质骨和松质骨弹性模量一般在1-20GPa范围)要高很多，植入后容易产生“应力屏蔽”效应，造成周围正常骨组织的萎缩、植入体松动等，影响下颌骨重建的效果。所以，对金属植入体进行设计时，需要通过设计多孔结构来降低其强度，但这增加了设计和制作的难度。而且金属材料的热传导性与人体组织相差很大，患者的感觉会有明显不同。

组织工程技术是另一种修复下颌骨缺损的思路，即利用可降解材料如聚己内酯PCL制作的多孔支架，添加生长因子和骨细胞后，制作成个性化的组织工程骨植入体，植入缺损部位用于下颌骨修复。支架降解的同时，引导骨细胞长入形成新骨，直到完全被自身骨组织替代。骨组织工程修复是针对骨缺损的最理想修复方法。由于新骨生成需要一定的应力环境，但力作用下的支架降解过程很难控制，容易塌陷而造成新骨生成和塑型困难；同时支架材料降解后的产物容易引起不良反应。目前，利用组织工程修复骨缺损主要处于基础研究阶段，离真正的临床应用还有相当的距离。

聚醚酮酮(PolyEtherKetoneKetone，简称PEKK)是一种性能优异的特种工程塑料，生物相容性好，能与骨组织形成良好的骨结合；其机械性能接近铝合金，弹性模量低，耐腐蚀性与镍钢相近，具有优良的耐摩擦和耐磨损性能，其弹性模量在4GPa左右，但比皮质骨的强度稍低(10-20GPa)，利用碳纤维增强后，其模量可达21GPa。目前，PEKK已经被美国食药管理局FDA批准为人体植入材料(如用于颌骨植入材料等)，具有良好的生物医学应用前景。但由于PEKK材料力学性能比皮质骨稍低，需要通过结构设计或增强技术适当提高其力学性能。

发明内容

为了解决目前下颌骨缺损修复中，自体骨移植存在的增加供区新的创伤、骨量不足、塑型困难、咬合重建考虑不足，以及金属植入体移植存在的弹性模量过高、造成“应力屏蔽”使得植入体松动，甚至修复失败等问题，本发明提供了一种从咬合功能重建出发、具有能提供足够的力学强度来维持结构完整性的PEKK材料的塑型单元、固定单元及支撑单元、以及能够引导新骨生成的内部可降解支架的生长单元共同组成的个性化复合结构植入体的制作方法和植入体。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种具有PEKK支撑固定单元与组织工程生长单元的下颌骨植入体的制作方法，所述方法包括以下步骤：

1)图像采集及三维模型建立：

①对患者下颌骨进行影像数据采集并将采集的影像数据存储到存储设备；

②重建患者的下颌骨模型：根据患者下颌骨的影像数据进行下颌骨模型的三维重建，并确定患者下颌骨的病变区域；

③截除病变区域颌骨：根据三维下颌骨模型上的病变区域，将患者下颌骨的病变区域完整切除得到缺损区域；

④利用镜像技术，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；

⑤分割复合结构植入体的初始结构，根据量取的皮质骨厚度，将其分成皮质骨模型与松质骨模型两部分；

2)塑型单元及固定单元设计:

①以镜像技术得到完整下颌骨为基础，构建有限元模型，将升颌肌群以一定刚度的弹簧代替，在复合结构植入体的初始结构上施加咬合力，进行有限元计算后，得到完整下颌骨的应力和应变分布，以及复合结构植入体的初始结构的应力和应变分布；

②以复合结构植入体的初始结构中的皮质骨模型为基础，根据完整下颌骨有限元分析得到的应变分布，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的厚度；

③以完整下颌骨应变分布为基础，根据PEKK材料的弹性模量确定复合结构植入体的固定单元的厚度，按其拉伸应变方向设计固定单元，固定孔的位置需避开周围健康牙齿的牙根及下颌神经管；

3)支撑单元设计：

①有限元模型的建立

将复合结构植入体的初始结构的皮质骨模型、松质骨模型及固定单元完成网格划分后，设置相应的骨材料属性及边界条件，设定分析步，施加相应的力学加载，完成有限元模型的建立；

②拓扑优化设计

采用有限元前处理软件，以最小化柔度为优化目标、结构体积分数作为优化的约束条件，采用变密度法进行拓扑优化设计，得到复合结构植入体的支撑单元；

4)生长单元设计

根据去除支撑单元后剩余的松质骨模型，设置相应的3D打印机型号和打印材料后，添加预先设计好的可降解多孔单元体，并预留出下颌神经管的位置，得到可降解组织工程支架也就是生长单元的结构模型；

5)个性化复合结构植入体的装配

将塑型单元、支撑单元、固定单元、以及生长单元相组合，得到个性化复合结构植入体；

进一步，所述制作方法还包括以下步骤：6)个性化复合结构植入体的制作：

塑型单元、固定单元和支撑单元采用PEKK材料，生长单元采用可降解高分子材料，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，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处理；

再进一步，所述制作方法还包括以下步骤：7)体外培养及植入:

将个性化复合结构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。

一种基于所述的设计方法制作的植入体，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、用于支撑咬合力的支撑单元以及引导骨细胞长入的生长单元，所述塑型单元与复合结构植入体的初始结构的形状相同的筒状结构，所述支撑单元、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、所述支撑单元沿着其拉伸应变方向的两端均设有所述固定单元，一个固定单元同时与同一端的塑型单元和支撑单元连接，所述支撑单元与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；

所述生长单元为n个可降解多孔单元体形成的多孔结构，n为大于0的自然数，n个可降解多孔单元体分别分布在所述支撑单元与塑型单元之间的空隙内。

进一步，所述塑型单元、支撑单元和固定单元采用PEKK材料制成，生长单元采用可降解高分子材料制成。

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。

本发明的设计构思为：针对目前下颌骨缺损修复中，基于自体骨植入体、金属植入体和组织工程支架植入体等的修复技术中存在的问题，本发明从咬合功能重建角度出发，拟基于PEKK材料，设计制作一种具有外部支撑结构和内部组织工程生物结构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、为内部可降解支架提供合适的支撑力和生长空间的支撑结构；同时该植入体具有内部为可降解材料的多孔结构和为PEKK材料的支撑结构，在支撑结构提供的最佳应力环境中引导新骨生成。

本发明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，不能完全恢复容貌，咬合功能重建不理想等问题；同时避免了金属植入物对患处周围产生“应力屏蔽”效应，造成周围正常骨组织的萎缩、植入体松动等不良影响；从咬合功能重建出发，引入工程结构优化中的拓扑优化方法，设计了一种具有能提供足够的力学强度来维持结构完整性的塑型单元、固定单元及支撑单元、以及能够引导新骨生成的内部可降解的生长单元共同组成的个性化复合结构植入体；同时采用PEKK材料，生物相容性好，能与骨组织形成良好的骨结合；其机械性能接近铝合金，弹性模量低，耐腐蚀性与镍钢相近，具有优良的耐摩擦和耐磨损性能，可以与患者骨骼达到良好匹配，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是本发明下颌骨病变模型示意图。

图2是本发明下颌骨非病变区域模型示意图。

图3是本发明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是本发明皮质骨模型示意图。

图5是本发明松质骨模型示意图。

图6是完整下颌骨的应力和应变分布示意图。

图7是复合结构植入体的塑型单元示意图。

图8是复合结构植入体的塑型单元与固定单元装配示意图。

图9是复合结构植入体的有限元分析模型示意图。

图10是复合结构植入体的支撑及固定单元模型示意图。

图11是实现个性化复合结构植入体的拓扑优化方法的实现流程图。

图12是本发明拓扑优化具体实施流程图。

图13是复合结构植入体的生长单元模型示意图。

图14是个性化复合结构植入体的模型示意图。

图15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

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图15，一种具有PEKK支撑固定单元与组织工程生长单元的下颌骨植入体的制作方法包括以下步骤：

1)图像采集及三维模型建立:

①对患者下颌骨进行影像数据采集。该资料的采集可以通过CT/MRI等手段来采集。以CT来举例，可以采用螺旋CT薄层扫描，扫描后将断层数据以DICOM格式存储到存储设备。

②重建患者的下颌骨模型。将患者下颌骨的影像数据导入到医学图像处理软件中，如Materlise公司的Mimics软件，进行下颌骨模型的三维重建，以及重要解剖结构重建如牙根、下颌神经管等在软件中分析确定患者的病变区域11，如图1所示。

③截除病变区域颌骨。根据三维下颌骨模型上的病变区域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Materlise公司的Magics软件，将患者下颌骨的病变区域完整切除得到缺损区域，如图2所示。

④利用镜像技术，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。

⑤分割复合结构植入体初始结构，根据CT图像上量取的皮质骨厚度，将其分成皮质骨模型112与松质骨模型113两部分，如图4，图5所示。

2)塑型单元及固定单元设计:

①以镜像技术得到完整下颌骨为基础，构建有限元模型，将升颌肌群(咀嚼肌、颞肌、翼状肌)以一定刚度的弹簧代替，在复合结构植入体的初始结构上施加咬合力，进行有限元计算后，得到完整下颌骨的应力和应变分布，以及修复体部位的应力和应变分布，其中下颌骨整体的应变分布如图6所示。

②以复合结构植入体的初始结构中的皮质骨如图4为基础，根据完整下颌骨有限元分析得到的应变分布，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7所示。

③以完整下颌骨应变分布为基础，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，按其拉伸应变方向设计固定单元81，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8所示。

3)支撑单元设计:

①有限元模型的建立

采用有限元前处理软件，如Altair公司的Hypermesh软件，将植入体初始结构的皮质骨模型、松质骨模型及固定单元以IGES格式导入Hypermesh软件，对其完成网格划分后，设置相应的骨材料属性(包括杨氏模量和泊松比)及边界条件，设定分析步，施加相应的力学加载，完成有限元模型的建立。有限元模型如图9所示。

②拓扑优化设计

采用有限元前处理软件，如Altair公司的Hypermesh软件，以最小化柔度为优化目标、结构体积分数作为优化的约束条件，采用变密度法进行拓扑优化设计，得到复合结构植入体的支撑单元83，如图10所示。其中支撑单元83与固定单元81直接连接。

实现个性化复合结构植入体的拓扑优化方法的实现流程如图11所示，图像采集及系统模型建立，然后有限元模型的建立，拓扑优化设计，接着骨重建仿真评价，若评价可以，就为复合结构植入体，若评价不行，要重新进行拓扑优化设计。

拓扑优化具体实施流程图如图12所示，调入有限元模型及初始参数，进入主循环，进行有限元分析求解，以最小化柔度为优化目标，结构体积分数作为优化约束条件，然后判断是否满足精度要求，满足精度要求就输出结果及可视化结果，若不满足精度要求，再进入主循环。

4)生长单元设计:

采用工业设计软件，如MARCAM ENGINEERING公司的Auto Fab软件，将去除支撑结构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，添加预先设计好的可降解多孔单元体并求解，并预留出下颌神经管的位置，得到可降解组织工程支架也就是生长单元84的结构模型，如图13所示。

5)个性化复合结构植入体的装配:

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、支撑单元83、固定单元81、以及生长单元84相组合，得到个性化复合结构植入体，如图14所示。

6)个性化复合结构植入体的制作:

塑型单元、支撑单元和固定单元使用PEKK材料，生长单元用可降解高分子材料如聚已酸酯PCL，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，一次性成型出个性化复合结构植入体。打印的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。

7)体外培养:

将个性化复合结构化植入体添加营养成分、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15所示。

一种基于所述的设计方法制作的植入体，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、用于支撑咬合力的支撑单元83以及引导骨细胞长入的生长单元84，所述塑型单元82与复合结构植入体的初始结构的形状相同的筒状结构，所述支撑单元83、生长单元84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、所述支撑单元83沿着其拉伸应变方向的两端均设有所述固定单元81，一个固定单元同时与同一端的塑型单元和支撑单元连接，所述支撑单元83与塑型单元82的内壁固定连接，所述生长单元84的左右两端分别与待修复下颌骨两端断面相贴合；

所述生长单元84为n个可降解多孔单元体形成的多孔结构，n为大于0的自然数，n个可降解多孔单元体分别分布在所述支撑单元与塑型单元之间的空隙内。

所述塑型单元82用于维持结构的完整性，为内部可降解支架提供合适的支撑力，为细胞生长提供生长空间；所述固定单元81用于提供植入体初期的稳定性；所述支撑单元83用于承载咬合力；所述生长单元84用于细胞的附着、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的外表面固接。

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84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。

Claims (6)

1.一种具有PEKK支撑固定单元与组织工程生长单元的下颌骨植入体的制作方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

1)图像采集及三维模型建立：

①对患者下颌骨进行影像数据采集并将采集的影像数据存储到存储设备；

②重建患者的下颌骨模型：根据患者下颌骨的影像数据进行下颌骨模型的三维重建，并确定患者下颌骨的病变区域；

③截除病变区域颌骨：根据三维下颌骨模型上的病变区域，将患者下颌骨的病变区域完整切除得到缺损区域；

④利用镜像技术，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；

⑤分割复合结构植入体的初始结构，根据量取的皮质骨厚度，将其分成皮质骨模型与松质骨模型两部分；

2)塑型单元及固定单元设计:

①以镜像技术得到完整下颌骨为基础，构建有限元模型，将升颌肌群以一定刚度的弹簧代替，在复合结构植入体的初始结构上施加咬合力，进行有限元计算后，得到完整下颌骨的应力和应变分布，以及复合结构植入体的初始结构的应力和应变分布；

②以复合结构植入体的初始结构中的皮质骨模型为基础，根据完整下颌骨有限元分析得到的应变分布，并确定复合结构植入体的塑型单元的厚度；

③以完整下颌骨应变分布为基础，确定复合结构植入体的固定单元的厚度，按其拉伸应变方向设计固定单元，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；

3)支撑单元设计：

①有限元模型的建立

将复合结构植入体的初始结构的皮质骨模型、松质骨模型及固定单元完成网格划分后，设置相应的骨材料属性及边界条件，设定分析步，施加相应的力学加载，完成有限元模型的建立；

②拓扑优化设计

采用有限元前处理软件，以最小化柔度为优化目标、结构体积分数作为优化的约束条件，采用变密度法进行拓扑优化设计，得到复合结构植入体的支撑单元；

4)生长单元设计

根据去除支撑单元后剩余的松质骨模型，设置相应的3D打印机型号和打印材料后，添加预先设计好的可降解多孔单元体，并预留出下颌神经管的位置，得到可降解组织工程支架也就是生长单元的结构模型；

5)个性化复合结构植入体的装配

将生长单元套装在支撑单元外，塑型单元套装在生长单元外，固定单元同时与支撑单元、塑型单元相连接，得到个性化复合结构植入体。

2.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：6)个性化复合结构植入体的制作：

塑型单元、固定单元和支撑单元采用PEKK材料，生长单元采用可降解高分子材料，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，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处理；

3.如权利要求1或2所述的制作方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：7)体外培养：

将个性化复合结构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。

4.一种基于权利要求1所述的制作方法制作的植入体，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、用于支撑咬合力的支撑单元以及引导骨细胞长入的生长单元，所述塑型单元为与复合结构植入体的初始结构的形状相同的筒状结构，所述支撑单元、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、所述支撑单元沿着其拉伸应变方向的两端均设有所述固定单元，一个固定单元同时与同一端的塑型单元和支撑单元连接，所述支撑单元与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；

所述生长单元为n个可降解多孔单元体形成的多孔结构，n为大于0的自然数，n个可降解多孔单元体分别分布在所述支撑单元与塑型单元之间的空隙内。

5.如权利要求4所述的植入体，其特征在于：所述塑型单元、支撑单元和固定单元采用PEKK材料制成，生长单元采用可降解高分子材料制成。

6.如权利要求5所述的植入体，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。