阅读说明：本技术 一种骨缺损假体3d打印方法 (3D printing method for bone defect prosthesis ) 是由 王富友 黎川 陈军 张资雨 陈志康 于 2019-09-20 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种骨缺损假体3D打印方法,属于骨假体制作技术领域,包括：建立骨缺损模型：利用CT或MRI技术构建出骨缺损的三维数学模型；建立假体模型；编制打印程序；试打印：打印：层层打印假体；开启打印台内的保温装置,使与假体的接触面与假体的温度保持一致；降温：打印完成后,旋转打印台进行风冷降温；取下假体,打印结束。本发明通过支撑骨架层和融合层的梯度结构,可以一方面保证其结构强度,实现其功能性,另一方面可以通过融合层与自然骨之间的结合,增加其结合强度,这种梯度设计,易于通过材料的选择实现节约成本和降低重量的目的,对促进骨假体的临床应用提供帮助。(The invention relates to a 3D printing method of a bone defect prosthesis, which belongs to the technical field of bone prosthesis manufacture and comprises the following steps: establishing a bone defect model: constructing a three-dimensional mathematical model of the bone defect by utilizing a CT or MRI technology; establishing a prosthesis model; compiling a printing program; trial printing: printing: printing the prosthesis layer by layer; starting a heat preservation device in the printing table to keep the temperature of the contact surface of the printing table and the prosthesis consistent; cooling: after printing is finished, rotating the printing table to perform air cooling; the prosthesis is removed and printing is complete. According to the invention, through the gradient structure of the support framework layer and the fusion layer, the structural strength of the bone prosthesis can be ensured, the functionality of the bone prosthesis can be realized, and the bonding strength of the bone prosthesis can be increased through the bonding between the fusion layer and the natural bone.)

一种骨缺损假体3D打印方法

技术领域

本发明涉及骨假体制作技术领域，具体涉及一种骨缺损假体3D打印方法。

背景技术

3D打印是一种直接数字化制造，其成型快、制作成本低，现已广泛应用于模具制造、工业设计等领域的模型制造。近年来，随着生物技术的快速发展，医疗领域也逐步通过3D打印技术来提高产品成型效率、缩短康复周期。

然而，3D打印技术只是给出了一个大体思路：通过材料堆集逐步形成产品。在具体应用中，还存在诸多问题，比如打印中产生的热量可能形成热应力，引发产品翘曲等变形问题，严重的可能产生裂纹、缩松等质量问题，也可能存在同种材料或不同材料之间结合力不够的问题。

当上述问题存在于骨假体时，可能使假体与人体缺损处无法贴合，使固定不好，或者使假体的力学性能不够，无法进行功能性替代。

同时，现有技术的骨假体基本采用钛或钽一种材料进行打印，如果仅用钛，可能由于与人体的亲和性不足导致与人体缺损处的结合力不够；如果仅用钽，则存在重量过重、价格过于昂贵的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种骨缺损假体3D打印方法，使用钛和钽进行复合的梯度打印，并增加防应力措施，以解决现有技术采用单一材料存在的亲和性不足或重量过重、价格昂贵，以及热应力引起的变形及裂纹、缩松的问题。

本发明通过以下技术方案实现：

一种骨缺损假体3D打印方法，包括以下步骤：

1)建立骨缺损模型：利用CT或MRI技术构建出骨缺损的三维数学模型；

2)建立假体模型：根据三维数学模型缺损情况构建假体模型，所述假体模型为多层的复合结构，复合结构至少包括支撑骨架层和设置在支撑骨架层外部的融合层，支撑骨架层与融合层之间设置有相互咬合的连接体；

3)编制打印程序：将假体模型的STL文件导入3D打印设备中，进行切片处理，得到当前需要打印的截面图形，并根据截面图形设计平面打印路径；

4)准备打印墨粉：将支撑骨架层材料和融合层材料分别进行颗粒配比后，分别装入两个相互独立的墨粉存放区，并通过两个相互独立的输送系统与墨粉喷头连通；

5)预制备：在氩气氛围下，沿打印路径先行打印第一层中的融合层，之后采用激光或电子束加热熔化融合层并固结，再后沿打印路径先行打印第一层中的支撑骨架层，最后采用激光加热支撑骨架层并固结，使支撑骨架层熔固在融合层上，形成第一固结层；之后，在第一固结层的基础上，继续层叠第二固结层、第三固结层，直至形成形成假体；

6)检测：假体完全冷却后，对各关键部位的尺寸进行测量，与三维数学模型进行对比，确定变形比例；

7)调整假体模型：根据变形比例调整假体模型；

8)再制备：根据调整后的假体模型，重新打印；

9)再检测：修正变形比例；

10)重复5)－9)，直到变形比例为1，停止试打印：

11)制备：重复5)层层打印假体；开启打印台内的保温装置，使与假体的接触面与假体的温度保持一致；

12)降温：打印完成后，旋转打印台进行风冷降温；

13)降温完成后，取下假体，打印结束。

进一步，所述假体模型上设置有多个向外凸起的消应力凸包，所述消应力凸包均匀设置在假体模型与打印台接触面的***圆周上。

进一步，所述支撑骨架层为空心钛结构。

进一步，所述融合层为多孔钽，所述多孔钽的厚度1.5－3mm、孔径0.3－0.9mm、丝径 0.3－0.6mm、孔隙率75％－85％。

进一步，颗粒配比包括震动分离和颗粒再混合过程。

进一步，采用振动分离和叶片输送的混合方式输送墨粉。

本发明的有益效果在于：

1、本发明通过支撑骨架层和融合层的梯度结构，可以一方面保证其结构强度，实现其功能性，另一方面可以通过融合层与自然骨之间的结合，增加其结合强度，使其固定稳定可靠。另外，这种梯度设计，易于通过材料的选择实现节约成本和降低重量的目的，如支撑骨架层可以考虑一些强度高、重量轻、价格低的材料，如钛材料，而融合层可以考虑一些亲和性好、利于骨长入的材料，如钽材料。这样，既保证了结合强度，又降低了重量和成本，对于促进骨假体的临床应用提供帮助。

2、通过独立制备同一层中的支撑骨架层与融合层，可以进行充分的熔化和结合，从而避开因两者不同的熔化温度导致的没有熔化，相互无法结合的问题。

3、通过颗粒配比，调节材料中大颗粒与小颗粒的比例，一方面增强了材料流动性，另一方面可确保材料的熔化水平，提高材料的熔化效率和固结水平。

4、通过保温操作，可使假体整体的温度保持在一定范围内，避免局剖温差过大产生翘曲、缩松等缺陷。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为假体模型的结构示意图；

图3为假体模型的另一示意图；

图4为无硒层假体模型的结构示意图；

图5为无硒层假体模型的另一示意图；

图6为支撑骨架层的结构示意图；

图7为本发明涉及的一种打印台的结构示意图；

图8为本发明涉及的另一打印台的结构示意图；

图9为沿假体模型壁厚度上的剖视图；

图10为造盖术垫块假体；

图11为髋臼垫块假体；

图12为一体化髋臼杯假体；

图13为100％全髌骨假体；

图14为100％腓骨肿瘤置换假体；

图15为96％腓骨肿瘤置换假体；

图16为100％部分髌骨(留髌骨外壳)置换假体；

图17为100％髌骨置换假体；

图18为100％骨盆肿瘤置换假体；

图19为100％髂骨肿瘤置换假体；

图20为100％膝关节融合置换假体；

图21为股骨侧假体；

图22为径骨侧假体。

附图标记说明：

1－假体模型；2－支撑骨架层；3－融合层；4－打印台；5－电阻丝；6－加热设备；7－旋转电机； 8－消应力凸包；9－连接体。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的上述描述中，需要说明的是，术语“一侧”、“另一侧”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“相同”等术语并不表示要求部件绝对相同，而是可以存在微小的差异。术语“垂直”仅仅是指部件之间的位置关系相对“平行”而言更加垂直，并不是表示该结构一定要完全垂直，而是可以稍微倾斜。

本发明提供一种骨缺损假体3D打印方法，如图1所示，包括以下步骤：

1)建立骨缺损模型：利用CT扫描或MRI核磁共振的方式构建出骨缺损的三维数学模型；

2)建立假体模型：根据三维数学模型构建假体模型1，如图2所示，假体模型为多层的复合结构，复合结构至少为两层，如图6及图9所示，其内层为支撑骨架层2，外层为融合层3，且在支撑骨架层与融合层之间设置有相互咬合的连接体9，如图9所示，连接体为相互卡入的凸包，当然也可以是各种齿形，这样可以增加两者之间接合面积，以增加其结合力；

3)编制打印程序：根据假体模型编制打印程序；

4)准备打印墨粉：

先进行支撑骨架层材料的准备：将适量支撑骨架层材料装入配比机构，先进行大小颗粒分离，再将大小颗粒按一定比例进行混合、搅拌，形成大小颗粒适中的混合粉料，并放置于支撑骨架层材料存放区待用；

再进行融合层材料的准备：适量融合层材料装入配比机构，先进行大小颗粒分离，再将大小颗粒按一定比例进行混合，搅拌，形成大小颗粒适中的混合粉料，并放置于融合层材料存放区待用；

上述支撑骨架层材料存放区及融合层材料存放区为相互隔离或独立设置的箱体。

5)试制备：

融合层熔点高于支撑骨架层时，在氩气氛围下，沿打印路径先行打印第一层中的融合层，之后采用激光加热熔化融合层并固结，再后沿打印路径先行打印第一层中的支撑骨架层，最后采用激光加热支撑骨架层并固结，使支撑骨架层熔固在融合层上，形成第一固结层；之后，在第一固结层的基础上，继续层叠第二固结层、第三固结层，直至形成形成假体；

由于融合层熔点高于支撑骨架层，因此，在加热熔化时，不会将支撑骨架层过烧，也就不会影响其性能及两者之间的结合水平。

反之，当支撑骨架层熔点高于融合层时，则先应打印支撑骨架层。

6)检测：待假体完全冷却后，对各关键部位的尺寸进行测量，与三维数学模型进行对比，确定变形比例；

7)调整假体模型：根据变形比例调整假体模型；

8)再制备：根据调整后的假体模型，重新打印；

9)再检测：修正变形比例；

10)重复5)、6)、7)、8)及9)，直到变形比例为1，即打印的假体与三维模型完全一致，此时，停止试打印：

11)打印：重复步骤5)，层层打印假体；开启打印台内的保温装置，如图7所示，保温装置可以是在打印台内设置的电阻丝5，通过电阻线对打印台的加热，使与假体的接触面与假体的温度保持一致，可使假体始终保持在一个恒定的温度范围内，避免局部温差过大导致应力变形或材料撕裂等缺陷；

当然，也可以通过加热设备6对打印台的***空间进行加热，以保持***空间整体处于一定温度范围，如图8所示。

12)降温：打印完成后，通过旋转电机7，驱动打印台旋转，进行风冷降温，风冷可对假体整体进行降温，使降温均匀，温差小，内部应力小，变形小，假体尺寸容易保持；

13)降温完成后，取下假体，打印结束。

本发明中，假体模型上设置有多个向外凸起的消应力凸包8，多个消应力凸包均匀打印在假体模型与打印台接触面的***圆周上。凸包往外凸出，且分布在假体模型的***圆周上，因此，可以增加***结构的强度，较好的抵预应力变形。

本发明中，支撑骨架层为钛材料，由于钛相对于钽具有较轻的质量，且价格相对便宜，还具有较高的结构强度，因此，可以在降低质量的同时，也可以保证结构强度，起到支撑的作用。

本发明中，融合层为钽材料，且为多孔结构。临床证实钽是一种生物相容性比较理想的骨科植入物，尤其是多孔钽具有满足界面骨长入的多孔结构和弹性模量，接近宿主骨的良好力学性能，因此在本实施例将采用多孔钽结构作为融合层，利用骨长入特性与宿主骨结合，加强与骨端的结合强度。

多孔钽可以降低实体钽的强度，从而实现与人体骨相近似的力学性能，但实际应用中，并不是所有孔径都适合，如孔径过大，可能降低其结构强度，与人体骨无法匹配；而孔径过小，则不利于骨细胞的长入，影响其与人体骨的结合水平，同时，也可能增加重量和负荷，因此，需选择一个合适的孔径范围。

同时，强度还与孔隙率相关，通过长时间的研究和多次试验表明：孔径0.3－0.9mm，丝径 0.3－0.6mm，孔隙率75％－85％，其细胞的增殖能力更好。

另外，在确保功能的基础上，为进一步降低手术成本和假体重量，本实施例优选多孔结构的厚度为1.5－3mm，可以使人体骨与假体有足够的结合力，且不存在过多浪费。

实际打印中，支撑骨架层可以是实心结构，也可以是空心结构，主要根据需要进行设置。通常情况下，只要在保证足够结构强度下，可将支撑骨架层设置为空心结构。这样可以进一步降低假体重量，且可降低制造成本。

本发明中，在步骤12之后，步骤13之前，还包括对假体表面喷涂硒层10的操作，完成后如图2－图3所示。硒是一种多功能的生命营养素，广泛运用于癌症、手术、放化疗等。通过假体外部的硒层与宿主骨充分接触，补充人体必要的营养素，对骨肿瘤有一定抑制作用。

上述方法的应用：

1、造盖术垫块，如图10所示。

丝径：0.5～0.6mm、孔径：0.3～0.6mm、孔隙率＞75％、长x宽x高：32x46x29mm；

2、髋臼垫块，如图11所示。

丝径：0.5～0.6mm、孔径：0.4～0.6mm、孔隙率＞75％、长x宽x高：43x29x25mm；

3、一体化髋臼杯，如图12所示。

丝径：0.35mm、孔径：0.65mm、孔隙率75％、长x宽x高：45x66x99mm；

4、髌骨，如图13所示。

丝径：0.5～0.6mm、孔径：0.4～0.6mm、孔隙率75％、长x宽x高：48.85x36.0x28.58mm。

5、腓骨肿瘤假体，如图14所示。

丝径：0.5～0.6mm、孔径：0.4～0.6mm、孔隙率＞75％、长x宽x高：21x19x131mm。

6、股骨肿瘤假体，如图15所示。

丝径：0.35mm、孔径：0.75mm、孔隙率85％、长x宽x高：128x58x57mm

7、100％部分髌骨置换(留髌骨外壳)，如图16所示。

丝径：0.5～0.6mm、孔径：0.4～0.6mm、孔隙率＞75％、长x宽x高：47x48.14x23.44mm

8、100％(全髌骨置换)，如图17所示。

丝径：0.5～0.6mm、孔径：0.4～0.6mm、孔隙率＞75％、长x宽x高：48.85x36.0x28.58mm。

9、100％骨盆肿瘤，如图18所示。

丝径：0.35mm、孔径：0.65mm、孔隙率70％、长x宽x高：163x104x61mm

10、100％髂骨肿瘤，如图19所示。

丝径：0.35mm、孔径：0.7－0.9mm、孔隙率85％、长x宽x高：66x72x74mm的100％。

11、膝关节融合100％，如图20所示。

丝径：0.5～0.6mm、孔径：0.4～0.6mm、孔隙率75％、长x宽x高：65x43x50m。

12、股骨侧，如图21所示。

丝径：0.3－0.4mm、孔径：0.7－0.8mm、孔隙率75.95％、长x宽x高：67x42x65mm。

13、胫骨侧，如图22所示。

丝径：0.35mm、孔径：0.7－0.8mm、孔隙率75％、长x宽x高：68x60x43mm。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。