一种用于颌面缺损修复的仿生梯度多孔陶瓷植入体及其制备方法

摘要

本发明公开了一种用于颌面缺损修复的仿生梯度多孔陶瓷植入体及其制备方法。植入体采用数字化光处理(DLP)增材制造技术进行一体化制造。修复体主体部分与健康天然骨形状相匹配，固定单元采用预留螺钉孔的方式与健康余骨进行固定。多孔部位预留愈合螺丝，用于后续种植牙基台的安装。有效减少手术创伤，缩短手术时间，避免对人体造成二次伤害。本发明可根据患者个性化需求实现个性化定制，采用生物陶瓷材料氧化铝，降低植入体模量，避免“应力遮挡效应”。同时生物陶瓷材料构建的多孔结构有助于细胞黏附、增值和分化。有助于有效恢复咀嚼功能，重塑美观性。

说明书

技术领域

本发明专利涉及生物医学下颌骨缺损修复技术领域，具体涉及一种用于颌面缺损修复的梯度多孔陶瓷植入体及其制备方法。

背景技术

人体下颌骨结构复杂，极具个性化，却又常因病变或者外伤造成破坏。传统的颌面修复方法常需从人体其他部位获取骨替代物进行缺损修复。这不仅会对人体造成二次伤害，而且获得的替代骨外形与缺损部位差异大，无法与颌骨界面进行高度匹配，极大的影响美观性以及后期工作性能。

颌面植入体作为帮助患者重塑外貌特征，恢复咀嚼功能的重要骨替代物。其整体形状直接影响了其恢复患者功能需求的好坏。传统的批量化的生产并不适合颌面修复，个性化的定制才能更好的实现颌面植入体与天然骨的适配。

随着增材制造技术的发展和成熟，其在口腔医学领域的应用之间广泛。增材制造具有便于成形复杂特异性零件的特点，通过增材制造技术制造的人工骨替代物可以很好的实现个性化制造，完美契合颌骨缺损部位，极大的降低了手术过程中的定位难度，有效恢复咀嚼功能，重塑美观性。

颌面植入体在被植入人体后，经过一定恢复期后除了要满足基本的支持，咀嚼等功能外，还需要具有一定的诱导骨长入的能力。这也就要求制备修复假体的材料要同时具备一定的力学性能和良好的生物相容性能。氧化铝作为一种生物陶瓷材料，具有优异的机械性能和热学性能，耐磨性能好，并且能在人体内部长期稳定的存在，已被广泛应用生物医学领域。

但是即便是通过生物陶瓷材料制成的实体植入体也并不能保证与未损坏余骨的有效结合。因此仿生多孔结构的设计对于骨修复领域至关重要。多孔结构的应用不仅为细胞生长黏附提供了空间，诱导骨生成实现植入体于未损伤余骨的有效集合，同时也能实现植入体更加轻量化的目标。

发明内容

为了解决传统自体骨颌面缺损修复流程复杂、周期长，并会对人体造成二次伤害。并且替代物外形一致性差，缺乏美观性，影响功能恢复的问题。本发明专利利用光固化技术(DLP) 增材制造技术，针对人体下颌骨区域性缺损问题，基于泰森多边形原理拓扑优化设计了一种预成重建板和愈合螺丝的具有仿生梯度孔结构的颌面修复体结构。有效提升力学性能和生物相容性，帮助患者恢复功能和容貌。

本发明专利解决其技术问题所采用的方案是：

一种用于颌面缺损修复的梯度多孔陶瓷植入体可观察到修复主体部分和两端预成重建板。但二者并非分离状态，而是一体式结构。植入体修复主体部分，通过个性化设计与未损伤颌面骨完全匹配。内部为仿生梯度多孔结构用于承载以及平衡应力。并且预留愈合螺丝孔用于后序种植体基台安装。植入体两端预成重建板，每侧各包括三个螺钉孔与未损伤颌面骨进行连接。

本发明专利的主要优势在于：针对特异性颌面缺损情况，设计了能够完美与未损伤天然骨完美匹配的颌面植入体。力学性能与天然骨相似，规避“应力遮挡效应”。所选用材料生物相容性好，有助于细胞黏附、分化和增值，诱导骨长入。通过有限元方法分析，拓扑优化的梯度孔结构有效降低应力峰值，均匀应力，避免出现应力集中现象。预成重建板和愈合螺丝孔的设计减少手术时间，简化手术流程，减少患者痛苦。

附图说明

图1是仿生梯度多孔结构颌面修复体结构示意图。

图2是仿生梯度多孔颌面修复体主体内部多孔结构示意图。

图3是下颌骨缺损部位模拟切除示意图。

图4是梯度多孔结构颌面修复体与下颌骨连接示意图。

图5为重建板固定螺丝孔孔型示意图

图6为愈合螺丝孔孔型示意图

具体实施方式

下面结合附图对本发明专利所进一步描述。

一种用于颌面缺损修复的梯度多孔陶瓷植入体可观察到修复主体部分2和两端预成重建板4。但二者并非分离状态，而是一体式结构。植入体修复主体部分2，通过个性化设计与未损伤颌面骨完全匹配。内部为仿生梯度多孔结构3用于承载以及平衡应力。并且预留两个愈合螺丝孔1用于后序种植体基台安装。植入体两端预成重建板4，每侧各包括三个螺钉孔5 与未损伤颌面骨7，8进行连接。

所述仿生梯度多孔植入体结构3由拓扑优化设计而成，综合有限元应力分布特点，合理设计孔洞大小粗细及方向，使之能同时满足承载支撑功能传递载荷，并提供软组织良好附着生长的血供等环境。

一种用于颌面缺损修复的仿生梯度多孔陶瓷植入体3设计方法，包括以下步骤：

(1)患者CT图像数据采集以及缺损部位三维模型建立：

使用CT扫描设备对患者的缺损部位进行数据采集，将扫描后的下颌骨CT数据以DICOM 格式存储到专用存储设备中。将DICOM格式的缺损部位CT数据导入到Mimics软件，在该软件建立缺损部位三维实体模型重建，并进行网格光滑处理，由此获得STL格式的缺损部位三维模型。

(2)仿生梯度多孔颌面修复体设计

考虑简化手术流程，缩短手术时间，减少患者痛苦，在颌面修复体上预成重建板并且预留愈合螺丝孔。两侧预成重建板各设计三个螺钉孔，用于与未损伤余骨相连接，愈合螺丝孔用于后续种植牙基台安装。所述修复主体表面留有1.5mm外壳，内部仿生梯度多孔结构设计方法如下：

1)首先对设计的模型进行有限元分析，并得到其应力场分布；

2)根据应力场分布提取其主力应线；

3)简化主应力线密度，提取应力集中区域的主应力线；

4)在应力区域生成一定数量的种子点；

5)将种子点到主应力线的距离设为权重，利用加权随机抽样的方法对种子点的分布密度进行控制，权重较小区域密度较大，权重较大区域密度较小；

6)根据种子点的分布生成泰森多边形，通过对泰森多边形的缩放及边的提取，生成梯度多孔结构；

7)对生成的梯度多孔结构进行细化处理，得到孔隙光滑的仿生梯度多孔结构。

(3)仿生梯度多孔颌面修复体DLP成形

将设计好的仿生梯度多孔颌面修复体模型导入3D打印前处理软件magics中，根据多孔植入体的模型特点及3D打印工艺特点，添加合适的支撑结构，然后进行自动分层切片处理。最后将文件导入光固化打印机中，制备氧化铝陶瓷浆料，进行打印。

对打印完成的陶瓷颌面修复体进行脱脂烧结处理，得到能应用于临床应用的颌面修复体。

以上是对本发明具体实施方式的说明，但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。