一種合金腦顱骨修復(fù)體的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種合金腦顱骨修復(fù)體的制備方法。該方法主要包括步驟：獲取患者顱骨圖像數(shù)據(jù)、三維重建生成顱骨模型、獲得二維修復(fù)體并進(jìn)行塑形制作，獲得合金腦顱骨修復(fù)體等。本發(fā)明所述制備方法彌補(bǔ)了傳統(tǒng)制備技術(shù)的不足，高效制備出滿足醫(yī)用材料生物相容性和力學(xué)相容性要求的復(fù)雜形狀的合金腦顱骨修復(fù)體。同時(shí)，該制備方法成本較低，制造精度高、成型效率高。
【專利說明】
一種合金腦顱骨修復(fù)體的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域，應(yīng)用于腦神經(jīng)外科、腦神經(jīng)內(nèi)科、顱骨修復(fù)等醫(yī)學(xué)專業(yè)，涉及一種合金修復(fù)體的加工制造方法，特別地，涉及一種合金腦顱骨修復(fù)體的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在神經(jīng)外科和神經(jīng)內(nèi)科領(lǐng)域，出現(xiàn)如下創(chuàng)傷或疾病時(shí)，需對顱骨施行切除以及修復(fù)手術(shù):頭部外傷、顱內(nèi)感染或腫瘤、腦水腫或顱內(nèi)壓增高以及顱骨畸形等。顱骨缺損后為了恢復(fù)顱腔密閉性以及防止出現(xiàn)進(jìn)一步的神經(jīng)系統(tǒng)癥狀，需行顱骨缺損修復(fù)術(shù)。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)中常用的顱骨修復(fù)體材料有非金屬材料和金屬材料，非金屬材料有有機(jī)玻璃、骨水泥及復(fù)合材料，有機(jī)玻璃堅(jiān)硬，可加熱塑性，取材方便，但對人體有刺激且時(shí)間久后易老化，難以達(dá)到滿意效果;骨水泥塑形快，但對腦組織有刺激，術(shù)后易變形產(chǎn)生松動。常用的金屬有鉭、鈦板或不銹鋼絲網(wǎng)，國內(nèi)外均有采用，其塑型方便，組織反應(yīng)輕，外觀佳，是顱骨修補(bǔ)的好材料。但金屬材料具有導(dǎo)熱性，修補(bǔ)后局部溫差大，患者有不適的灼熱感，病人不適宜在太陽光下其他較熱或較冷環(huán)境中長時(shí)間工作，同時(shí)常用的醫(yī)用金屬材料導(dǎo)電或?qū)Т藕筒煌竂線，妨礙病人術(shù)后進(jìn)行CT等檢查?？山到飧叻肿硬牧想m然可以作為顱骨修復(fù)使用，但是其力學(xué)性能相對欠佳，而且酸性的降解產(chǎn)物容易引發(fā)炎癥等。上述材料均不能很好地滿足顱骨修復(fù)體所要求的高拉伸和壓縮強(qiáng)度、高抗沖擊性、抗磨性、良好的成型加工性、高可靠性以及良好的生物相容性。
[0004]合金材料具有良好的生物相容性、無毒以及強(qiáng)度高等特點(diǎn)，使其在顱腦損傷、顱內(nèi)腫瘤手術(shù)或開顱減壓術(shù)所致的顱骨缺損的修復(fù)中有較為普遍的應(yīng)用。但是，該應(yīng)用一直存在的一個(gè)問題是無法提供與患者顱骨缺損大小以及形態(tài)完全相吻合的金屬材料修復(fù)體，尤其是對于復(fù)雜程度較高的缺損情況，對修復(fù)體的形態(tài)要求則更高。另外，現(xiàn)有技術(shù)中的修復(fù)體制備方法在修復(fù)假體質(zhì)量上有所提高，但制造周期長、成本高柔性差，以目前的制備手段很難保證一次手術(shù)完成清創(chuàng)和修補(bǔ)。而壓痕、起皺、回彈和邊緣翹曲是多點(diǎn)成形中特有的成形缺陷，壓痕和起皺影響顱骨修復(fù)體的外形美觀，回彈會使修復(fù)體尺寸與骨窗尺寸不吻合，導(dǎo)致修復(fù)體塌陷或固定松動。邊緣翹曲會使修復(fù)體與骨窗不能良好貼合，影響修復(fù)質(zhì)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種合金腦顱骨修復(fù)體的制備方法，以彌補(bǔ)傳統(tǒng)制備技術(shù)的不足，高效制備出滿足醫(yī)用材料生物相容性和力學(xué)相容性要求的復(fù)雜形狀的合金腦顱骨修復(fù)體。同時(shí)，該制備方法成本較低，制造精度高、成型效率高。
[0006]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種合金腦顱骨修復(fù)體的制備方法，包括以下步驟:
[0007](I)利用計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)(CT)方式獲取患者顱骨圖像數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)的掃描間距為1.7?1.9mm，獲得的圖像數(shù)據(jù)用標(biāo)準(zhǔn)DICOM文件格式儲存于計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，得到顱骨缺損輪廓；
[0008](2)將DICOM格式的CT圖像數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)字化三維醫(yī)學(xué)影像交互式處理軟件Mimics中進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取、分割及三維重建，選取分割后顱骨圖像的任一象素點(diǎn)，則與此象素點(diǎn)連接的三維區(qū)域均被臨時(shí)記錄下來，提取顱骨的灰度閾值范圍為505?2055;顱骨三維成型后，通過Mimics的鏡像功能將健側(cè)顱骨對稱復(fù)制到缺損部位，再利用透明功能使缺損形狀及邊緣可見，利用多面體分割功能沿著缺損邊緣切割修復(fù)體模型并進(jìn)行分離;提取完成后以STL格式輸出修復(fù)體，并且存放有醫(yī)學(xué)圖象控制系統(tǒng)軟件的計(jì)算機(jī)輸出三維重建生成的顱骨模型；
[0009](3)利用逆向工程軟件Surfacer對顱骨缺損進(jìn)行修補(bǔ)、CAD設(shè)計(jì)出個(gè)體化的顱骨缺損修復(fù)體，調(diào)整顱骨原型的位置，并提取出修復(fù)體曲面數(shù)據(jù)，根據(jù)顱骨缺損模型確定金屬修復(fù)體的邊緣輪廓，采用逆向設(shè)計(jì)、CAD設(shè)計(jì)出金屬修復(fù)體的曲面形狀，最后根據(jù)該修復(fù)體的曲面對金屬修復(fù)體進(jìn)行塑形；
[00?0] (4)將步驟(3)中所獲得的曲面數(shù)據(jù)在有限元分析軟件Deform、autoform或Dynaf orm中通過計(jì)算、數(shù)據(jù)處理功能，根據(jù)修復(fù)體曲面，綜合金屬材料的彎曲、拉伸、壓延的塑性變形因素，反求出顱骨修復(fù)體平面狀態(tài)的邊緣輪廓和面積大小，獲得二維平面的修復(fù)體；
[0011](5)根據(jù)步驟(4)中獲得的二維平面的修復(fù)體，制作二維的合金網(wǎng)片:以海綿鈦為原料，將海綿鈦與氫氣混合，保持氫氣正壓為0.06?0.07MPa，在680?700 °C保溫30?40min，確保海綿鈦與氫氣充分反應(yīng)后降溫冷卻;然后對海綿鈦采用氣流磨進(jìn)行破碎，氣流磨的轉(zhuǎn)速控制在1100r/min?1200r/min，破碎得到粒度為15?30um的氫化鈦粉末;將上述氫化鈦粉末作為原料，采用氬氣作為氣體射頻等離子體進(jìn)行脫氫及球化處理，射頻等離子體輸出功率為65kw?75kw;并采用氬氣作為保護(hù)氣，保護(hù)氣流量為0.8m3/h?1.2m3/h，使形成穩(wěn)定的等離子炬;然后采用氬氣作為載氣將氫化鈦粉輸送至等離子炬中央，送氫化鈦粉末的速率選擇在150g/min?200g/min，氫化鈦粉在下落過程中經(jīng)過等離子炬受熱恪融，并在氬氣的保護(hù)下沉積在收集罐中，即得鈦粉;將制得的鈦粉、選用金屬鎂粉、金屬鉬粉采用球磨工藝進(jìn)行機(jī)械混合均勻，上述混合的粉末中金屬鎂粉的含量為5?10wt%、金屬鉬粉的含量為3?5wt%，余量為鈦粉，球磨工藝的球料比為2.5:1?1.5:1，球磨時(shí)間為5?8h，轉(zhuǎn)速為50?80r/min;并對混合的粉末進(jìn)行冷等靜壓，冷等靜壓的壓力為200?300Mpa，保壓時(shí)間為10?15min;在真空爐中對混合粉末進(jìn)行激光燒結(jié)成形，獲得燒結(jié)粉末合金坯體，真空燒結(jié)時(shí)真空度要< 10—3Pa，燒結(jié)保溫時(shí)間為2.5?3.5h，激光功率為20?30W，坯體表面涂玻璃潤滑劑保護(hù)，然后對坯體進(jìn)行機(jī)械加工，制成二維的合金網(wǎng)片，網(wǎng)片的厚度為40?60μπι;
[0012](6)根據(jù)在步驟(3)中提取的修復(fù)體曲面數(shù)據(jù)，燒制修復(fù)體模型，修復(fù)體模型使用的材料為步驟(5)中所制得的鈦粉以及熱塑性樹脂粉末，修復(fù)體模型中熱塑性樹脂粉末的含量為5?7wt%，在純度為99.3%?99.5%的惰性氬氣保護(hù)下，以⑶2激光器為熱源，對混合粉末進(jìn)行燒結(jié)成形，得到修復(fù)體模型坯件，激光功率為32?38W;在惰性氣體保護(hù)下，將修復(fù)體模型坯件放入脫脂爐內(nèi)，直接進(jìn)行熱脫脂;脫脂溫度為350?450°C，保溫時(shí)間為1.5?
2.5h，脫除速率為2?4°C/min ；在惰性氣體保護(hù)下，將修復(fù)體模型坯件放入燒結(jié)爐內(nèi)，進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，最終得到修復(fù)體模型，燒結(jié)溫度為900?11000C，保溫時(shí)間為1.5?2.5h，升溫速率為2.5?3.5°C/min;然后進(jìn)行模壓塑性變形，并在預(yù)鍛和終鍛中間安排預(yù)熱和熱處理，獲得所需要的修復(fù)體模型坯件的形狀和尺寸;進(jìn)行均勻化退火，用噴砂機(jī)打磨修復(fù)體模型的凸面及其邊緣，最后手工打磨，直至修復(fù)體模型表面達(dá)到技術(shù)要求，進(jìn)而對其進(jìn)行超聲波清洗和消毒處理;將制作好的修復(fù)體模型與步驟(5)中制成的二維合金網(wǎng)片貼合比較，并進(jìn)行壓制，在壓制過程中把二維合金網(wǎng)片反復(fù)與修復(fù)體模型比較，直至兩者完全吻合，并修剪所述鈦合金網(wǎng)。
[0013](7)將步驟(6)中制得的產(chǎn)品置于溫度為55?65°C、濃度為7?8mol的NaOH溶液中浸泡2?4h，之后用水清洗后使其干燥，然后放入36?37 0C的SBF緩沖液中浸泡15?20h，清洗后干燥進(jìn)行熱處理，以5°C/min的速率加熱至625?635°C保溫25?35分鐘，然后關(guān)閉電源隨爐冷卻至室溫，制得最終的合金腦顱骨修復(fù)體。
[0014]優(yōu)選的，所述熱塑性樹脂為聚乙烯。
[0015]在上述任一方案中優(yōu)選的是，所述壓制過程中用塑料薄膜將二維合金網(wǎng)片封住。
[0016]在上述任一方案中優(yōu)選的是，所述模壓塑性變形中用到的模壓模具材料為Cr12MoV，預(yù)鍛前預(yù)熱溫度為380?400°C，終鍛后安排T4熱處理工藝。
[0017]在上述任一方案中優(yōu)選的是，所述所述鈦粉和熱塑性樹脂粉末的粒徑分別為:150?200目和300?500目。
[0018]在上述任一方案中優(yōu)選的是，在步驟(7)后還可對合金腦顱骨修復(fù)體再次進(jìn)行消毒和烘干，并妥善保存。
[0019]本發(fā)明是根據(jù)多年的試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)所得各成分的配比和具體的步驟，并不是將各成分簡單疊加和步驟的隨意組合，而是根據(jù)各成分的相互作用原則進(jìn)行的相應(yīng)選擇，并且確定了最佳的制造步驟，因此，本發(fā)明具有顯著的意義。
[0020]本發(fā)明的有益效果:
[0021]1.本發(fā)明的方法完成了金屬修復(fù)體的邊緣界定和設(shè)計(jì)，不僅能確保修復(fù)體邊緣與顱骨缺損邊界完美貼合，而且因輪廓邊緣光滑而避免了對周圍軟組織的刺激與損傷。本發(fā)明方法制備的合金腦顱骨修復(fù)體不僅可實(shí)現(xiàn)修復(fù)體本身的修復(fù)功能，還可保證手術(shù)的精確性，獲得更好的顱骨修復(fù)后的外形效果，而且降低了軟組織刺激及損傷風(fēng)險(xiǎn)。
[0022]2.本發(fā)明面對不同患者的需求，能夠個(gè)性化設(shè)計(jì)，并直接制備出任意復(fù)雜形狀和高尺寸精度的合金腦顱骨修復(fù)體，可實(shí)現(xiàn)對修復(fù)套顯微組織和力學(xué)性能的控制，本發(fā)明方法所制備出的合金腦顱骨修復(fù)體力學(xué)性能優(yōu)異，其彈性模量和強(qiáng)度與自然骨匹配，可滿足作為生物醫(yī)用材料所需要的生物力學(xué)相容性要求。
[0023]3.本發(fā)明所述的方法可實(shí)現(xiàn)顱骨修復(fù)體的精確成型，并且不易受顱骨修復(fù)假體形狀、薄厚程度等的限制;且合金腦顱骨修復(fù)體具有優(yōu)良的生物學(xué)性能，便于臨床賦形。
[0024]4.本發(fā)明方法的工藝生產(chǎn)工序少、成本低、可操作性及重復(fù)性強(qiáng)，適合工業(yè)化推廣。
【具體實(shí)施方式】
[0025]以下結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步描述，但要求保護(hù)的范圍并不局限于此。
[0026]實(shí)施例1
[0027]—種合金腦顱骨修復(fù)體的制備方法，包括以下步驟:
[0028](I)利用計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)(CT)方式獲取患者顱骨圖像數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)的掃描間距為1.7mm，獲得的圖像數(shù)據(jù)用標(biāo)準(zhǔn)DICOM文件格式儲存于計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，得到顱骨缺損輪廓；
[0029](2)將DICOM格式的CT圖像數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)字化三維醫(yī)學(xué)影像交互式處理軟件Mimics中進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取、分割及三維重建，選取分割后顱骨圖像的任一象素點(diǎn)，則與此象素點(diǎn)連接的三維區(qū)域均被臨時(shí)記錄下來，提取顱骨的灰度閾值范圍為2055;顱骨三維成型后，通過Mimics的鏡像功能將健側(cè)顱骨對稱復(fù)制到缺損部位，再利用透明功能使缺損形狀及邊緣可見，利用多面體分割功能沿著缺損邊緣切割修復(fù)體模型并進(jìn)行分離;提取完成后以STL格式輸出修復(fù)體，并且存放有醫(yī)學(xué)圖象控制系統(tǒng)軟件的計(jì)算機(jī)輸出三維重建生成的顱骨模型；
[0030](3)利用逆向工程軟件Surfacer對顱骨缺損進(jìn)行修補(bǔ)、CAD設(shè)計(jì)出個(gè)體化的顱骨缺損修復(fù)體，調(diào)整顱骨原型的位置，并提取出修復(fù)體曲面數(shù)據(jù)，根據(jù)顱骨缺損模型確定金屬修復(fù)體的邊緣輪廓，采用逆向設(shè)計(jì)、CAD設(shè)計(jì)出金屬修復(fù)體的曲面形狀，最后根據(jù)該修復(fù)體的曲面對金屬修復(fù)體進(jìn)行塑形；
[0031](4)將步驟(3)中所獲得的曲面數(shù)據(jù)在有限元分析軟件Deform中通過計(jì)算、數(shù)據(jù)處理功能，根據(jù)修復(fù)體曲面，綜合金屬材料的彎曲、拉伸、壓延的塑性變形因素，反求出顱骨修復(fù)體平面狀態(tài)的邊緣輪廓和面積大小，獲得二維平面的修復(fù)體；
[0032](5)根據(jù)步驟(4)中獲得的二維平面的修復(fù)體，制作二維的合金網(wǎng)片:以海綿鈦為原料，將海綿鈦與氫氣混合，保持氫氣正壓為0.06MPa，在700°C保溫30min，確保海綿鈦與氫氣充分反應(yīng)后降溫冷卻;然后對海綿鈦采用氣流磨進(jìn)行破碎，氣流磨的轉(zhuǎn)速控制在1200r/min，破碎得到粒度為15um的氫化鈦粉末;將上述氫化鈦粉末作為原料，采用氬氣作為氣體射頻等離子體進(jìn)行脫氫及球化處理，射頻等離子體輸出功率為75kw;并采用氬氣作為保護(hù)氣，保護(hù)氣流量為0.8m3/h，使形成穩(wěn)定的等離子炬;然后采用氬氣作為載氣將氫化鈦粉輸送至等離子炬中央，送氫化鈦粉末的速率選擇在200g/min，氫化鈦粉在下落過程中經(jīng)過等離子炬受熱熔融，并在氬氣的保護(hù)下沉積在收集罐中，即得鈦粉;將制得的鈦粉、選用金屬鎂粉、金屬鉬粉采用球磨工藝進(jìn)行機(jī)械混合均勻，上述混合的粉末中金屬鎂粉的含量為5 %、金屬鉬粉的含量為5wt %，余量為鈦粉，球磨工藝的球料比為2.5:1，球磨時(shí)間為5h，轉(zhuǎn)速為80r/min;并對混合的粉末進(jìn)行冷等靜壓，冷等靜壓的壓力為200Mpa，保壓時(shí)間為15min;在真空爐中對混合粉末進(jìn)行激光燒結(jié)成形，獲得燒結(jié)粉末合金坯體，真空燒結(jié)時(shí)真空度要< 10—3Pa，燒結(jié)保溫時(shí)間為2.5h，激光功率為30W，坯體表面涂玻璃潤滑劑保護(hù)，然后對坯體進(jìn)行機(jī)械加工，制成二維的合金網(wǎng)片，網(wǎng)片的厚度為40μπι;
[0033](6)根據(jù)在步驟(3)中提取的修復(fù)體曲面數(shù)據(jù)，燒制修復(fù)體模型，修復(fù)體模型使用的材料為步驟(5)中所制得的鈦粉以及熱塑性樹脂粉末，修復(fù)體模型中熱塑性樹脂粉末的含量為7wt %，在純度為99.3 %的惰性氬氣保護(hù)下，以CO2激光器為熱源，對混合粉末進(jìn)行燒結(jié)成形，得到修復(fù)體模型坯件，激光功率為38W;在惰性氣體保護(hù)下，將修復(fù)體模型坯件放入脫脂爐內(nèi)，直接進(jìn)行熱脫脂;脫脂溫度為350°C，保溫時(shí)間為2.5h，脫除速率為2°C/min;在惰性氣體保護(hù)下，將修復(fù)體模型坯件放入燒結(jié)爐內(nèi)，進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，最終得到修復(fù)體模型，燒結(jié)溫度為1100°C，保溫時(shí)間為1.5h，升溫速率為3.5°C/min;然后進(jìn)行模壓塑性變形，并在預(yù)鍛和終鍛中間安排預(yù)熱和熱處理，獲得所需要的修復(fù)體模型坯件的形狀和尺寸;進(jìn)行均勻化退火，用噴砂機(jī)打磨修復(fù)體模型的凸面及其邊緣，最后手工打磨，直至修復(fù)體模型表面達(dá)到技術(shù)要求，進(jìn)而對其進(jìn)行超聲波清洗和消毒處理;將制作好的修復(fù)體模型與步驟(5)中制成的二維合金網(wǎng)片貼合比較，并進(jìn)行壓制，在壓制過程中把二維合金網(wǎng)片反復(fù)與修復(fù)體模型比較，直至兩者完全吻合，并修剪所述鈦合金網(wǎng)。
[0034](7)將步驟(6)中制得的產(chǎn)品置于溫度為55 °C、濃度為8moI的NaOH溶液中浸泡2h，之后用水清洗后使其干燥，然后放入37°C的SBF緩沖液中浸泡15h，清洗后干燥進(jìn)行熱處理，以5°C/min的速率加熱至635°C保溫25分鐘，然后關(guān)閉電源隨爐冷卻至室溫，制得最終的合金腦顱骨修復(fù)體。
[0035]所述熱塑性樹脂為聚乙烯。
[0036]所述壓制過程中用塑料薄膜將二維合金網(wǎng)片封住。
[0037]所述模壓塑性變形中用到的模壓模具材料為Cr12MoV,預(yù)鍛前預(yù)熱溫度為400°C，終鍛后安排T4熱處理工藝。
[0038]所述所述鈦粉和熱塑性樹脂粉末的粒徑分別為:150目和500目。
[0039]在步驟(7)后還可對合金腦顱骨修復(fù)體再次進(jìn)行消毒和烘干，并妥善保存。
[0040]實(shí)施例2
[0041]—種合金腦顱骨修復(fù)體的制備方法，包括以下步驟:
[0042](I)利用計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)(CT)方式獲取患者顱骨圖像數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)的掃描間距為1.9mm，獲得的圖像數(shù)據(jù)用標(biāo)準(zhǔn)DICOM文件格式儲存于計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，得到顱骨缺損輪廓；
[0043](2)將DICOM格式的CT圖像數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)字化三維醫(yī)學(xué)影像交互式處理軟件Mimics中進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取、分割及三維重建，選取分割后顱骨圖像的任一象素點(diǎn)，則與此象素點(diǎn)連接的三維區(qū)域均被臨時(shí)記錄下來，提取顱骨的灰度閾值范圍為505;顱骨三維成型后，通過Mimics的鏡像功能將健側(cè)顱骨對稱復(fù)制到缺損部位，再利用透明功能使缺損形狀及邊緣可見，利用多面體分割功能沿著缺損邊緣切割修復(fù)體模型并進(jìn)行分離;提取完成后以STL格式輸出修復(fù)體，并且存放有醫(yī)學(xué)圖象控制系統(tǒng)軟件的計(jì)算機(jī)輸出三維重建生成的顱骨模型；
[0044](3)利用逆向工程軟件Surfacer對顱骨缺損進(jìn)行修補(bǔ)、CAD設(shè)計(jì)出個(gè)體化的顱骨缺損修復(fù)體，調(diào)整顱骨原型的位置，并提取出修復(fù)體曲面數(shù)據(jù)，根據(jù)顱骨缺損模型確定金屬修復(fù)體的邊緣輪廓，采用逆向設(shè)計(jì)、CAD設(shè)計(jì)出金屬修復(fù)體的曲面形狀，最后根據(jù)該修復(fù)體的曲面對金屬修復(fù)體進(jìn)行塑形；
[0045](4)將步驟(3)中所獲得的曲面數(shù)據(jù)在有限元分析軟件autoform中通過計(jì)算、數(shù)據(jù)處理功能，根據(jù)修復(fù)體曲面，綜合金屬材料的彎曲、拉伸、壓延的塑性變形因素，反求出顱骨修復(fù)體平面狀態(tài)的邊緣輪廓和面積大小，獲得二維平面的修復(fù)體；
[0046](5)根據(jù)步驟(4)中獲得的二維平面的修復(fù)體，制作二維的合金網(wǎng)片:以海綿鈦為原料，將海綿鈦與氫氣混合，保持氫氣正壓為0.07MPa，在680°C保溫40min，確保海綿鈦與氫氣充分反應(yīng)后降溫冷卻;然后對海綿鈦采用氣流磨進(jìn)行破碎，氣流磨的轉(zhuǎn)速控制在I 10r/min，破碎得到粒度為30um的氫化鈦粉末;將上述氫化鈦粉末作為原料，采用氬氣作為氣體射頻等離子體進(jìn)行脫氫及球化處理，射頻等離子體輸出功率為65kw;并采用氬氣作為保護(hù)氣，保護(hù)氣流量為1.2m3/h，使形成穩(wěn)定的等離子炬;然后采用氬氣作為載氣將氫化鈦粉輸送至等離子炬中央，送氫化鈦粉末的速率選擇在150g/min，氫化鈦粉在下落過程中經(jīng)過等離子炬受熱熔融，并在氬氣的保護(hù)下沉積在收集罐中，即得鈦粉;將制得的鈦粉、選用金屬鎂粉、金屬鉬粉采用球磨工藝進(jìn)行機(jī)械混合均勻，上述混合的粉末中金屬鎂粉的含量為1wt%、金屬鉬粉的含量為3wt%，余量為鈦粉，球磨工藝的球料比為1.5:1，球磨時(shí)間為8h，轉(zhuǎn)速為50r/min;并對混合的粉末進(jìn)行冷等靜壓，冷等靜壓的壓力為300Mpa，保壓時(shí)間為1min;在真空爐中對混合粉末進(jìn)行激光燒結(jié)成形，獲得燒結(jié)粉末合金坯體，真空燒結(jié)時(shí)真空度要< 10—3Pa，燒結(jié)保溫時(shí)間為3.5h，激光功率為20W，坯體表面涂玻璃潤滑劑保護(hù)，然后對坯體進(jìn)行機(jī)械加工，制成二維的合金網(wǎng)片，網(wǎng)片的厚度為60μπι;
[0047](6)根據(jù)在步驟(3)中提取的修復(fù)體曲面數(shù)據(jù)，燒制修復(fù)體模型，修復(fù)體模型使用的材料為步驟(5)中所制得的鈦粉以及熱塑性樹脂粉末，修復(fù)體模型中熱塑性樹脂粉末的含量為5wt %，在純度為99.5 %的惰性氬氣保護(hù)下，以CO2激光器為熱源，對混合粉末進(jìn)行燒結(jié)成形，得到修復(fù)體模型坯件，激光功率為32W;在惰性氣體保護(hù)下，將修復(fù)體模型坯件放入脫脂爐內(nèi)，直接進(jìn)行熱脫脂;脫脂溫度為450°C，保溫時(shí)間為1.5h，脫除速率為4°C/min;在惰性氣體保護(hù)下，將修復(fù)體模型坯件放入燒結(jié)爐內(nèi)，進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，最終得到修復(fù)體模型，燒結(jié)溫度為900°C，保溫時(shí)間為2.5h，升溫速率為2.5°C/min;然后進(jìn)行模壓塑性變形，并在預(yù)鍛和終鍛中間安排預(yù)熱和熱處理，獲得所需要的修復(fù)體模型坯件的形狀和尺寸;進(jìn)行均勻化退火，用噴砂機(jī)打磨修復(fù)體模型的凸面及其邊緣，最后手工打磨，直至修復(fù)體模型表面達(dá)到技術(shù)要求，進(jìn)而對其進(jìn)行超聲波清洗和消毒處理;將制作好的修復(fù)體模型與步驟(5)中制成的二維合金網(wǎng)片貼合比較，并進(jìn)行壓制，在壓制過程中把二維合金網(wǎng)片反復(fù)與修復(fù)體模型比較，直至兩者完全吻合，并修剪所述鈦合金網(wǎng)。
[0048](7)將步驟(6)中制得的產(chǎn)品置于溫度為65 °C、濃度為7moI的NaOH溶液中浸泡4h，之后用水清洗后使其干燥，然后放入36°C的SBF緩沖液中浸泡20h，清洗后干燥進(jìn)行熱處理，以5°C/min的速率加熱至625°C保溫35分鐘，然后關(guān)閉電源隨爐冷卻至室溫，制得最終的合金腦顱骨修復(fù)體。
[0049]所述熱塑性樹脂為聚乙烯。
[0050]所述壓制過程中用塑料薄膜將二維合金網(wǎng)片封住。
[0051]所述模壓塑性變形中用到的模壓模具材料為Cr12MoV,預(yù)鍛前預(yù)熱溫度為380°C，終鍛后安排T4熱處理工藝。
[0052]所述所述鈦粉和熱塑性樹脂粉末的粒徑分別為:200目和300目。
[0053]在步驟(7)后還可對合金腦顱骨修復(fù)體再次進(jìn)行消毒和烘干，并妥善保存。
[0054]實(shí)施例3
[0055]—種合金腦顱骨修復(fù)體的制備方法，包括以下步驟:
[0056](I)利用計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)(CT)方式獲取患者顱骨圖像數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)的掃描間距為1.8mm，獲得的圖像數(shù)據(jù)用標(biāo)準(zhǔn)DICOM文件格式儲存于計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，得到顱骨缺損輪廓；
[0057](2)將DICOM格式的CT圖像數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)字化三維醫(yī)學(xué)影像交互式處理軟件Mimics中進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取、分割及三維重建，選取分割后顱骨圖像的任一象素點(diǎn)，則與此象素點(diǎn)連接的三維區(qū)域均被臨時(shí)記錄下來，提取顱骨的灰度閾值范圍為1505;顱骨三維成型后，通過Mimics的鏡像功能將健側(cè)顱骨對稱復(fù)制到缺損部位，再利用透明功能使缺損形狀及邊緣可見，利用多面體分割功能沿著缺損邊緣切割修復(fù)體模型并進(jìn)行分離;提取完成后以STL格式輸出修復(fù)體，并且存放有醫(yī)學(xué)圖象控制系統(tǒng)軟件的計(jì)算機(jī)輸出三維重建生成的顱骨模型；
[0058](3)利用逆向工程軟件Surfacer對顱骨缺損進(jìn)行修補(bǔ)、CAD設(shè)計(jì)出個(gè)體化的顱骨缺損修復(fù)體，調(diào)整顱骨原型的位置，并提取出修復(fù)體曲面數(shù)據(jù)，根據(jù)顱骨缺損模型確定金屬修復(fù)體的邊緣輪廓，采用逆向設(shè)計(jì)、CAD設(shè)計(jì)出金屬修復(fù)體的曲面形狀，最后根據(jù)該修復(fù)體的曲面對金屬修復(fù)體進(jìn)行塑形；
[0059](4)將步驟(3)中所獲得的曲面數(shù)據(jù)在有限元分析軟件Dynaform中通過計(jì)算、數(shù)據(jù)處理功能，根據(jù)修復(fù)體曲面，綜合金屬材料的彎曲、拉伸、壓延的塑性變形因素，反求出顱骨修復(fù)體平面狀態(tài)的邊緣輪廓和面積大小，獲得二維平面的修復(fù)體；
[0060](5)根據(jù)步驟(4)中獲得的二維平面的修復(fù)體，制作二維的合金網(wǎng)片:以海綿鈦為原料，將海綿鈦與氫氣混合，保持氫氣正壓為0.065MPa，在690 °C保溫35min，確保海綿鈦與氫氣充分反應(yīng)后降溫冷卻；然后對海綿鈦采用氣流磨進(jìn)行破碎，氣流磨的轉(zhuǎn)速控制在1150r/min，破碎得到粒度為25um的氫化鈦粉末;將上述氫化鈦粉末作為原料，采用氬氣作為氣體射頻等離子體進(jìn)行脫氫及球化處理，射頻等離子體輸出功率為70kw;并采用氬氣作為保護(hù)氣，保護(hù)氣流量為1.0m3/h，使形成穩(wěn)定的等離子炬;然后采用氬氣作為載氣將氫化鈦粉輸送至等離子炬中央，送氫化鈦粉末的速率選擇在180g/min，氫化鈦粉在下落過程中經(jīng)過等離子炬受熱熔融，并在氬氣的保護(hù)下沉積在收集罐中，即得鈦粉;將制得的鈦粉、選用金屬鎂粉、金屬鉬粉采用球磨工藝進(jìn)行機(jī)械混合均勻，上述混合的粉末中金屬鎂粉的含量為8wt%、金屬鉬粉的含量為4wt%，余量為鈦粉，球磨工藝的球料比為2:1，球磨時(shí)間為7h，轉(zhuǎn)速為60r/min;并對混合的粉末進(jìn)行冷等靜壓，冷等靜壓的壓力為250Mpa，保壓時(shí)間為13min;在真空爐中對混合粉末進(jìn)行激光燒結(jié)成形，獲得燒結(jié)粉末合金坯體，真空燒結(jié)時(shí)真空度要彡10—3Pa，燒結(jié)保溫時(shí)間為3h，激光功率為25W，坯體表面涂玻璃潤滑劑保護(hù)，然后對坯體進(jìn)行機(jī)械加工，制成二維的合金網(wǎng)片，網(wǎng)片的厚度為50μπι ；
[0061](6)根據(jù)在步驟(3)中提取的修復(fù)體曲面數(shù)據(jù)，燒制修復(fù)體模型，修復(fù)體模型使用的材料為步驟(5)中所制得的鈦粉以及熱塑性樹脂粉末，修復(fù)體模型中熱塑性樹脂粉末的含量為6wt %，在純度為99.4 %的惰性氬氣保護(hù)下，以CO2激光器為熱源，對混合粉末進(jìn)行燒結(jié)成形，得到修復(fù)體模型坯件，激光功率為35W;在惰性氣體保護(hù)下，將修復(fù)體模型坯件放入脫脂爐內(nèi)，直接進(jìn)行熱脫脂;脫脂溫度為400°C，保溫時(shí)間為2h，脫除速率為:TC/min;在惰性氣體保護(hù)下，將修復(fù)體模型坯件放入燒結(jié)爐內(nèi)，進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，最終得到修復(fù)體模型，燒結(jié)溫度為1000°C，保溫時(shí)間為2h，升溫速率為:TC/min;然后進(jìn)行模壓塑性變形，并在預(yù)鍛和終鍛中間安排預(yù)熱和熱處理，獲得所需要的修復(fù)體模型坯件的形狀和尺寸;進(jìn)行均勻化退火，用噴砂機(jī)打磨修復(fù)體模型的凸面及其邊緣，最后手工打磨，直至修復(fù)體模型表面達(dá)到技術(shù)要求，進(jìn)而對其進(jìn)行超聲波清洗和消毒處理;將制作好的修復(fù)體模型與步驟(5)中制成的二維合金網(wǎng)片貼合比較，并進(jìn)行壓制，在壓制過程中把二維合金網(wǎng)片反復(fù)與修復(fù)體模型比較，直至兩者完全吻合，并修剪所述鈦合金網(wǎng)。
[0062](7)將步驟(6)中制得的產(chǎn)品置于溫度為60 0C、濃度為7.5moI的NaOH溶液中浸泡3h，之后用水清洗后使其干燥，然后放入36.5°C的SBF緩沖液中浸泡18h，清洗后干燥進(jìn)行熱處理，以5°C/min的速率加熱至630°C保溫30分鐘，然后關(guān)閉電源隨爐冷卻至室溫，制得最終的合金腦顱骨修復(fù)體。
[0063]所述熱塑性樹脂為聚乙烯。
[0064]所述壓制過程中用塑料薄膜將二維合金網(wǎng)片封住。
[0065]所述模壓塑性變形中用到的模壓模具材料為Cr12MoV,預(yù)鍛前預(yù)熱溫度為390°C，終鍛后安排T4熱處理工藝。
[0066]所述所述鈦粉和熱塑性樹脂粉末的粒徑分別為:180目和400目。
[0067]為保證效果，所用的聚乙烯粉末可在以氫氣為調(diào)節(jié)劑，采用粒度為0.3μπι的四氯化鈦催化劑，在反應(yīng)溫度80°C、反應(yīng)壓力為0.9MPa，攪拌轉(zhuǎn)速為300?500RPM的條件下制得。
[0068]本發(fā)明的方法完成了金屬修復(fù)體的邊緣界定和設(shè)計(jì)，不僅能確保修復(fù)體邊緣與顱骨缺損邊界完美貼合，而且因輪廓邊緣光滑而避免了對周圍軟組織的刺激與損傷。本發(fā)明方法制備的合金腦顱骨修復(fù)體不僅可實(shí)現(xiàn)修復(fù)體本身的修復(fù)功能，還可保證手術(shù)的精確性，獲得更好的顱骨修復(fù)后的外形效果，而且降低了軟組織刺激及損傷風(fēng)險(xiǎn)。
[0069]本發(fā)明面對不同患者的需求，能夠個(gè)性化設(shè)計(jì)，并直接制備出任意復(fù)雜形狀和高尺寸精度的合金腦顱骨修復(fù)體，可實(shí)現(xiàn)對修復(fù)套顯微組織和力學(xué)性能的控制，本發(fā)明方法所制備出的合金腦顱骨修復(fù)體力學(xué)性能優(yōu)異，其彈性模量和強(qiáng)度與自然骨匹配，可滿足作為生物醫(yī)用材料所需要的生物力學(xué)相容性要求。
[0070]本發(fā)明所述的方法可實(shí)現(xiàn)顱骨修復(fù)體的精確成型，并且不易受顱骨修復(fù)假體形狀、薄厚程度等的限制;且合金腦顱骨修復(fù)體具有優(yōu)良的生物學(xué)性能，便于臨床賦形。
[0071]本發(fā)明方法的工藝生產(chǎn)工序少、成本低、可操作性及重復(fù)性強(qiáng)，適合工業(yè)化推廣。
[0072]以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非是對本發(fā)明作其它形式的限制，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員可能利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容加以變更或改型為等同變化的等效實(shí)施例。但是凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對以上實(shí)施例所作的任何簡單修改、等同變化與改型，仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種合金腦顱骨修復(fù)體的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)利用計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)(CT)方式獲取患者顱骨圖像數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)的掃描間距為1.7?1.9mm，獲得的圖像數(shù)據(jù)用標(biāo)準(zhǔn)DICOM文件格式儲存于計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，得到顱骨缺損輪廓； (2)將DICOM格式的CT圖像數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)字化三維醫(yī)學(xué)影像交互式處理軟件Mimics中進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取、分割及三維重建，選取分割后顱骨圖像的任一象素點(diǎn)，則與此象素點(diǎn)連接的三維區(qū)域均被臨時(shí)記錄下來，提取顱骨的灰度閾值范圍為505?2055;顱骨三維成型后，通過Mimics的鏡像功能將健側(cè)顱骨對稱復(fù)制到缺損部位，再利用透明功能使缺損形狀及邊緣可見，利用多面體分割功能沿著缺損邊緣切割修復(fù)體模型并進(jìn)行分離;提取完成后以STL格式輸出修復(fù)體，并且存放有醫(yī)學(xué)圖象控制系統(tǒng)軟件的計(jì)算機(jī)輸出三維重建生成的顱骨模型； (3)利用逆向工程軟件Surfacer對顱骨缺損進(jìn)行修補(bǔ)、CAD設(shè)計(jì)出個(gè)體化的顱骨缺損修復(fù)體，調(diào)整顱骨原型的位置，并提取出修復(fù)體曲面數(shù)據(jù)，根據(jù)顱骨缺損模型確定金屬修復(fù)體的邊緣輪廓，采用逆向設(shè)計(jì)、CAD設(shè)計(jì)出金屬修復(fù)體的曲面形狀，最后根據(jù)該修復(fù)體的曲面對金屬修復(fù)體進(jìn)行塑形； (4)將步驟(3)中所獲得的曲面數(shù)據(jù)在有限元分析軟件Deform、autoform或Dynaform中通過計(jì)算、數(shù)據(jù)處理功能，根據(jù)修復(fù)體曲面，綜合金屬材料的彎曲、拉伸、壓延的塑性變形因素，反求出顱骨修復(fù)體平面狀態(tài)的邊緣輪廓和面積大小，獲得二維平面的修復(fù)體； (5)根據(jù)步驟(4)中獲得的二維平面的修復(fù)體，制作二維的合金網(wǎng)片:以海綿鈦為原料，將海綿鈦與氫氣混合，保持氫氣正壓為0.06?0.07MPa，在680?700 °C保溫30?40min，確保海綿鈦與氫氣充分反應(yīng)后降溫冷卻;然后對海綿鈦采用氣流磨進(jìn)行破碎，氣流磨的轉(zhuǎn)速控制在1100r/min?1200r/min，破碎得到粒度為15?30um的氫化鈦粉末;將上述氫化鈦粉末作為原料，采用氬氣作為氣體射頻等離子體進(jìn)行脫氫及球化處理，射頻等離子體輸出功率為65kw?75kw;并采用氬氣作為保護(hù)氣，保護(hù)氣流量為0.8m3/h?1.2m3/h，使形成穩(wěn)定的等離子炬;然后采用氬氣作為載氣將氫化鈦粉輸送至等離子炬中央，送氫化鈦粉末的速率選擇在150g/min?200g/min，氫化鈦粉在下落過程中經(jīng)過等離子炬受熱熔融，并在氬氣的保護(hù)下沉積在收集罐中，即得鈦粉;將制得的鈦粉、選用金屬鎂粉、金屬鉬粉采用球磨工藝進(jìn)行機(jī)械混合均勻，上述混合的粉末中金屬鎂粉的含量為5?10wt%、金屬鉬粉的含量為3?5wt %，余量為鈦粉，球磨工藝的球料比為2.5:1?1.5:1，球磨時(shí)間為5?8h，轉(zhuǎn)速為50?80r/min;并對混合的粉末進(jìn)行冷等靜壓，冷等靜壓的壓力為200?300Mpa，保壓時(shí)間為10?15min;在真空爐中對混合粉末進(jìn)行激光燒結(jié)成形，獲得燒結(jié)粉末合金坯體，真空燒結(jié)時(shí)真空度要< 10—3Pa，燒結(jié)保溫時(shí)間為2.5?3.5h，激光功率為20?30W，坯體表面涂玻璃潤滑劑保護(hù)，然后對坯體進(jìn)行機(jī)械加工，制成二維的合金網(wǎng)片，網(wǎng)片的厚度為40?60μπι; (6)根據(jù)在步驟(3)中提取的修復(fù)體曲面數(shù)據(jù)，燒制修復(fù)體模型，修復(fù)體模型使用的材料為步驟(5)中所制得的鈦粉以及熱塑性樹脂粉末，修復(fù)體模型中熱塑性樹脂粉末的含量為5?7wt%，在純度為99.3%?99.5%的惰性氬氣保護(hù)下，以⑶2激光器為熱源，對混合粉末進(jìn)行燒結(jié)成形，得到修復(fù)體模型坯件，激光功率為32?38W;在惰性氣體保護(hù)下，將修復(fù)體模型坯件放入脫脂爐內(nèi)，直接進(jìn)行熱脫脂;脫脂溫度為350?450°C，保溫時(shí)間為1.5?2.5h，脫除速率為2?4°C/min；在惰性氣體保護(hù)下，將修復(fù)體模型坯件放入燒結(jié)爐內(nèi)，進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，最終得到修復(fù)體模型，燒結(jié)溫度為900?11000C，保溫時(shí)間為1.5?2.5h，升溫速率為2.5?3.5°C/min;然后進(jìn)行模壓塑性變形，并在預(yù)鍛和終鍛中間安排預(yù)熱和熱處理，獲得所需要的修復(fù)體模型坯件的形狀和尺寸;進(jìn)行均勻化退火，用噴砂機(jī)打磨修復(fù)體模型的凸面及其邊緣，最后手工打磨，直至修復(fù)體模型表面達(dá)到技術(shù)要求，進(jìn)而對其進(jìn)行超聲波清洗和消毒處理;將制作好的修復(fù)體模型與步驟(5)中制成的二維合金網(wǎng)片貼合比較，并進(jìn)行壓制，在壓制過程中把二維合金網(wǎng)片反復(fù)與修復(fù)體模型比較，直至兩者完全吻合，并修剪所述鈦合金網(wǎng)。 (7)將步驟(6)中制得的產(chǎn)品置于溫度為55?65 0C、濃度為7?8moI的NaOH溶液中浸泡2?4h，之后用水清洗后使其干燥，然后放入36?37°C的SBF緩沖液中浸泡15?20h，清洗后干燥進(jìn)行熱處理，以5°C/min的速率加熱至625?635°C保溫25?35分鐘，然后關(guān)閉電源隨爐冷卻至室溫，制得最終的合金腦顱骨修復(fù)體。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的合金腦顱骨修復(fù)體的制備方法，其特征在于，所述熱塑性樹脂為聚乙烯。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的合金腦顱骨修復(fù)體的制備方法，其特征在于，所述壓制過程中用塑料薄膜將二維合金網(wǎng)片封住。4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的合金腦顱骨修復(fù)體的制備方法，其特征在于，所述模壓塑性變形中用到的模壓模具材料為Cr12MoV,預(yù)鍛前預(yù)熱溫度為380?400°C，終鍛后安排T4熱處理工藝。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的合金腦顱骨修復(fù)體的制備方法，其特征在于，所述所述鈦粉和熱塑性樹脂粉末的粒徑分別為:150?200目和300?500目。6.根據(jù)權(quán)利要求1-5所述的合金腦顱骨修復(fù)體的制備方法，其特征在于，在步驟(7)后還可對合金腦顱骨修復(fù)體再次進(jìn)行消毒和烘干，并妥善保存。
【文檔編號】G06F19/00GK105893769SQ201610220575
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年4月11日
【發(fā)明人】劉國遠(yuǎn)
【申請人】劉國遠(yuǎn)