專利名稱：用于下頜骨缺損組織工程化修復(fù)的個性化支架的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種下頌骨缺損修復(fù)用組織工程支架的制造方法。
背景技術(shù)：
組織工程是應(yīng)用工程與生命科學(xué)的原理與方法來認(rèn)識哺乳類組織(正?；虿±頎顟B(tài)下)的結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系，并研制人工生物材料以便恢復(fù)、維持或改善其功能。組織工程作為面向移植而產(chǎn)生功能組織和器官的科學(xué)和技術(shù)，集成了 CT/MRI等圖像測量技術(shù)、三維重建技術(shù)、快速原型技術(shù)、材料工程技術(shù)、生物工程技術(shù)等不同的學(xué)科領(lǐng)域。其基本原則是組織可以從病人身上分離出來，在特殊材料制成的組織支架中生長和擴(kuò)張，最終形成支架引導(dǎo)的三維組織。這樣，生成的三維組織可以移植到同一個病人中，以替代病變組織的功能。組織能夠再生主要在于組織支架的結(jié)構(gòu)上的可成形性和支架在種子細(xì)胞作用下的生物反應(yīng)器功能。支架由諸如孔、纖維、膜等結(jié)構(gòu)元素通過隨機(jī)、分形或周期分布規(guī)律組合而成，通過工程方法可以被復(fù)制和制造。當(dāng)一個三維組織結(jié)構(gòu)被用于開發(fā)人工替代組織時，可以對支架結(jié)構(gòu)中的生物材料進(jìn)行工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以優(yōu)化結(jié)構(gòu)并滿足一定的營養(yǎng)條件。近年來，由于腫瘤、感染、交通事故等原因造成的頌面特別是下頌缺損具有逐年增多的趨勢，僅在歐洲每年就有150萬人需要進(jìn)行顱頌面外科手術(shù)進(jìn)行骨重建，其中有相當(dāng)大一部分是下頌骨的手術(shù)。下頌缺損修復(fù)的難點(diǎn)在于修復(fù)手術(shù)必須恢復(fù)患者容貌和口腔的咀嚼等功能，因此對植入體的外形和結(jié)構(gòu)有特殊要求。目前的下頌缺損修復(fù)手術(shù)主要采用自體骨移植和金屬修復(fù)體植入兩種修復(fù)方式，自體骨移植修復(fù)會造成取骨部位的二次創(chuàng)傷，而且供骨的大小有限，同時植入時由于血管化手術(shù)非常困難，造成植入體血供不足，導(dǎo)致自體骨植入體吸收很難控制，影響修復(fù)效果。金屬植入物修復(fù)時，雖然目前根據(jù)患者自身骨骼結(jié)構(gòu)的個性化定制技術(shù)已經(jīng)比較成熟，但植入體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制造面臨諸多困難，導(dǎo)致植入手術(shù)后金屬植入體與周圍骨骼的骨結(jié)合效果不佳，從而影響長久修復(fù)的效果。針對目前下頌骨缺損修復(fù)中存在的問題，本發(fā)明提出一種與病人面部結(jié)構(gòu)相匹配的個性化支架，通過具有良好生物相容性的生物材料快速成型制造出來，經(jīng)過生物培養(yǎng)和植入手術(shù)后，用于下頌骨缺損的組織工程化修復(fù)。應(yīng)用該支架一方面可以較好的恢復(fù)患者的外表和容貌；另一方面，通過支架降解并引導(dǎo)新骨生長，最終使骨缺損部位完全被患者自身生成的骨骼取代，在完成種植牙修復(fù)后，使患者口腔功能得到完全恢復(fù)。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服已有下頌骨缺損修復(fù)過程的植入手術(shù)后金屬植入體與周圍骨骼的骨結(jié)合效果不佳，影響長久修復(fù)的效果的不足，本發(fā)明提供一種植入體與周圍骨骼的骨結(jié)合效果良好、有利于長久修復(fù)的用于下頌骨缺損組織工程化修復(fù)的個性化支架的制造方法。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種用于下頌骨缺損組織工程化修復(fù)的個性化支架的制造方法，通過患者CT數(shù)據(jù)重建出下頌骨的原始模型后，利用鏡像算法或者曲面補(bǔ)孔的方式設(shè)計(jì)出修復(fù)模型，然后通過切割算法得到缺損區(qū)域的修復(fù)體，得到個性化外形，再通過支架外部形狀和內(nèi)部微結(jié)構(gòu)之間的BOOL運(yùn)算，得到個性支架的設(shè)計(jì)模型，最后通過SLS方法以生物材料制造出個性化支架。進(jìn)一步，所述制造方法包括以下步驟1) CT數(shù)據(jù)采集拍攝患者口腔部位的CT圖像；2)下頌骨原型的三維模型重建利用三維重建軟件重建患者口腔部位的骨骼模型，重建模型包括牙齒、下頌神經(jīng)管；3)下頌骨的修復(fù)模型設(shè)計(jì)根據(jù)下頌骨缺損所在的區(qū)域位置不同，提供兩種修復(fù)方案(3. 1)當(dāng)缺損區(qū)域沒有跨中心對稱平面，利用鏡像方法將健側(cè)的骨骼對稱到患側(cè)， 并替換掉破損骨骼，通過模型合并算法得到完整的修復(fù)模型；(3.2)當(dāng)缺損區(qū)域跨過了中心對稱平面，利用曲面補(bǔ)孔的方式進(jìn)行修復(fù)，即根據(jù)缺損區(qū)域周邊曲面的曲率變化，設(shè)計(jì)修補(bǔ)曲面使其與周圍邊界曲面曲率連續(xù)；4)設(shè)計(jì)修復(fù)假體，得到個性化支架的外形將在下頌骨原形的模型上設(shè)計(jì)出缺損區(qū)域的截骨線，利用該截骨線在修復(fù)模型上將修復(fù)假體切割分離出來，該修復(fù)假體的外形即為個性化支架的外形；5)設(shè)計(jì)支架的內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)笛卡爾正交桁架結(jié)構(gòu)作為內(nèi)部連通孔的基本單元， 首先生成基本單元，然后分別通過向X、Y、Z三個坐標(biāo)方向的陣列運(yùn)算得到內(nèi)部連通孔的運(yùn)算框架；6)將修復(fù)假體與內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行布爾運(yùn)算，得到個性化支架；7)利用SLS快速成型制造方法，采用生物材料制造出個性化支架。更進(jìn)一步，所述步驟(3.2)中，補(bǔ)孔過程中，如果孔洞大小超出預(yù)設(shè)值，利用鏡像模型作為輔助得到部分修補(bǔ)數(shù)據(jù)。本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為個性化支架是將個性化外形、內(nèi)部微結(jié)構(gòu)經(jīng)BOOL運(yùn)算設(shè)計(jì)后，通過SLS方法制造出來，經(jīng)體外培養(yǎng)和生物方法處理后，手術(shù)植入體內(nèi)進(jìn)行骨重建修復(fù)，最終通過牙種植恢復(fù)患者口腔全部功能的個性化支架，所述個性化外形由如下方法制備(1)重建出下頌骨的原始模型，⑵設(shè)計(jì)修復(fù)模型，⑶獲得缺損區(qū)域的修復(fù)體，所述內(nèi)部微結(jié)構(gòu)是根據(jù)力學(xué)和生物學(xué)約束轉(zhuǎn)換來的幾何約束設(shè)計(jì)的規(guī)則的微結(jié)構(gòu)，所述體外培養(yǎng)是將生長因子和骨原細(xì)胞加入個性化支架中進(jìn)行的，所述幾何約束是指孔隙率、孔徑。具體的，所述的方法是通過患者CT數(shù)據(jù)重建出下頌骨的原始模型后，利用鏡像算法或者曲面補(bǔ)孔的方式設(shè)計(jì)出修復(fù)模型，然后通過切割算法得到缺損區(qū)域的修復(fù)體，得到個性化外形，再通過支架外部形狀和內(nèi)部微結(jié)構(gòu)之間的BOOL運(yùn)算，通過SLS方法制造出來， 加入生長因子和骨原細(xì)胞進(jìn)行體外培養(yǎng)和生物方法處理后，手術(shù)植入體內(nèi)進(jìn)行骨重建修復(fù)，最終通過牙種植恢復(fù)患者的全部功能。本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在可以快速制造出具有良好生物相容性的生物材料，經(jīng)過生物培養(yǎng)和植入手術(shù)后，用于下頌骨缺損的組織工程化修復(fù)。應(yīng)用該支架可以較好的恢復(fù)患者的外表和容貌，并通過支架降解并引導(dǎo)新骨生長，最終使骨缺損部位完全被患者自身生成的骨骼取代，在完成種植牙修復(fù)后，使患者口腔功能得到完全恢復(fù)。


圖1是缺損區(qū)域的位置圖。圖2是基于鏡像算法的修復(fù)模型設(shè)計(jì)圖，其中，(a)是原始模型，(b)是鏡像模型， (c)是缺損修復(fù)體，(d)是修復(fù)模型。圖3是利用鏡像與補(bǔ)孔的修復(fù)模型設(shè)計(jì)圖，其中，(a)是原始模型，(b)是鏡像模型，(c)是缺損修復(fù)體，(d)是合并模型，(e)是補(bǔ)孔；(f)是修復(fù)模型。圖4是修復(fù)假體圖。圖5是正交桁架結(jié)構(gòu)圖。圖6是支架結(jié)構(gòu)基本單元圖。圖7是內(nèi)部結(jié)構(gòu)運(yùn)算框架圖。圖8是個性化支架圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。參照圖1，一種用于下頌骨缺損組織工程化修復(fù)的個性化支架的制造方法，通過患者CT數(shù)據(jù)重建出下頌骨的原始模型后，利用鏡像算法或者曲面補(bǔ)孔的方式設(shè)計(jì)出修復(fù)模型，然后通過切割算法得到缺損區(qū)域的修復(fù)體，得到個性化外形，再通過支架外部形狀和內(nèi)部微結(jié)構(gòu)之間的BOOL運(yùn)算，得到個性支架的設(shè)計(jì)模型，最后通過SLS方法以生物材料制造出個性化支架。本實(shí)施例中，制造方法應(yīng)用到下頌骨的缺損修復(fù)過程中，具體包括以下步驟1)CT數(shù)據(jù)采集拍攝患者口腔部位的CT圖像；2)下頌骨原型的三維模型重建利用三維重建軟件重建患者口腔部位的骨骼模型，重建模型包括牙齒、下頌神經(jīng)管；3)下頌骨的修復(fù)模型設(shè)計(jì)根據(jù)圖1所示下頌骨缺損所在的區(qū)域位置不同，提供兩種修復(fù)模型設(shè)計(jì)方法。(3. 1)當(dāng)缺損區(qū)域位于圖1中所示的1和2區(qū)域時，由于缺損部位沒有跨中心對稱平面，所以利用鏡像方法將健側(cè)的骨骼對稱到患側(cè)，并替換掉破損骨骼，通過模型合并算法得到完整的修復(fù)模型。如圖2所示。(3. 2)當(dāng)缺損區(qū)域位于圖1中所示的第3區(qū)域時，由于缺損部位跨過了中心對稱平面，所以利用曲面補(bǔ)孔的方式進(jìn)行修復(fù)，即根據(jù)缺損區(qū)域周邊曲面的曲率變化，設(shè)計(jì)修補(bǔ)曲面使其與周圍邊界曲面曲率連續(xù)。補(bǔ)孔過程中，如果孔洞較大，可以利用鏡像模型作為輔助得到部分修補(bǔ)數(shù)據(jù)，以提高所補(bǔ)曲面的真實(shí)性。如圖3所示。4)設(shè)計(jì)修復(fù)假體，得到個性化支架的外形將在下頌骨原形的模型上設(shè)計(jì)出缺損區(qū)域的截骨線，利用該截骨線在修復(fù)模型上將修復(fù)假體切割分離出來。該修復(fù)假體的外形即為個性化支架的外形，如圖4所示。5)設(shè)計(jì)支架的內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)圖5所示的笛卡爾正交桁架結(jié)構(gòu)作為內(nèi)部連通孔的基本單元，通過調(diào)節(jié)圖中圓軸直徑r和兩圓軸的中心距t兩個參數(shù)來改變支架的孔隙率。首先生成圖6所示的基本單元，然后分別通過向X、Y、Z三個坐標(biāo)方向的陣列運(yùn)算得到內(nèi)部連通孔的運(yùn)算框架，如圖7所示。6)將修復(fù)假體與內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行布爾運(yùn)算，得到個性化支架，如圖8所示。7)利用SLS快速成型制造方法，以聚醋酸乙酯(PCL)為生物材料，制造出個性化支架。8)該支架經(jīng)過體外培養(yǎng)和體內(nèi)植入后，可用于下頌骨的缺損修復(fù)。
權(quán)利要求
1.一種用于下頌骨缺損組織工程化修復(fù)的個性化支架的制造方法，其特征在于通過患者CT數(shù)據(jù)重建出下頌骨的原始模型后，利用鏡像算法或者曲面補(bǔ)孔的方式設(shè)計(jì)出修復(fù)模型，然后通過切割算法得到缺損區(qū)域的修復(fù)體，得到個性化外形，再通過支架外部形狀和內(nèi)部微結(jié)構(gòu)之間的BOOL運(yùn)算，得到個性支架的設(shè)計(jì)模型，最后通過SLS方法以生物材料制造出個性化支架。
2.如權(quán)利要求1所述的用于下頌骨缺損組織工程化修復(fù)的個性化支架的制造方法，其特征在于所述制造方法包括以下步驟DCT數(shù)據(jù)采集拍攝患者口腔部位的CT圖像；2)下頌骨原型的三維模型重建利用三維重建軟件重建患者口腔部位的骨骼模型，重建模型包括牙齒、下頌神經(jīng)管；3)下頌骨的修復(fù)模型設(shè)計(jì)根據(jù)下頌骨缺損所在的區(qū)域位置不同，提供兩種修復(fù)方案(3. 1)當(dāng)缺損區(qū)域沒有跨中心對稱平面，利用鏡像方法將健側(cè)的骨骼對稱到患側(cè)，并替換掉破損骨骼，通過模型合并算法得到完整的修復(fù)模型；(3.2)當(dāng)缺損區(qū)域跨過了中心對稱平面，利用曲面補(bǔ)孔的方式進(jìn)行修復(fù)，即根據(jù)缺損區(qū)域周邊曲面的曲率變化，設(shè)計(jì)修補(bǔ)曲面使其與周圍邊界曲面曲率連續(xù)；4)設(shè)計(jì)修復(fù)假體，得到個性化支架的外形將在下頌骨原形的模型上設(shè)計(jì)出缺損區(qū)域的截骨線，利用該截骨線在修復(fù)模型上將修復(fù)假體切割分離出來，該修復(fù)假體的外形即為個性化支架的外形；5)設(shè)計(jì)支架的內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)笛卡爾正交桁架結(jié)構(gòu)作為內(nèi)部連通孔的基本單元，首先生成基本單元，然后分別通過向X、Y、Z三個坐標(biāo)方向的陣列運(yùn)算得到內(nèi)部連通孔的運(yùn)算框架；6)將修復(fù)假體與內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行布爾運(yùn)算，得到個性化支架；7)利用SLS快速成型制造方法，采用生物材料制造出個性化支架。
3.如權(quán)利要求2所述的用于下頌骨缺損組織工程化修復(fù)的個性化支架的制造方法，其特征在于所述步驟(3.2)中，補(bǔ)孔過程中，如果孔洞大小超出預(yù)設(shè)值，利用鏡像模型作為輔助得到部分修補(bǔ)數(shù)據(jù)。
全文摘要
一種用于下頜骨缺損組織工程化修復(fù)的個性化支架的制造方法，通過患者CT數(shù)據(jù)重建出下頜骨的原始模型后，利用鏡像算法或者曲面補(bǔ)孔的方式設(shè)計(jì)出修復(fù)模型，然后通過切割算法得到缺損區(qū)域的修復(fù)體，得到個性化外形，再通過支架外部形狀和內(nèi)部微結(jié)構(gòu)之間的BOOL運(yùn)算，通過SLS方法制造出來，以生物材料制造出個性化支架。本發(fā)明提供一種植入體與周圍骨骼的骨結(jié)合效果良好、有利于長久修復(fù)的用于下頜骨缺損組織工程化修復(fù)的個性化支架的制造方法。
文檔編號A61F2/28GK102415920SQ201110212168
公開日2012年4月18日 申請日期2011年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月27日
發(fā)明者劉云峰 申請人:浙江工業(yè)大學(xué)