专利名称：用于下颌骨缺损组织工程化修复的个性化支架的制造方法
技术领域：
本发明涉及一种下颂骨缺损修复用组织工程支架的制造方法。
背景技术：
组织工程是应用工程与生命科学的原理与方法来认识哺乳类组织(正常或病理状态下)的结构与功能的关系，并研制人工生物材料以便恢复、维持或改善其功能。组织工程作为面向移植而产生功能组织和器官的科学和技术，集成了 CT/MRI等图像测量技术、三维重建技术、快速原型技术、材料工程技术、生物工程技术等不同的学科领域。其基本原则是组织可以从病人身上分离出来，在特殊材料制成的组织支架中生长和扩张，最终形成支架引导的三维组织。这样，生成的三维组织可以移植到同一个病人中，以替代病变组织的功能。组织能够再生主要在于组织支架的结构上的可成形性和支架在种子细胞作用下的生物反应器功能。支架由诸如孔、纤维、膜等结构元素通过随机、分形或周期分布规律组合而成，通过工程方法可以被复制和制造。当一个三维组织结构被用于开发人工替代组织时，可以对支架结构中的生物材料进行工程结构设计，以优化结构并满足一定的营养条件。近年来，由于肿瘤、感染、交通事故等原因造成的颂面特别是下颂缺损具有逐年增多的趋势，仅在欧洲每年就有150万人需要进行颅颂面外科手术进行骨重建，其中有相当大一部分是下颂骨的手术。下颂缺损修复的难点在于修复手术必须恢复患者容貌和口腔的咀嚼等功能，因此对植入体的外形和结构有特殊要求。目前的下颂缺损修复手术主要采用自体骨移植和金属修复体植入两种修复方式，自体骨移植修复会造成取骨部位的二次创伤，而且供骨的大小有限，同时植入时由于血管化手术非常困难，造成植入体血供不足，导致自体骨植入体吸收很难控制，影响修复效果。金属植入物修复时，虽然目前根据患者自身骨骼结构的个性化定制技术已经比较成熟，但植入体内部结构的设计和制造面临诸多困难，导致植入手术后金属植入体与周围骨骼的骨结合效果不佳，从而影响长久修复的效果。针对目前下颂骨缺损修复中存在的问题，本发明提出一种与病人面部结构相匹配的个性化支架，通过具有良好生物相容性的生物材料快速成型制造出来，经过生物培养和植入手术后，用于下颂骨缺损的组织工程化修复。应用该支架一方面可以较好的恢复患者的外表和容貌；另一方面，通过支架降解并引导新骨生长，最终使骨缺损部位完全被患者自身生成的骨骼取代，在完成种植牙修复后，使患者口腔功能得到完全恢复。
发明内容
为了克服已有下颂骨缺损修复过程的植入手术后金属植入体与周围骨骼的骨结合效果不佳，影响长久修复的效果的不足，本发明提供一种植入体与周围骨骼的骨结合效果良好、有利于长久修复的用于下颂骨缺损组织工程化修复的个性化支架的制造方法。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种用于下颂骨缺损组织工程化修复的个性化支架的制造方法，通过患者CT数据重建出下颂骨的原始模型后，利用镜像算法或者曲面补孔的方式设计出修复模型，然后通过切割算法得到缺损区域的修复体，得到个性化外形，再通过支架外部形状和内部微结构之间的BOOL运算，得到个性支架的设计模型，最后通过SLS方法以生物材料制造出个性化支架。进一步，所述制造方法包括以下步骤1) CT数据采集拍摄患者口腔部位的CT图像；2)下颂骨原型的三维模型重建利用三维重建软件重建患者口腔部位的骨骼模型，重建模型包括牙齿、下颂神经管；3)下颂骨的修复模型设计根据下颂骨缺损所在的区域位置不同，提供两种修复方案(3. 1)当缺损区域没有跨中心对称平面，利用镜像方法将健侧的骨骼对称到患侧， 并替换掉破损骨骼，通过模型合并算法得到完整的修复模型；(3.2)当缺损区域跨过了中心对称平面，利用曲面补孔的方式进行修复，即根据缺损区域周边曲面的曲率变化，设计修补曲面使其与周围边界曲面曲率连续；4)设计修复假体，得到个性化支架的外形将在下颂骨原形的模型上设计出缺损区域的截骨线，利用该截骨线在修复模型上将修复假体切割分离出来，该修复假体的外形即为个性化支架的外形；5)设计支架的内部多孔结构笛卡尔正交桁架结构作为内部连通孔的基本单元， 首先生成基本单元，然后分别通过向X、Y、Z三个坐标方向的阵列运算得到内部连通孔的运算框架；6)将修复假体与内部结构模型进行布尔运算，得到个性化支架；7)利用SLS快速成型制造方法，采用生物材料制造出个性化支架。更进一步，所述步骤(3.2)中，补孔过程中，如果孔洞大小超出预设值，利用镜像模型作为辅助得到部分修补数据。本发明的技术构思为个性化支架是将个性化外形、内部微结构经BOOL运算设计后，通过SLS方法制造出来，经体外培养和生物方法处理后，手术植入体内进行骨重建修复，最终通过牙种植恢复患者口腔全部功能的个性化支架，所述个性化外形由如下方法制备(1)重建出下颂骨的原始模型，⑵设计修复模型，⑶获得缺损区域的修复体，所述内部微结构是根据力学和生物学约束转换来的几何约束设计的规则的微结构，所述体外培养是将生长因子和骨原细胞加入个性化支架中进行的，所述几何约束是指孔隙率、孔径。具体的，所述的方法是通过患者CT数据重建出下颂骨的原始模型后，利用镜像算法或者曲面补孔的方式设计出修复模型，然后通过切割算法得到缺损区域的修复体，得到个性化外形，再通过支架外部形状和内部微结构之间的BOOL运算，通过SLS方法制造出来， 加入生长因子和骨原细胞进行体外培养和生物方法处理后，手术植入体内进行骨重建修复，最终通过牙种植恢复患者的全部功能。本发明的有益效果主要表现在可以快速制造出具有良好生物相容性的生物材料，经过生物培养和植入手术后，用于下颂骨缺损的组织工程化修复。应用该支架可以较好的恢复患者的外表和容貌，并通过支架降解并引导新骨生长，最终使骨缺损部位完全被患者自身生成的骨骼取代，在完成种植牙修复后，使患者口腔功能得到完全恢复。
图1是缺损区域的位置图。图2是基于镜像算法的修复模型设计图，其中，(a)是原始模型，(b)是镜像模型， (c)是缺损修复体，(d)是修复模型。图3是利用镜像与补孔的修复模型设计图，其中，(a)是原始模型，(b)是镜像模型，(c)是缺损修复体，(d)是合并模型，(e)是补孔；(f)是修复模型。图4是修复假体图。图5是正交桁架结构图。图6是支架结构基本单元图。图7是内部结构运算框架图。图8是个性化支架图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步描述。参照图1，一种用于下颂骨缺损组织工程化修复的个性化支架的制造方法，通过患者CT数据重建出下颂骨的原始模型后，利用镜像算法或者曲面补孔的方式设计出修复模型，然后通过切割算法得到缺损区域的修复体，得到个性化外形，再通过支架外部形状和内部微结构之间的BOOL运算，得到个性支架的设计模型，最后通过SLS方法以生物材料制造出个性化支架。本实施例中，制造方法应用到下颂骨的缺损修复过程中，具体包括以下步骤1)CT数据采集拍摄患者口腔部位的CT图像；2)下颂骨原型的三维模型重建利用三维重建软件重建患者口腔部位的骨骼模型，重建模型包括牙齿、下颂神经管；3)下颂骨的修复模型设计根据图1所示下颂骨缺损所在的区域位置不同，提供两种修复模型设计方法。(3. 1)当缺损区域位于图1中所示的1和2区域时，由于缺损部位没有跨中心对称平面，所以利用镜像方法将健侧的骨骼对称到患侧，并替换掉破损骨骼，通过模型合并算法得到完整的修复模型。如图2所示。(3. 2)当缺损区域位于图1中所示的第3区域时，由于缺损部位跨过了中心对称平面，所以利用曲面补孔的方式进行修复，即根据缺损区域周边曲面的曲率变化，设计修补曲面使其与周围边界曲面曲率连续。补孔过程中，如果孔洞较大，可以利用镜像模型作为辅助得到部分修补数据，以提高所补曲面的真实性。如图3所示。4)设计修复假体，得到个性化支架的外形将在下颂骨原形的模型上设计出缺损区域的截骨线，利用该截骨线在修复模型上将修复假体切割分离出来。该修复假体的外形即为个性化支架的外形，如图4所示。5)设计支架的内部多孔结构图5所示的笛卡尔正交桁架结构作为内部连通孔的基本单元，通过调节图中圆轴直径r和两圆轴的中心距t两个参数来改变支架的孔隙率。首先生成图6所示的基本单元，然后分别通过向X、Y、Z三个坐标方向的阵列运算得到内部连通孔的运算框架，如图7所示。6)将修复假体与内部结构模型进行布尔运算，得到个性化支架，如图8所示。7)利用SLS快速成型制造方法，以聚醋酸乙酯(PCL)为生物材料，制造出个性化支架。8)该支架经过体外培养和体内植入后，可用于下颂骨的缺损修复。
权利要求
1.一种用于下颂骨缺损组织工程化修复的个性化支架的制造方法，其特征在于通过患者CT数据重建出下颂骨的原始模型后，利用镜像算法或者曲面补孔的方式设计出修复模型，然后通过切割算法得到缺损区域的修复体，得到个性化外形，再通过支架外部形状和内部微结构之间的BOOL运算，得到个性支架的设计模型，最后通过SLS方法以生物材料制造出个性化支架。
2.如权利要求1所述的用于下颂骨缺损组织工程化修复的个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骤DCT数据采集拍摄患者口腔部位的CT图像；2)下颂骨原型的三维模型重建利用三维重建软件重建患者口腔部位的骨骼模型，重建模型包括牙齿、下颂神经管；3)下颂骨的修复模型设计根据下颂骨缺损所在的区域位置不同，提供两种修复方案(3. 1)当缺损区域没有跨中心对称平面，利用镜像方法将健侧的骨骼对称到患侧，并替换掉破损骨骼，通过模型合并算法得到完整的修复模型；(3.2)当缺损区域跨过了中心对称平面，利用曲面补孔的方式进行修复，即根据缺损区域周边曲面的曲率变化，设计修补曲面使其与周围边界曲面曲率连续；4)设计修复假体，得到个性化支架的外形将在下颂骨原形的模型上设计出缺损区域的截骨线，利用该截骨线在修复模型上将修复假体切割分离出来，该修复假体的外形即为个性化支架的外形；5)设计支架的内部多孔结构笛卡尔正交桁架结构作为内部连通孔的基本单元，首先生成基本单元，然后分别通过向X、Y、Z三个坐标方向的阵列运算得到内部连通孔的运算框架；6)将修复假体与内部结构模型进行布尔运算，得到个性化支架；7)利用SLS快速成型制造方法，采用生物材料制造出个性化支架。
3.如权利要求2所述的用于下颂骨缺损组织工程化修复的个性化支架的制造方法，其特征在于所述步骤(3.2)中，补孔过程中，如果孔洞大小超出预设值，利用镜像模型作为辅助得到部分修补数据。
全文摘要
一种用于下颌骨缺损组织工程化修复的个性化支架的制造方法，通过患者CT数据重建出下颌骨的原始模型后，利用镜像算法或者曲面补孔的方式设计出修复模型，然后通过切割算法得到缺损区域的修复体，得到个性化外形，再通过支架外部形状和内部微结构之间的BOOL运算，通过SLS方法制造出来，以生物材料制造出个性化支架。本发明提供一种植入体与周围骨骼的骨结合效果良好、有利于长久修复的用于下颌骨缺损组织工程化修复的个性化支架的制造方法。
文档编号A61F2/28GK102415920SQ201110212168
公开日2012年4月18日 申请日期2011年7月27日 优先权日2011年7月27日
发明者刘云峰 申请人:浙江工业大学