基于选择性激光熔化技术的人工颞下颌关节及其制造方法
【专利摘要】本发明提供一种基于选择性激光熔化技术的人工颞下颌关节，包括：髁突、髁突颈部和设有钉孔的钛板；与人体下颌结构相同地，髁突突起于髁突颈部上端的后缘；髁突颈部下端设有钛板。本发明采用选择性激光熔化技术对人工颞下颌关节进行3D打印成型，人工颞下颌关节根据每个患者下颌形状订制，与患者的下颌结构吻合程度极高。
【专利说明】基于选择性激光熔化技术的人工颞下颌关节及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及人工关节领域，具体是一种基于选择性激光熔化技术的人工颞下颌关节及其制造方法。
【背景技术】
[0002]颞下颌关节(TMJ)是颌面部具有转动和滑动运动的左右联动关节。肿瘤、创伤或骨折、先天性畸形和骨软骨炎可导致颞下颌关节占位性病变或关节强直，严重影响咀嚼、吞咽、语言等重要功能，而肿瘤切除、骨性颞下颌关节强直手术及严重损伤等原因可导致下颌骨髁突缺失。为恢复面下1/3高度及颞下颌关节功能，需行颞下颌关节重建术。颞下颌关节重建术是利用自体组织移植或人工关节假体植入，重建接近生理状态的关节结构，恢复下颌骨髁突的外形及功能，减轻患者疼痛，预防关节疾病的进一步发展。
[0003]现有技术中的，人工颞下颌关节一般使用成品人工关节，其关节形态单一，为平面带螺钉孔的钛板加上上端半圆形仿髁突结构。该结构不符合自然髁突的解剖形态，不能实现髁突的滑动以及转动结合的功能性运动；此外，多数髁突假体为批量生产的成品，尺寸设计难以满足每个患者的需要。
[0004]不难看出，现有技术还存在一定的缺陷。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是提供一种基于选择性激光熔化技术的人工颞下颌关节及其制造方法，采用选择性激光熔化技术对人工颞下颌关节进行3D打印成型，人工颞下颌关节根据每个患者下颌形状订制，与患者的下颌结构吻合程度极高。
[0006]一种基于选择 性激光熔化技术的人工颞下颌关节，包括:髁突、髁突颈部和设有钉孔的钛板；髁突突起于髁突颈部上端的后缘；所述钛板设置于髁突颈部下端。
[0007]进一步的，所述基于选择性激光熔化技术的人工颞下颌关节还包括喙突；所述喙突突起于髁突颈部上端的前缘。
[0008]进一步的，所述髁突、髁突颈部和喙突，分别与患者下颌健侧的髁突、髁突颈部和喙突的大小相等、形态对称。
[0009]进一步的，所述钛板上的钉孔数量不少于2个。
[0010]一种基于选择性激光熔化技术的人工颞下颌关节的制造方法，包括以下步骤:
[0011]S1、扫描，用CT扫描获取患者颞下颌的基础三维外形数据；
[0012]S2、建模，对基础三维外形数据进行处理，根据手术截骨情况，将健侧截断平面以上的髁突、髁突颈部及喙突结构做矢状面翻转，并在翻转后髁突颈部下端的颊侧添加与患者下颌骨表面完全吻合的钛板，以建立所述人工颞下颌关节的三维计算机模型；
[0013]S3、连接设计，对所述人工颞下颌关节的三维计算机模型进行连接设计；
[0014]S4、生成工艺参数，对所述人工颞下颌关节的三维计算机模型进行分层处理，生成相应的扫描路径，保存并导出相应的工艺参数；[0015]S5、3D打印，将所述工艺参数导入3D打印设备，进行3D打印；
[0016]S6、喷砂，对3D打印制得的半成品进行喷砂处理。
[0017]进一步的，所述步骤S5具体包括以下步骤:
[0018]S501、所述3D打印设备设有基板，在基板上均匀铺上钛粉层；
[0019]S502、利用高能激光按扫描路径扫描基板上的钛粉层，使钛粉层融化冷却固结在基板上；
[0020]S503、在已经固结的钛粉层上再铺上新的钛粉层，并按扫描路径对新的钛粉层进行激光扫描；
[0021]S504、重复步骤S503，直至人工颞下颌关节完全成型，再将成型的人工颞下颌关节从基板上取出。
[0022]进一步的，所述工艺参数包括人工颞下颌关节工件的摆放位置、摆放方式以及激光的扫描方式、扫描速度、功率和光斑直径。
[0023]进一步的，所述激光的功率为50-200W，激光的光斑直径为50-180 μ m，激光的扫描速度为50-500mm/s。
[0024]进一步的，所述钛粉层的厚度为10-80 μ m;所述钛粉层由球状颗粒纯钛粉末组成，球状颗粒纯钛粉末直径为10-100 μ m。
[0025]进一步的，所述步骤S501至步骤S504，人工颞下颌关节工件均在99.999wt.%的氩气保护环境中进行成型加工。`
[0026]本发明所提供的一种基于选择性激光熔化技术的人工颞下颌关节及其制造方法，采用选择性激光熔化技术对人工颞下颌关节进行3D打印成型，制造柔性程度高，人工颞下颌关节能根据患者的下颌结构个性订制，与患者下颌结构具有极高的吻合度。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0028]图1为本发明实施例提供的一种基于选择性激光熔化技术的人工颞下颌关节的结构示意图。
[0029]附图标记说明:
[0030]1、髁突2、髁突颈部
[0031]3、喙突4、钛板
[0032]5、钉孔
【具体实施方式】
[0033]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和附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。需要说明的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
[0034]实施例
[0035]请参阅图1，本发明提供一种基于选择性激光熔化技术的人工颞下颌关节，包括:髁突1、髁突颈部2和设有钉孔5的钛板4 ;与人体下颌结构相同地，髁突I突起于髁突颈部2上端的后缘；髁突颈部2下端设有钛板4。
[0036]所述的基于选择性激光熔化技术的人工颞下颌关节还包括喙突3 ;与人体下颌结构相同地，喙突3突起于髁突颈部2上端的前缘。
[0037]本发明的人工颞下颌关节结构，与人体下颌结构完全相同。所述的髁突1、髁突颈部2以及喙突3均为人体下颌的结构。需要说明的是，根据力学研究表明，喙突3在下颌关节中不起主要受力作用，为使本发明的人工颞下颌关节更轻量化，可以在医师或相关技术人员的判断下，省略喙突3结构。在颞下颌关节重建术中，所述的钛板4通过钛钉与人体的下颌升支刚性连接，使本发明人工颞下颌关节代替患者受损的下颌髁突I关节。
[0038]所述髁突1、髁突颈部2和喙突3，分别与患者下颌健侧的髁突1、髁突颈部2和喙突3的大小相等、形态对称。
[0039]与现有技术不同，本发明的人工颞下颌关节并非按单一规格批量生产的下颌假体成品，而是按患者下颌结构个性化订制而成。本发明的人工颞下颌关节的髁突1、髁突颈部2及喙突3，完全根据患者下颌健侧的髁突1、髁突颈部2及喙突3按一比一对称成型所得，其结构与患者的生理结构完全一致。
[0040]所述钛板4上的钉孔5数量不少于两个。
[0041]如果钉孔5的数量只有一个，会导致本发明的人工颞下颌关节与患者的下颌升支连接无法充分固定，使人工颞 下颌关节仅与患者的下颌升支铰接，人工颞下颌关节仍能够在患者的下颌升支上旋转。为保证连接紧密，固定充分，钛板4上的钉孔5数量不少于两个。
[0042]本发明还提供一种基于选择性激光熔化技术的人工颞下颌关节的制造方法，包括以下步骤:
[0043]S1、扫描，用CT扫描获取患者颞下颌的基础三维外形数据；
[0044]本步骤通过CT扫描直接从患者下颌获取三维外形数据，是区别于现有技术的重要步骤之一。现有技术仅仿照人体下颌的外形做相应的设计，批量制作出几个不同型号的下颌假体。显然地，每个患者的下颌结构形状具有个体差异，批量设计的成品假体显然不能吻合每个患者的生理结构。
[0045]S2、建模，对基础三维外形数据进行处理，根据手术截骨情况，将健侧截断平面以上的髁突1、髁突颈部2及喙突3结构做矢状面翻转，并在翻转后髁突颈部2下端的颊侧添加与患者下颌骨表面完全吻合的钛板4，以建立所述人工颞下颌关节的三维计算机模型；
[0046]本步骤是步骤SI的后续处理。通过步骤SI从患者处获得的三维外形数据，对数据进行三维建模，并能在三维计算机模型中根据患者健侧的髁突1、髁突颈部2及喙突3结构，重构替换已受损的髁突1、髁突颈部2及喙突3结构，保证修复结构与患者的生理结构完全吻合。
[0047]S3、连接设计，对所述人工颞下颌关节的三维计算机模型进行连接设计；
[0048]由于颞下颌关节重建术中仅需对损坏的髁突1、髁突颈部2及喙突3结构进行重建，因此仅需要制作出具有髁突1、髁突颈部2及喙突3结构的人工颞下颌关节，再将人工颞下颌关节与人体下颌升支连接。人工颞下颌关节与人体下颌升支的连接是通过钛板4连接的。因此，应根据患者的具体情况，设计出相应的钛板4，并设计出所需的钉孔5，用于连接人工颞下颌关节与人体下颌升支，保证人工颞下颌关节与人体下颌升支的连接紧密，固定充分。必要时可利用有限元分析的方法验证钉孔5的数量及强度是否满足要求。
[0049]S4、生成工艺参数，对所述人工颞下颌关节的三维计算机模型进行分层处理，生成相应的扫描路径，保存并导出相应的工艺参数；
[0050]本步骤是对步骤S5的预处理。要对上述步骤建模所得的三维计算机模型进行实体成型制造，必须对三维计算机模型进行数据转换，生成相应的工艺参数，为步骤S5做准备。所述工艺参数包括人工颞下颌关节工件的摆放位置、摆放方式以及激光的扫描方式、扫描速度、功率和光斑直径。
[0051]S5、3D打印，将所述工艺参数导入3D打印设备，进行3D打印；
[0052]本步骤是区别于现有技术的又一步骤。利用选择性激光熔化技术进行3D打印成型，具有极高的加工柔性。根据步骤S4生成的工艺参数，直接完成人工颞下颌关节的成型制造，生广效率闻，制造成品能吻合不冋患者的个性化生理结构。
[0053]S6、喷砂，对3D打印制得的半成品进行喷砂处理。
[0054]此步骤用于对步骤S5所得的半成品进行精加工。步骤S5所得的纯钛金属表面偶见孔径约为30 μ m的不规则孔隙。激光成型的纯钛半成品经过步骤S6喷砂处理后，能够去除金属表面的未烧结完全的球状颗粒，以及能降低表面的粗糙度。经实验表明，人工颞下颌关节表面粗糖度在嗔砂如为12.4 μ m,嗔砂后为2.3 μ m,嗔砂后的人工颜下颂关节表面明显比喷砂前更为光滑。
[0055]所述步骤S5具体`包括以下步骤:
[0056]S501、所述3D打印设备设有基板，在基板上均匀铺上钛粉层；
[0057]S502、利用高能激光按扫描路径扫描基板上的钛粉层，使钛粉层融化冷却固结在基板上；
[0058]S503、在已经固结的钛粉层上再铺上新的钛粉层，并按扫描路径对新的钛粉层进行激光扫描；
[0059]S504、重复步骤S503，直至人工颞下颌关节完全成型，再将成型的人工颞下颌关节从基板上取出。
[0060]为了达到更好的加工效果，提高成品的加工精度，所述激光的功率为50-200W，激光的光斑直径为50-180μπι，激光的扫描速度为50-500mm/s。所述钛粉层的厚度为10-80 μ m ;所述钛粉层由球状颗粒纯钛粉末组成，球状颗粒纯钛粉末直径为10-100 μ m。
[0061]在本实施例中，所采用的激光的功率为100W，激光的光斑直径为87μπι，激光的扫描速度为275mm/s。所采用的钛粉层的厚度为30 μ m ;所述钛粉层由球状颗粒纯钛粉末组成，球状颗粒纯钛粉末直径为30 μ m。
[0062]为防止加工过程中钛粉氧化，所述步骤S501至步骤S504，人工颞下颌关节工件均在99.999wt.%的氩气保护环境中进行成型加工。
[0063]本发明所提供的一种基于选择性激光熔化技术的人工颞下颌关节及其制造方法，采用选择性激光熔化技术对人工颞下颌关节进行3D打印成型，成型材料为具有良好生物相容性的纯钛。制作人工颞下颌关节前，先对每个患者的下颌进行CT扫描，获取患者实际的下颌结构三维数据，再根据每个患者下颌形状订制出个性化的人工颞下颌关节，因而本发明的人工颞下颌关节与患者的下颌结构吻合程度极高。同时，
[0064]成型材料纯钛具有较高的强度，保证成型吻合患者个体生理结构的同时，保证成型所得的人工颞下颌关节坚固使用，最大限度地对真实的人体下颌结构进行仿真制作。
[0065]以上所述实施例仅表达了本发明的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专 利的保护范围应以所附权利要求为准。
【权利要求】
1.一种基于选择性激光熔化技术的人工颞下颌关节，其特征在于，包括:髁突、髁突颈部和设有钉孔的钛板；髁突突起于髁突颈部上端的后缘；所述钛板设置于髁突颈部下端。
2.根据权利要求1所述的基于选择性激光熔化技术的人工颞下颌关节，其特征在于:还包括喙突；所述喙突突起于媒突颈部上端的前缘。
3.根据权利要求2所述的基于选择性激光熔化技术的人工颞下颌关节，其特征在于:所述髁突、髁突颈部和喙突，分别与患者下颌健侧的髁突、髁突颈部和喙突的大小相等、形态对称。
4.根据权利要求1所述的基于选择性激光熔化技术的人工颞下颌关节，其特征在于:所述钛板上的钉孔数量不少于2个。
5.一种基于选择性激光熔化技术的人工颞下颌关节的制造方法，其特征在于，包括以下步骤: 51、扫描，用CT扫描获取患者颞下颌的基础三维外形数据； 52、建模，对基础三维外形数据进行处理，根据手术截骨情况，将健侧截断平面以上的髁突、髁突颈部及喙突结构做矢状面翻转，并在翻转后髁突颈部下端的颊侧添加与患者下颌骨表面完全吻合的钛板，以建立所述人工颞下颌关节的三维计算机模型； 53、连接设计，对所述人工颞下颌关节的三维计算机模型进行连接设计； 54、生成工艺参数，对所述人工颞下颌关节的三维计算机模型进行分层处理，生成相应的扫描路径，保存并导出相应的工艺参数； 55、3D打印，将所述工艺参数导入3D打印设备，进行3D打印； 56、喷砂，对3D打印制得的半成品`进行喷砂处理。
6.根据权利要求5所述的基于选择性激光熔化技术的人工颞下颌关节的制造方法，其特征在于:所述步骤S5具体包括以下步骤: 5501、所述3D打印设备设有基板，在基板上均匀铺上钛粉层； 5502、利用高能激光按扫描路径扫描基板上的钛粉层，使钛粉层融化冷却固结在基板上； 5503、在已经固结的钛粉层上再铺上新的钛粉层，并按扫描路径对新的钛粉层进行激光扫描; 5504、重复步骤S503，直至人工颞下颌关节完全成型，再将成型的人工颞下颌关节从基板上取出。
7.根据权利要求5所述的基于选择性激光熔化技术的人工颞下颌关节的制造方法，其特征在于:所述工艺参数包括人工颞下颌关节工件的摆放位置、摆放方式以及激光的扫描方式、扫描速度、功率和光斑直径。
8.根据权利要求7所述的基于选择性激光熔化技术的人工颞下颌关节的制造方法，其特征在于:所述激光的功率为50-200W，激光的光斑直径为50-180 μ m，激光的扫描速度为50_500mm/s。
9.根据权利要求6所述的基于选择性激光熔化技术的人工颞下颌关节的制造方法，其特征在于:所述钛粉层的厚度为10-80 μ m;所述钛粉层由球状颗粒纯钛粉末组成，球状颗粒纯钛粉末直径为10-100 μ m。
10.根据权利要求6所述的基于选择性激光熔化技术的人工颞下颌关节的制造方法，其特征在于:所述步骤S501至步骤S504，人工颞下颌关节工件均在99.999wt.%的氩气保护环境中进行成 型加工。
【文档编号】A61F2/30GK103750923SQ201310712553
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2013年12月20日 优先权日:2013年12月20日
【发明者】张志光, 陈建宇, 罗崇岱, 张春雨, 陈贤帅 申请人:中山大学附属口腔医院