本发明涉及生物材料加工技术，尤其涉及一种用于修复眼眶骨折后骨性缺损区的多孔异形人工眼眶骨制备方法。
背景技术：
骨性眼眶(包括额骨、颧骨、上颌骨、泪骨、筛骨、腭骨和蝶骨)占人体23块颅骨的1/3，均属于不规则非运动骨，额骨、上颌骨、筛骨和蝶骨还是多孔异形的含气骨，既轻便又坚固，不但支持着人体解剖上的视功能，也是个性化颜面外观最重要的组成部分。随着交通发展带来的车祸日益增多，外伤导致的眼眶骨折，如眼眶爆裂性骨折、眶缘骨折等严重疾病的发病率逐年提高。眼眶骨折常导致眼眶后部内容扩大、软组织嵌顿，如不能得到及时有效的修复，轻则眼球内陷、复视、眼球运动障碍、张口受限、张口疼痛，重则导致视功能损毁、颜面畸形。临床上对于眼眶骨折的治疗目的在于尽早恢复眶缘、眶壁的正常解剖位置，从而恢复眶腔的正常形态和容积；就患者而言，其对手术及时矫正眼球凹陷、改善眼球运动功能、提高自身颜面美观的期望也非常高。医患两方面的共同需求决定了快速个性化眼眶修复一直是近年来的热点。
适宜的修复材料是快速个性化眼眶修复成功的关键。眼眶修复材料的选择三原则，即组织相容性和生物活性好，符合眼眶骨多孔异形的生理形态特征，以及便于植入。在目前常用的众多眼眶骨折修复材料中，医用硅胶、同种异体骨、自体骨、medpor、钛网、以羟基磷灰石(Hydroxyapatite，HP)为代表的生物陶瓷人工复合骨等，各有优劣。硅胶轻便易塑形，但支撑力差，有排斥反应；同种异体骨取材广泛，但问题是难以获得与眼眶骨相似的骨质结构，还存在不能获得即刻稳定，需要等待骨愈合时间，以及异体骨排斥、吸收、不愈合的可能；自体骨虽不排异，但所能取的肋软骨、髂骨等与眼眶骨的骨质不一致，且取骨会造成新的伤害；Medpor，全称高密度多孔聚乙烯，分子量100万以上，热变形温度(0.46MPa)85℃，熔点130～136℃，轻便坚固，组织相容性好，有一定的可塑性，目前在眼眶骨质修补和义眼台手术中使用较多，其缺点是只能被纤维组织包裹，可能脱落移位，必须覆盖的组织皮肤必须血供良好，单纯皮片覆盖难以成活，另外在影像学上不能清晰显示，影响了术后评估；目前的钛网属于仅关心力学性能的第一代骨修复材料，其力学性能优良，生物惰性，不可降解，网状结构有利于肉芽爬行，作为人工骨假体植入人体后能立即重建缺损处骨组织的生物功能，缺点是不能被人体吸收，不能促进新骨生长，不能与邻近健康骨形成生物和化学结合，长期机械稳定性不好，松动产生无菌性炎症导致植入失败等；氧化铝、氧化锆、氮化硅为基础的第一代生物陶瓷人工骨，以羟基磷灰石为基础的第二代生物陶瓷人工骨和以人工合成硅酸盐体系为基础的第三代生物陶瓷人工骨，更加关注生物活性以及骨诱导和血管诱导性，其植入体内后，在生理环境中能够释放钙、硅和镁等离子，促进干细胞成骨分化，提高成骨细胞活力，进而增强骨再生，是目前临床上长骨、短骨、扁骨等骨质缺失后的最佳替代物，广泛见于眼球缺损后的义眼台植入，但因产品质地硬，传统加工工艺(车铣钳等)极难塑形，难以获得具有眼眶骨特殊形态，故限制了其在眼眶骨修复中的应用。为提高其可塑性，2002年高志忠等提出了羟基磷灰石－超高分子量聚乙烯复合骨片的制备方法(申请号CN02148789.8)，其在模具中铺设羟基磷灰石颗粒和钻孔的超高分子量聚乙烯薄片高温高压获得成品，本品目前已在基础和临床上广泛使用，如陈德夫等2003年在快速成型和快速制造杂志上发表的《羟基磷灰石_超高分子量聚乙烯复合骨片的制备及兔眶植入实验观察》，胡继发等2010年在中华眼外伤职业眼病杂志发表的《在爆裂性眼眶骨折修复中羟基磷灰石复合体应用的意义》，人造复合骨有良好的组织相容性和骨传导性，术中将复合骨片泡在85°水中变软弯制成任意形状，冷却后不再变形，可用剪刀修剪成所需形状。术后所有病例均获得不同程度外观的改善，CT显影清晰，但该复合骨片存在的问题是厚度不能超过5mm，否则将失去可塑性，另外，术中弯制形状完全凭借个人经验，耗费时间且外形精准性不高，无法加工出个性化的额骨、颧骨、上颌骨、泪骨、筛骨、腭骨和蝶骨这样多孔和具有镂空、曲面、螺旋等高级异形程度的不规则骨，若以单个病例为模板取材开模具塑形，耗时长达数周到数月，费用昂贵，从而制约了其开展。
近年来，基于CAD的新型制造技术——3D技术，具有制造个体化和一次成型的特点，构建出任意复杂形状的三维实体，为组织工程支架的仿形与仿生制造提供了一条新途径，也迅速用于眼眶骨缺损修复中。如陈琳琳等提出了眼眶修复材料的制作方法和装置(申请号CN201610329830.8)，将待修复部位的三维数字模型的数据输入至聚醚醚酮3D打印机，打印出拟获得的实体模型，聚醚醚酮是半结晶性、热塑性塑料，植入活体后生物相容性、生物安全性良好，但其生物惰性却限制了骨传导和骨整合等生物功能性,导致其作为骨科植入材料的使用效果不如生物陶瓷为基础的人工骨。至于张巍曾提出的一种3D人体眼眶骨(申请号CN201520049051.3)，其仅为一种用于医学教学的标准化的模型道具，与临床毫不相干。
鉴于此，如能利用生物陶瓷良好的组织相容性和生物活性，进而获得个性化的多孔异形眼眶骨，无疑对临床有着积极的意义。
技术实现要素：
本发明的主要目的在于克服现有产品存在的上述缺点，而提供一种多孔异形人工眼眶骨制备方法，其以纳米级别医用生物陶瓷粉末原料为基础，采用3D打印的先进制造技术，快速获得外形准确的多孔异形人工眼眶骨，可有效提高眼眶骨折后的修复治疗手术效果，治愈更多眼眶病患者。
本发明的目的是由以下技术方案实现的。
本发明多孔异形人工眼眶骨制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、制备纳米级别医用生物陶瓷粉末原料和有机粘结剂并装盒；
步骤二、使用图像采集装置获取人体骨性眼眶缺损区域的图片，通过计算机处理图片后，建立拟用来修补眼眶缺损部位的多孔异形人工眼眶骨3D模型和参数；
步骤三、根据步骤二获得的多孔异形人工眼眶骨3D模型及参数，用3D打印机完成多孔异形人工眼眶骨初坯实体；
步骤四、后处理，将多孔异形人工眼眶骨初坯实体工件进行脱粘和高温烧结，获得多孔异形人工眼眶骨成品。
前述的多孔异形人工眼眶骨制备方法，其特征在于，所述步骤一、制备纳米级别医用生物陶瓷粉末原料和有机粘结剂并装盒；该纳米级别医用生物陶瓷粉末原料包括羟基磷灰石、CaMg(SiO3)2、氧化铝、氧化锆或者氮化硅的陶瓷粉。
前述的多孔异形人工眼眶骨制备方法，其中：
所述步骤一、制备纳米级别医用生物陶瓷粉末原料和有机粘结剂并装盒：
(1)制备纳米级别医用生物陶瓷粉末原料：原料成分配比为70％～90％上述纳米级别医用生物陶瓷粉末中的一种和10％～30％的聚乙烯醇粉，通过电动药粉混合机在常温下充分混和均匀后，置于3D打印机的铺粉槽内，并传送到漏粉盒；(2)有机粘合剂原料为采用石蜡、聚乙二醇、聚乙烯、聚丙烯、聚乙烯醇、聚乙烯吡络烷酮中的一种，使用氯仿、二硫化碳、二甲苯或者乙醇进行溶解，配成浓度为0.05％至5.00％的溶液，然后注入3D打印机的干净喷墨盒；
所述步骤二、建立多孔人工眼眶骨3D模型和参数，先使用320排高速螺旋CT机获取人体骨性眼眶缺损区域的图片，再由计算机处理图片后，建立拟用来修补眼眶缺损部位的多孔人工眼眶骨3D模型和参数；
所述步骤三、根据步骤二获得的人工眼眶骨3D模型及参数，用3D打印机完成人工眼眶骨初坯实体是，由3D打印机完成铺设生物陶瓷粉末与打印有机粘结剂动作，制备出多孔异形人工眼眶骨初坯实体；
所述步骤四、将多孔异形人工眼眶骨初坯实体工件进行脱粘和高温烧结，获得多孔异形人工眼眶骨成品是：首先将用3D打印机制备出的多孔异形人工眼眶骨初坯放入高温节能烧结炉，以梯度升温到500°的方式进行脱粘处理，持续时间为2～5小时，除去粘合剂；再采用高温烧结工艺对人工眼眶骨初坯实体进行烧结处理，烧结温度为1200°～1350°，烧结过程持续时间为2～5小时；最终使3D打印机制备的多孔异形人工眼眶骨达到足够强度，成为成品。
前述的多孔异形人工眼眶骨制备方法，其特征在于，用3D打印机完成人工眼眶骨初坯实体是：首先3D打印机上的漏粉机把生物陶瓷粉末洒一个圆形层，层厚为0.05±0.01mm；然后3D打印机喷嘴按照设计的多孔异形人工眼眶骨初坯实体形状，在该圆形层粉末上喷设有机粘合剂，有粘结剂的地方，生物陶瓷粉末会粘合到在一起，一层一层生物陶瓷粉末和喷设的有机粘合剂粘结后，形成人工眼眶骨初坯实体的立体结构，未与有机粘合剂粘结的生物陶瓷粉末脱落，静置1天后，待未与有机粘合剂粘结的生物陶瓷粉末完全脱落，制成具有镂空、曲面、螺旋特征结构的多孔人工眼眶骨初坯实体。
本发明多孔异形人工眼眶骨制备方法的有益效果，本发明可以获得各种各样的多孔异形人工眼眶骨，既轻便又坚固，产品更符合生理特征，且外形更加精确；本发明的制备方法不需要开设模具，生产工艺简洁，效率更高，能够节约人力、物力和财力，效果理想。
具体实施方式
本发明多孔异形人工眼眶骨制备方法，其包括以下步骤：
步骤一、制备纳米级别医用生物陶瓷粉末原料和有机粘结剂并装盒；
步骤二、使用图像采集装置获取人体骨性眼眶缺损区域的图片，通过计算机处理图片后，建立拟用来修补眼眶缺损部位的多孔异形人工眼眶骨3D模型和参数；
步骤三、根据步骤二获得的多孔异形人工眼眶骨3D模型及参数，用3D打印机完成多孔异形人工眼眶骨初坯实体；
步骤四、后处理，将多孔异形人工眼眶骨初坯实体工件进行脱粘和高温烧结，获得多孔异形人工眼眶骨成品。
本发明多孔异形人工眼眶骨制备方法，其中：步骤一、制备纳米级别医用生物陶瓷粉末原料和有机粘结剂并装盒；该纳米级别医用生物陶瓷粉末原料包括羟基磷灰石、CaMg(SiO3)2、氧化铝、氧化锆或者氮化硅的陶瓷粉。
本发明多孔异形人工眼眶骨制备方法，其中：
所述步骤一、制备纳米级别医用生物陶瓷粉末原料和有机粘结剂并装盒：
(1)制备纳米级别医用生物陶瓷粉末原料：原料成分配比为70％～90％上述纳米级别医用生物陶瓷粉末中的一种和10％～30％的聚乙烯醇粉，通过电动药粉混合机在常温下充分混和均匀后，置于3D打印机的铺粉槽内，并传送到漏粉盒；(2)有机粘合剂原料为采用石蜡、聚乙二醇、聚乙烯、聚丙烯、聚乙烯醇、聚乙烯吡络烷酮中的一种，使用氯仿、二硫化碳、二甲苯或者乙醇进行溶解，配成浓度为0.05％至5.00％的溶液，然后注入3D打印机的干净喷墨盒；
所述步骤二、建立多孔人工眼眶骨3D模型和参数，先使用320排高速螺旋CT机获取人体骨性眼眶缺损区域的图片，再由计算机处理图片后，建立拟用来修补眼眶缺损部位的多孔人工眼眶骨3D模型和参数；
所述步骤三、根据步骤二获得的人工眼眶骨3D模型及参数，用3D打印机完成人工眼眶骨初坯实体是，由3D打印机完成铺设生物陶瓷粉末与打印有机粘结剂动作，制备出多孔异形人工眼眶骨初坯实体；
所述步骤四、将多孔异形人工眼眶骨初坯实体工件进行脱粘和高温烧结，获得多孔异形人工眼眶骨成品是：首先将用3D打印机制备出的多孔异形人工眼眶骨初坯放入高温节能烧结炉，以梯度升温到500°的方式进行脱粘处理，持续时间为2～5小时，除去粘合剂；再采用高温烧结工艺对人工眼眶骨初坯实体进行烧结处理，烧结温度为1200°～1350°，烧结过程持续时间为2～5小时；最终使3D打印机制备的多孔异形人工眼眶骨达到足够强度，成为成品。用3D打印机完成人工眼眶骨初坯实体是：首先3D打印机上的漏粉机把生物陶瓷粉末洒一个圆形层，层厚为0.05±0.01mm；然后3D打印机喷嘴按照设计的多孔异形人工眼眶骨初坯实体形状，在该圆形层粉末上喷设有机粘合剂，有粘结剂的地方，生物陶瓷粉末会粘合到在一起，一层一层生物陶瓷粉末和喷设的有机粘合剂粘结后，形成人工眼眶骨初坯实体的立体结构，未与有机粘合剂粘结的生物陶瓷粉末脱落，静置1天后，待未与有机粘合剂粘结的生物陶瓷粉末完全脱落，制成具有镂空、曲面、螺旋特征结构的多孔人工眼眶骨初坯实体。
下面针对修复单侧眼眶爆裂性骨折所需制备的多孔异形人工眼眶骨，以羟基磷灰石作基础材料为例，说明本发明的具体实施方式，具体步骤如下：
步骤一、制备羟基磷灰石粉末原料和有机粘结剂并装盒：羟基磷灰石原料的主成分配比为90％纳米级别医用羟基磷灰石粉末和10％聚乙烯醇粉，电动药粉混合机在常温下充分混和均匀后，置于3D打印机的铺粉槽，并传送到漏粉盒；有机粘合剂聚乙烯吡络烷酮溶于乙醇，配成浓度0.05％的溶液，然后注入3D打印机的干净喷墨盒。
步骤二、设计出眼眶壁和眼眶缘填充所需制备的多孔异形人工眼眶骨：拍摄患者双侧眼眶CT数据，获得伤侧和健侧的眼眶图片，导入mimics14.0(美国Materialise公司)进行健侧和伤侧的眼眶骨质划分、镜像重建；使用geomagic Studio12.0(美国geomagic公司)，将健侧眼眶做镜像生成伤侧眼眶的目标修复模型，使用布尔运算，目标修复模型减去拟伤侧眼眶保留的骨质，得到拟打印的异形人工眼眶骨3D模型，并生成STL文件，导入3D打印机。
步骤三、由3D打印机打印出多孔异形羟基磷灰石人工眼眶骨的初坯：3D打印机的铺粉装置包括均匀供粉和辊子压实两部分，采用24V低压慢速直流电机驱动(转速为60rpm)，并可通过调节电压来改变粉材的输送率。根据STL文件引导，漏粉盒中的圆柱形转动刷以及电磁铁控制的漏粉挡板，将羟基磷灰石粉末从下部的狭缝处送出，并随着铺粉装置X轴正方向移动，将粉材均匀撒在工作平面上；均匀铺粉完成后，铺粉装置开始X轴负方向移动，同时铺粉辊子开始旋转，通过辊子的平动和转动将粉材展平、压实，确保每层粉的厚度为预设定的0.06mm，并将每层多余的粉材推入集粉装置；然后，3D打印机的喷头沿X-Y方向运动，往铺好的羟基磷灰石粉末上喷射粘合剂，构成该层所需的二维截面图形并将截面区域内的粉末粘结起来。然后，工作平面在Z轴下降一个截面层的厚度，重复进行下一个截面轮廓的铺粉和喷射粘结剂，如此循环，直至完成整个工件的成形。室温静置干燥24h，用吸尘器去除工件周围未被粘结的粉末，得到最终的工件。
步骤四、后处理工艺：首先，将多孔羟基磷灰石人工眼眶骨初坯放入空气环境下烧结炉内梯度升温脱粘，以5°/min从室温升至200°，保温1h；以1°/min升至至300°，保温1h；以2°/min升至至500°，保温1h；然后，以10°/min升至1250°，保温3h，高温烧结条件下羟基磷灰石形成晶体，使3D打印机制备的多孔人工眼眶骨达到足够的强度。
本实施例中未进行说明的内容为现有技术，故，不再进行赘述。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均包含在本发明的保护范围之内。