一种类骨性3D打印材料及具有类骨性结构和类神经血管结构的类骨3D打印颞骨模型的制作方法

本发明涉及用于3d打印的材料领域，具体地说，涉及一种类骨性3d打印材料及具有类骨性结构和类神经血管结构的类骨3d打印颞骨模型。

背景技术：

以往耳科医生通过反复解剖人体尸头的颞骨来获取和提高相关的手术技能。但人体尸头来源有限，价格昂贵，造成尸体颞骨解剖训练难以推广。3d打印颞骨模型为耳科手术技能训练提供了有效途径。由于市场上现有的3d打印原材料并无类骨性质，3d打印出的颞骨模型常常不能提供原型颞骨的解剖体验，常见问题有模型硬度较低、钻磨时模型软化等，从而限制了其在耳科手术训练中的实用性。因此有必要制备出与尸体颞骨相似或能模拟真实手术体验的3d打印颞骨模型。

除了获取精度足够的影像学数据并进行恰当的图像后处理外，应当采用适用于3d打印骨性结构的材料，使模型质地与真实骨骼相近，以提供良好的钻磨触感。

中国期刊《中华耳科学杂志》2015年第13卷第2期刊出的论文“3-d颞骨模型的制作与应用”，利用高分辨率ct获取活体颞骨断层图像(正常人2例，慢性中耳炎患者2例)，数据导入mimics软件行图像分割及颞骨三维重建，以石膏粉末为原料，利用粉末堆积快速成型技术打印出颞骨模型，重要解剖结构与组织(听骨链、面神经、位听器、炎性渗出及胆脂瘤等)以不同颜色打印，并在显微镜下进行手术演练，结果表明颞骨模型的硬度与人骨相近，模型表面及内部骨性标志明显，解剖精确度高，钻磨触感接近真实，满足颞骨解剖技能训练及模拟手术的要求。但显微镜下研磨过程发现，标本内部“骨质”硬度稍低于标本表面“骨质”硬度，研磨产生的“骨粉”粘度比正常人骨骨粉粘度更大，需要用水流冲洗及吸引器清除。

苏州大学硕博士论文“基于螺旋ct的颞骨3d数字模型的建立及初步应用”，首先确定最佳的颞骨ct扫描参数，扫描尸头，获得0.1mm层厚dicom数据，利用医学重建软件mimics16.0分割颞骨内各解剖结构，建立了颞骨三维几何模型，模型导入3-matic，进行网格光滑与优化处理，然后在geomagicstudio2013进一步修饰、设计、运算，得到满意的3d数字几何模型。3d数字模型利用3d彩色喷墨打印技术和选择性激光烧结技术分别打印出石膏实体模型和abs实体模型，进行了实体模型的模拟手术，与尸头进行比较。结果：实体模型解剖手感较好，与尸头接近；但是解剖微小结构还原度欠佳，abs模型效果好于石膏模型；实体模型基本能反映尸头的解剖结构，但是由于支撑粉末的存在，进行解剖时有很大的影响。

专利文献cn105963788a，公开日2016.09.28，公开了一种用于3d打印人造骨材料，所述材料按重量份计由如下组分组成：生物金属粉末40～60份、非金属粉末30～40份、聚碳酸酯20～32份、聚维酮k305～8份、烟酸0.5～0.7份、多巴胺0.02～0.1份。该人造骨材料强度高，而且通过组分中的多巴胺、烟酸、聚维酮k30与其他材料的作用，使得多骨骼接合界面发生分解、吸收、析出等反应，能实现与骨骼牢固结合，防止疲劳和磨损，并且该材料在不加重单位材质重量的情况下克服了现有材料中在容易接合活动以及体内酸性介质的影响所导致材料的应力下降的技术问题，提高了材料的应力。然而该材料并不是用于模拟真实手术体验的颞骨模型。

综上，亟需一种适用于3d打印的类骨性材料，及与尸体颞骨相似或能模拟真实手术体验的3d打印颞骨模型。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术中的不足，提供一种类骨性3d打印材料及具有类骨性结构和类神经血管结构的类骨3d打印颞骨模型。

第一方面，本发明提供了一种类骨性3d打印材料，其由以下重量百分比的组分制成：改性聚碳酸酯39-75％、硫酸钡24-60％和钛白粉0.1-1％。

作为一个优选例，其由以下重量百分比的组分制成：改性聚碳酸酯49-60％、硫酸钡39-50％和钛白粉0.1-1％。

作为另一优选例，所述的改性聚碳酸酯由丙烯酸酯橡胶改性，聚碳酸酯与丙烯酸酯橡胶的重量比为1.5-2。

作为另一优选例，其还进一步包含碳酸钙、滑石粉、增韧剂或分散剂。

第二方面，本发明提供了所述的类骨性3d打印材料的制备方法：

(1)按照所述的重量百分比，将各组分物理混合，干燥后使用双螺杆挤出工艺制备母粒；

(2)将制备好的母粒干燥后，使用单螺杆挤出工艺，将母粒加工成线材。

第三方面，本发明提供了如上任一所述的类骨性3d打印材料在制备颞骨模型中的应用。

第四方面，本发明提供了一种类骨3d打印颞骨模型，所述的类骨3d打印颞骨模型具有类骨性结构，所述的类骨性结构由如上任一所述的类骨性3d打印材料制成。

作为一个优选例，所述的类骨3d打印颞骨模型还具有类神经血管结构。

作为另一优选例，所述的类神经血管结构选自乙状窦、颈静脉球、颈静脉、颈内动脉和面神经。

第五方面，本发明提供了一种类骨3d打印颞骨模型的打印方法，包括使用如上任一所述的类骨性3d打印材料打印类骨性结构的步骤。

本发明优点在于：

1、本发明使用聚碳酸酯作为母料，使用硫酸钡作为粉末添加剂，同时加入少量增韧剂丙烯酸酯橡胶，制成的复合材料所打印出的颞骨模型在钻磨过程中，模型未出现软化现象，碎屑形成充分，钻磨出的碎屑能模拟出骨粉的粉末感，外耳道、内听道等空腔结构无明显的材料残留，可解剖出融合的听小骨，重量和硬度性能优异，显微镜下的光感接近于真实颞骨，钻磨触感、声音佳，因此在模型重量、硬度、显微镜下的光感、钻磨声音、钻磨触感、钻磨过程中碎屑形成情况和听小骨复制准确度方面都有着较高的评分，从整体上，被评价为与尸体颞骨“相似度高”。且打印成功率及稳定性高。表明本发明的复合材料是一种具有类骨性质的3d打印材料。

2、本发明具有类骨性结构和类神经血管结构的类骨3d打印颞骨模型的物理特征与尸体颞骨相似度高，能够复制颞骨内的重要解剖结构，可用于耳科手术训练，具有一定的教育价值。这种具有类骨性结构和类神经血管结构的类骨3d打印颞骨模型在耳科手术训练中具备实用性，可作为尸体颞骨外的辅助训练工具。

附图说明

图1和2将获取的ct图像导入三维图像处理软件mimics16.0，利用计算机辅助设计技术处理影像学数据，完成对颞骨骨性结构和神经血管结构的三维重建。

图3具有双喷头的raise3dn系列的3d打印机正在打印三维重建的颞骨模型。

图4向中空的血管内注入液体水彩颜料，使用丙烯颜料对血管上色，将乙状窦、颈静脉球和颈静脉涂为蓝色，颈内动脉涂为红色。

图5制作完成的类骨3d打印颞骨模型。

图6实施例1的类骨3d打印颞骨模型外耳道内未见材料残留。

图7实施例1的类骨3d打印颞骨模型内听道内未见材料残留。

图8实施例1的类骨3d打印颞骨模型钻磨模型过程中产生骨粉。

图9实施例1的类骨3d打印颞骨模型钻磨过程中骨粉冲洗后形成的混合物。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的具体实施方式作详细说明。

以下实施例中，丙烯酸酯橡胶购自日本瑞翁，型号ar71。

实施例1本发明的类骨性3d打印材料(一)

由以下重量百分比的组分制成：改性聚碳酸酯54.7％、硫酸钡45％和钛白粉0.3％。其中改性聚碳酸酯是用丙烯酸酯橡胶进行改性，聚碳酸酯与丙烯酸酯橡胶重量比为：34.7:20。

制备方法：

(1)按照所述的重量百分比，将各组分物理混合，干燥后使用双螺杆挤出工艺制备母粒；

(2)将制备好的母粒干燥后，使用单螺杆挤出工艺，将母粒加工成截面为圆形，平均直径约1.75mm的线材。

实施例2本发明的类骨性3d打印材料(二)

由以下重量百分比的组分制成：改性聚碳酸酯49％、硫酸钡50％和钛白粉1％。其中改性聚碳酸酯是用丙烯酸酯橡胶进行改性，聚碳酸酯与丙烯酸酯橡胶重量比为：29.4:19.6。

制备方法：

(1)按照所述的重量百分比，将各组分物理混合，干燥后使用双螺杆挤出工艺制备母粒；

(2)将制备好的母粒干燥后，使用单螺杆挤出工艺，将母粒加工成截面为圆形，平均直径约1.75mm的线材。

实施例3本发明的类骨性3d打印材料(三)

由以下重量百分比的组分制成：改性聚碳酸酯60％、硫酸钡39％和钛白粉1％。其中改性聚碳酸酯是用丙烯酸酯橡胶进行改性，聚碳酸酯与丙烯酸酯橡胶重量比为：40:20。

制备方法：

(1)按照所述的重量百分比，将各组分物理混合，干燥后使用双螺杆挤出工艺制备母粒；

(2)将制备好的母粒干燥后，使用单螺杆挤出工艺，将母粒加工成截面为圆形，平均直径约1.75mm的线材。

实施例4本发明的类骨性3d打印材料(四)

由以下重量百分比的组分制成：改性聚碳酸酯56％、硫酸钡43.9％和钛白粉0.1％。其中改性聚碳酸酯是用丙烯酸酯橡胶进行改性，聚碳酸酯与丙烯酸酯橡胶重量比为：36:20。

制备方法：

(1)按照所述的重量百分比，将各组分物理混合，干燥后使用双螺杆挤出工艺制备母粒；

(2)将制备好的母粒干燥后，使用单螺杆挤出工艺，将母粒加工成截面为圆形，平均直径约1.75mm的线材。

实施例5本发明的类骨性3d打印材料(五)

由以下重量百分比的组分制成：改性聚碳酸酯39％、硫酸钡60％和钛白粉1％。其中改性聚碳酸酯是用丙烯酸酯橡胶进行改性，聚碳酸酯与丙烯酸酯橡胶重量比为：26:13。

制备方法：

(1)按照所述的重量百分比，将各组分物理混合，干燥后使用双螺杆挤出工艺制备母粒；

(2)将制备好的母粒干燥后，使用单螺杆挤出工艺，将母粒加工成截面为圆形，平均直径约1.75mm的线材。

实施例6本发明的类骨性3d打印材料(六)

由以下重量百分比的组分制成：改性聚碳酸酯75％、硫酸钡24％和钛白粉1％。其中改性聚碳酸酯是用丙烯酸酯橡胶进行改性，聚碳酸酯与丙烯酸酯橡胶重量比为：45:30。

制备方法：

(1)按照所述的重量百分比，将各组分物理混合，干燥后使用双螺杆挤出工艺制备母粒；

(2)将制备好的母粒干燥后，使用单螺杆挤出工艺，将母粒加工成截面为圆形，平均直径约1.75mm的线材。

实施例7本发明的类骨性3d打印材料(七)

由以下重量百分比的组分制成：改性聚碳酸酯45％、硫酸钡54.5％和钛白粉0.5％。其中改性聚碳酸酯是用丙烯酸酯橡胶进行改性，聚碳酸酯与丙烯酸酯橡胶重量比为：30:15。

制备方法：

(1)按照所述的重量百分比，将各组分物理混合，干燥后使用双螺杆挤出工艺制备母粒；

(2)将制备好的母粒干燥后，使用单螺杆挤出工艺，将母粒加工成截面为圆形，平均直径约1.75mm的线材。

实施例8本发明的类骨性3d打印材料(八)

由以下重量百分比的组分制成：改性聚碳酸酯65％、硫酸钡34.9％和钛白粉0.1％。其中改性聚碳酸酯是用丙烯酸酯橡胶进行改性，聚碳酸酯与丙烯酸酯橡胶重量比为：39:26。

制备方法：

(1)按照所述的重量百分比，将各组分物理混合，干燥后使用双螺杆挤出工艺制备母粒；

(2)将制备好的母粒干燥后，使用单螺杆挤出工艺，将母粒加工成截面为圆形，平均直径约1.75mm的线材。

实施例9类骨3d打印颞骨模型的制备及评价

1、制备

(1)获取图像及图像后处理：采用64排螺旋ct对1例正常人的活体颞骨行薄层扫描(扫描层厚0.6mm)，获取dicom格式的ct图像。该颞骨解剖正常，乳突气化良好。将获取的ct图像导入三维图像处理软件mimics16.0，利用计算机辅助设计技术处理影像学数据，完成对颞骨骨性结构和神经血管结构的三维重建。将三维重建的cad模型储存为3d打印系统所应用的标准文件类型stl文件格式。

(2)3d打印：选用具有双喷头的raise3dn系列的3d打印机，喷嘴直径0.4mm，利用熔融沉积制造技术，打印三维重建的颞骨模型。喷头一使用实施例1-8任一线材，打印三维重建的颞骨模型的骨性结构；喷头二使用黄色的热塑性聚氨酯弹性体(thermoplasticpolyurethanes,tpu)线材，打印神经血管结构，其中血管结构被打印为一端为盲端的中空管腔。

(3)模型后处理：模型打印完成后使用钳子拆卸支架。向中空的静脉内注入蓝色液体水彩颜料，向动脉内注入红色液体水彩颜料。血管端口用防水泥向内填塞，使血管两端闭合，管腔内充满液体。使用丙烯颜料对血管上色，将乙状窦、颈静脉球和颈静脉涂为蓝色，颈内动脉涂为红色。

2、类骨性3d打印材料的物理及机械性质评价

将制得的材料按标准尺寸注塑成测试用的标准样条，进行物理及机械性质测试。结果见表1。实施例1复合材料的杨氏模量为3829±520mpa，高于市面上常见的pc材料和pla材料(e.g.polymakerpla材料的弹性模量为1879±109mpa，pc的杨氏模量为2307±60mp)。杨氏模量可衡量材料的刚度，其值的大小可影响3d打印模型的硬度。实施例1复合材料的软化温度为115℃。实施例2-8的复合材料经测试也具备较好的物理及机械性质。

表1实施例1的类骨性3d打印材料物理及机械性质

3、类骨3d打印颞骨模型物理特征的评价

10名具有丰富的既往解剖尸头经历的耳鼻喉科医生使用显微镜、动力系统和电钻，以解剖尸体颞骨的方式解剖模型，并在解剖完成后填写一份选项为里克特5分量表(likertscale)的半结构问卷，以尸体颞骨为参照物，对3d打印颞骨模型的重量、硬度、显微镜下模型的光感、钻磨声音、钻磨触感、钻磨过程中碎屑形成情况、听小骨复制准确度以及与尸体颞骨的整体相似性进行打分。1分代表“完全不像”，2分反映“相似度低”，3分表示“相似度尚可”，4分意味着“相似度高”，5分提示“几乎等同”。结果见表2。3d打印颞骨模型的物理特征被评价为与尸体颞骨相似度高，碎屑形成情况方面尤为出色。在使用动力系统和电钻解剖模型过程中，碎屑形成充分，钻磨出的碎屑能模拟出骨粉的粉末感(见图8)，冲洗后形成的混合物亦与实际解剖情况非常相似(见图9)。

表2类骨3d打印颞骨模型的得分^*

*1＝完全不像，2＝相似度低，3＝相似度尚可，4＝相似度高，5＝几乎等同。

#发明人在研究过程中的其他实验组：

对比例1：使用石膏为原料打印的颞骨模型。

对比例2：使用如下复合材料打印的颞骨模型：由以下重量百分比的组分制成：改性聚碳酸酯54.7％、碳酸钙45％和钛白粉0.3％。其中改性聚碳酸酯是用丙烯酸酯橡胶进行改性，聚碳酸酯与丙烯酸酯橡胶重量比为：34.7:20。制备方法：(1)按照所述的重量百分比，将各组分物理混合，干燥后使用双螺杆挤出工艺制备母粒；(2)将制备好的母粒干燥后，使用单螺杆挤出工艺，将母粒加工成截面为圆形，平均直径约1.75mm的线材。

对比例3：使用如下复合材料打印的颞骨模型：由以下重量百分比的组分制成：改性聚碳酸酯39％、硫酸钡60％和钛白粉1％。其中改性聚碳酸酯是用丙烯酸酯橡胶进行改性，聚碳酸酯与丙烯酸酯橡胶重量比为：32.5:6.5。制备方法：(1)按照所述的重量百分比，将各组分物理混合，干燥后使用双螺杆挤出工艺制备母粒；(2)将制备好的母粒干燥后，使用单螺杆挤出工艺，将母粒加工成截面为圆形，平均直径约1.75mm的线材。

对比例4：使用如下复合材料打印的颞骨模型：由以下重量百分比的组分制成：改性聚碳酸酯54.7％、硫酸钡45％和钛白粉0.3％。其中改性聚碳酸酯是用氟橡胶进行改性，聚碳酸酯与氟橡胶重量比为：34.7:20。制备方法：(1)按照所述的重量百分比，将各组分物理混合，干燥后使用双螺杆挤出工艺制备母粒；(2)将制备好的母粒干燥后，使用单螺杆挤出工艺，将母粒加工成截面为圆形，平均直径约1.75mm的线材。

4、类骨3d打印颞骨模型解剖结构的评价

在解剖结构方面，该模型的外耳道、茎突、乳突、内听道、面神经、乙状窦、和颈内动脉被评价为与尸体颞骨相似度高，其中外耳道和内听道内无明显材料残留，乙状窦富有弹性，明显区分于骨性结构(见表3)。

表3实施例1的类骨性3d打印材料打印的类骨3d打印颞骨模型解剖结构评分

*1＝完全不像，2＝相似度低，3＝相似度尚可，4＝相似度高，5＝几乎等同。

5、类骨3d打印颞骨模型用于耳科手术训练实用性的评价

该模型能够进行所有手术相关的解剖练习。在练习开放式乳突根治术、完壁式乳突根治术、后鼓室切开、乙状窦减压和颅中窝硬脑膜骨板减压方面该模型能够提供令人满意的训练体验。但模型仿真度有限的半规管和前庭限制了其用于练习迷路切除术的实用性。根据评价结果，模型用于练习耳蜗开窗术的实用性不高，这与耳蜗内部精细结构未能准确复制有关(见表4)。

表4实施例1的类骨性3d打印材料打印的类骨3d打印颞骨模型用于耳科手术训练实用性的评分

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。