一種合金腦顱骨修復體的制備方法
【專利摘要】本發明涉及一種合金腦顱骨修復體的制備方法。該方法主要包括步驟：獲取患者顱骨圖像數據、三維重建生成顱骨模型、獲得二維修復體并進行塑形制作，獲得合金腦顱骨修復體等。本發明所述制備方法彌補了傳統制備技術的不足，高效制備出滿足醫用材料生物相容性和力學相容性要求的復雜形狀的合金腦顱骨修復體。同時，該制備方法成本較低，制造精度高、成型效率高。
【專利說明】
一種合金腦顱骨修復體的制備方法
技術領域
[0001]本發明屬于醫學應用領域，應用于腦神經外科、腦神經內科、顱骨修復等醫學專業，涉及一種合金修復體的加工制造方法，特別地，涉及一種合金腦顱骨修復體的制備方法。
【背景技術】
[0002]在神經外科和神經內科領域，出現如下創傷或疾病時，需對顱骨施行切除以及修復手術:頭部外傷、顱內感染或腫瘤、腦水腫或顱內壓增高以及顱骨畸形等。顱骨缺損后為了恢復顱腔密閉性以及防止出現進一步的神經系統癥狀，需行顱骨缺損修復術。
[0003]現有技術中常用的顱骨修復體材料有非金屬材料和金屬材料，非金屬材料有有機玻璃、骨水泥及復合材料，有機玻璃堅硬，可加熱塑性，取材方便，但對人體有刺激且時間久后易老化，難以達到滿意效果;骨水泥塑形快，但對腦組織有刺激，術后易變形產生松動。常用的金屬有鉭、鈦板或不銹鋼絲網，國內外均有采用，其塑型方便，組織反應輕，外觀佳，是顱骨修補的好材料。但金屬材料具有導熱性，修補后局部溫差大，患者有不適的灼熱感，病人不適宜在太陽光下其他較熱或較冷環境中長時間工作，同時常用的醫用金屬材料導電或導磁和不透X線，妨礙病人術后進行CT等檢查。可降解高分子材料雖然可以作為顱骨修復使用，但是其力學性能相對欠佳，而且酸性的降解產物容易引發炎癥等。上述材料均不能很好地滿足顱骨修復體所要求的高拉伸和壓縮強度、高抗沖擊性、抗磨性、良好的成型加工性、高可靠性以及良好的生物相容性。
[0004]合金材料具有良好的生物相容性、無毒以及強度高等特點，使其在顱腦損傷、顱內腫瘤手術或開顱減壓術所致的顱骨缺損的修復中有較為普遍的應用。但是，該應用一直存在的一個問題是無法提供與患者顱骨缺損大小以及形態完全相吻合的金屬材料修復體，尤其是對于復雜程度較高的缺損情況，對修復體的形態要求則更高。另外，現有技術中的修復體制備方法在修復假體質量上有所提高，但制造周期長、成本高柔性差，以目前的制備手段很難保證一次手術完成清創和修補。而壓痕、起皺、回彈和邊緣翹曲是多點成形中特有的成形缺陷，壓痕和起皺影響顱骨修復體的外形美觀，回彈會使修復體尺寸與骨窗尺寸不吻合，導致修復體塌陷或固定松動。邊緣翹曲會使修復體與骨窗不能良好貼合，影響修復質量。
【發明內容】
[0005]為解決上述問題，本發明提供了一種合金腦顱骨修復體的制備方法，以彌補傳統制備技術的不足，高效制備出滿足醫用材料生物相容性和力學相容性要求的復雜形狀的合金腦顱骨修復體。同時，該制備方法成本較低，制造精度高、成型效率高。
[0006]本發明為解決上述技術問題所采用的技術方案是一種合金腦顱骨修復體的制備方法，包括以下步驟:
[0007](I)利用計算機斷層掃描技術(CT)方式獲取患者顱骨圖像數據，計算機斷層掃描技術的掃描間距為1.7?1.9mm，獲得的圖像數據用標準DICOM文件格式儲存于計算機可讀介質，得到顱骨缺損輪廓；
[0008](2)將DICOM格式的CT圖像數據導入數字化三維醫學影像交互式處理軟件Mimics中進行數據的讀取、分割及三維重建，選取分割后顱骨圖像的任一象素點，則與此象素點連接的三維區域均被臨時記錄下來，提取顱骨的灰度閾值范圍為505?2055;顱骨三維成型后，通過Mimics的鏡像功能將健側顱骨對稱復制到缺損部位，再利用透明功能使缺損形狀及邊緣可見，利用多面體分割功能沿著缺損邊緣切割修復體模型并進行分離;提取完成后以STL格式輸出修復體，并且存放有醫學圖象控制系統軟件的計算機輸出三維重建生成的顱骨模型；
[0009](3)利用逆向工程軟件Surfacer對顱骨缺損進行修補、CAD設計出個體化的顱骨缺損修復體，調整顱骨原型的位置，并提取出修復體曲面數據，根據顱骨缺損模型確定金屬修復體的邊緣輪廓，采用逆向設計、CAD設計出金屬修復體的曲面形狀，最后根據該修復體的曲面對金屬修復體進行塑形；
[00?0] (4)將步驟(3)中所獲得的曲面數據在有限元分析軟件Deform、autoform或Dynaf orm中通過計算、數據處理功能，根據修復體曲面，綜合金屬材料的彎曲、拉伸、壓延的塑性變形因素，反求出顱骨修復體平面狀態的邊緣輪廓和面積大小，獲得二維平面的修復體；
[0011](5)根據步驟(4)中獲得的二維平面的修復體，制作二維的合金網片:以海綿鈦為原料，將海綿鈦與氫氣混合，保持氫氣正壓為0.06?0.07MPa，在680?700 °C保溫30?40min，確保海綿鈦與氫氣充分反應后降溫冷卻;然后對海綿鈦采用氣流磨進行破碎，氣流磨的轉速控制在1100r/min?1200r/min，破碎得到粒度為15?30um的氫化鈦粉末;將上述氫化鈦粉末作為原料，采用氬氣作為氣體射頻等離子體進行脫氫及球化處理，射頻等離子體輸出功率為65kw?75kw;并采用氬氣作為保護氣，保護氣流量為0.8m3/h?1.2m3/h，使形成穩定的等離子炬;然后采用氬氣作為載氣將氫化鈦粉輸送至等離子炬中央，送氫化鈦粉末的速率選擇在150g/min?200g/min，氫化鈦粉在下落過程中經過等離子炬受熱恪融，并在氬氣的保護下沉積在收集罐中，即得鈦粉;將制得的鈦粉、選用金屬鎂粉、金屬鉬粉采用球磨工藝進行機械混合均勻，上述混合的粉末中金屬鎂粉的含量為5?10wt%、金屬鉬粉的含量為3?5wt%，余量為鈦粉，球磨工藝的球料比為2.5:1?1.5:1，球磨時間為5?8h，轉速為50?80r/min;并對混合的粉末進行冷等靜壓，冷等靜壓的壓力為200?300Mpa，保壓時間為10?15min;在真空爐中對混合粉末進行激光燒結成形，獲得燒結粉末合金坯體，真空燒結時真空度要< 10—3Pa，燒結保溫時間為2.5?3.5h，激光功率為20?30W，坯體表面涂玻璃潤滑劑保護，然后對坯體進行機械加工，制成二維的合金網片，網片的厚度為40?60μπι;
[0012](6)根據在步驟(3)中提取的修復體曲面數據，燒制修復體模型，修復體模型使用的材料為步驟(5)中所制得的鈦粉以及熱塑性樹脂粉末，修復體模型中熱塑性樹脂粉末的含量為5?7wt%，在純度為99.3%?99.5%的惰性氬氣保護下，以⑶2激光器為熱源，對混合粉末進行燒結成形，得到修復體模型坯件，激光功率為32?38W;在惰性氣體保護下，將修復體模型坯件放入脫脂爐內，直接進行熱脫脂;脫脂溫度為350?450°C，保溫時間為1.5?
2.5h，脫除速率為2?4°C/min ；在惰性氣體保護下，將修復體模型坯件放入燒結爐內，進行高溫燒結，最終得到修復體模型，燒結溫度為900?11000C，保溫時間為1.5?2.5h，升溫速率為2.5?3.5°C/min;然后進行模壓塑性變形，并在預鍛和終鍛中間安排預熱和熱處理，獲得所需要的修復體模型坯件的形狀和尺寸;進行均勻化退火，用噴砂機打磨修復體模型的凸面及其邊緣，最后手工打磨，直至修復體模型表面達到技術要求，進而對其進行超聲波清洗和消毒處理;將制作好的修復體模型與步驟(5)中制成的二維合金網片貼合比較，并進行壓制，在壓制過程中把二維合金網片反復與修復體模型比較，直至兩者完全吻合，并修剪所述鈦合金網。
[0013](7)將步驟(6)中制得的產品置于溫度為55?65°C、濃度為7?8mol的NaOH溶液中浸泡2?4h，之后用水清洗后使其干燥，然后放入36?37 0C的SBF緩沖液中浸泡15?20h，清洗后干燥進行熱處理，以5°C/min的速率加熱至625?635°C保溫25?35分鐘，然后關閉電源隨爐冷卻至室溫，制得最終的合金腦顱骨修復體。
[0014]優選的，所述熱塑性樹脂為聚乙烯。
[0015]在上述任一方案中優選的是，所述壓制過程中用塑料薄膜將二維合金網片封住。
[0016]在上述任一方案中優選的是，所述模壓塑性變形中用到的模壓模具材料為Cr12MoV，預鍛前預熱溫度為380?400°C，終鍛后安排T4熱處理工藝。
[0017]在上述任一方案中優選的是，所述所述鈦粉和熱塑性樹脂粉末的粒徑分別為:150?200目和300?500目。
[0018]在上述任一方案中優選的是，在步驟(7)后還可對合金腦顱骨修復體再次進行消毒和烘干，并妥善保存。
[0019]本發明是根據多年的試驗和經驗所得各成分的配比和具體的步驟，并不是將各成分簡單疊加和步驟的隨意組合，而是根據各成分的相互作用原則進行的相應選擇，并且確定了最佳的制造步驟，因此，本發明具有顯著的意義。
[0020]本發明的有益效果:
[0021]1.本發明的方法完成了金屬修復體的邊緣界定和設計，不僅能確保修復體邊緣與顱骨缺損邊界完美貼合，而且因輪廓邊緣光滑而避免了對周圍軟組織的刺激與損傷。本發明方法制備的合金腦顱骨修復體不僅可實現修復體本身的修復功能，還可保證手術的精確性，獲得更好的顱骨修復后的外形效果，而且降低了軟組織刺激及損傷風險。
[0022]2.本發明面對不同患者的需求，能夠個性化設計，并直接制備出任意復雜形狀和高尺寸精度的合金腦顱骨修復體，可實現對修復套顯微組織和力學性能的控制，本發明方法所制備出的合金腦顱骨修復體力學性能優異，其彈性模量和強度與自然骨匹配，可滿足作為生物醫用材料所需要的生物力學相容性要求。
[0023]3.本發明所述的方法可實現顱骨修復體的精確成型，并且不易受顱骨修復假體形狀、薄厚程度等的限制;且合金腦顱骨修復體具有優良的生物學性能，便于臨床賦形。
[0024]4.本發明方法的工藝生產工序少、成本低、可操作性及重復性強，適合工業化推廣。
【具體實施方式】
[0025]以下結合具體實施例對本發明的技術方案作進一步描述，但要求保護的范圍并不局限于此。
[0026]實施例1
[0027]—種合金腦顱骨修復體的制備方法，包括以下步驟:
[0028](I)利用計算機斷層掃描技術(CT)方式獲取患者顱骨圖像數據，計算機斷層掃描技術的掃描間距為1.7mm，獲得的圖像數據用標準DICOM文件格式儲存于計算機可讀介質，得到顱骨缺損輪廓；
[0029](2)將DICOM格式的CT圖像數據導入數字化三維醫學影像交互式處理軟件Mimics中進行數據的讀取、分割及三維重建，選取分割后顱骨圖像的任一象素點，則與此象素點連接的三維區域均被臨時記錄下來，提取顱骨的灰度閾值范圍為2055;顱骨三維成型后，通過Mimics的鏡像功能將健側顱骨對稱復制到缺損部位，再利用透明功能使缺損形狀及邊緣可見，利用多面體分割功能沿著缺損邊緣切割修復體模型并進行分離;提取完成后以STL格式輸出修復體，并且存放有醫學圖象控制系統軟件的計算機輸出三維重建生成的顱骨模型；
[0030](3)利用逆向工程軟件Surfacer對顱骨缺損進行修補、CAD設計出個體化的顱骨缺損修復體，調整顱骨原型的位置，并提取出修復體曲面數據，根據顱骨缺損模型確定金屬修復體的邊緣輪廓，采用逆向設計、CAD設計出金屬修復體的曲面形狀，最后根據該修復體的曲面對金屬修復體進行塑形；
[0031](4)將步驟(3)中所獲得的曲面數據在有限元分析軟件Deform中通過計算、數據處理功能，根據修復體曲面，綜合金屬材料的彎曲、拉伸、壓延的塑性變形因素，反求出顱骨修復體平面狀態的邊緣輪廓和面積大小，獲得二維平面的修復體；
[0032](5)根據步驟(4)中獲得的二維平面的修復體，制作二維的合金網片:以海綿鈦為原料，將海綿鈦與氫氣混合，保持氫氣正壓為0.06MPa，在700°C保溫30min，確保海綿鈦與氫氣充分反應后降溫冷卻;然后對海綿鈦采用氣流磨進行破碎，氣流磨的轉速控制在1200r/min，破碎得到粒度為15um的氫化鈦粉末;將上述氫化鈦粉末作為原料，采用氬氣作為氣體射頻等離子體進行脫氫及球化處理，射頻等離子體輸出功率為75kw;并采用氬氣作為保護氣，保護氣流量為0.8m3/h，使形成穩定的等離子炬;然后采用氬氣作為載氣將氫化鈦粉輸送至等離子炬中央，送氫化鈦粉末的速率選擇在200g/min，氫化鈦粉在下落過程中經過等離子炬受熱熔融，并在氬氣的保護下沉積在收集罐中，即得鈦粉;將制得的鈦粉、選用金屬鎂粉、金屬鉬粉采用球磨工藝進行機械混合均勻，上述混合的粉末中金屬鎂粉的含量為5 %、金屬鉬粉的含量為5wt %，余量為鈦粉，球磨工藝的球料比為2.5:1，球磨時間為5h，轉速為80r/min;并對混合的粉末進行冷等靜壓，冷等靜壓的壓力為200Mpa，保壓時間為15min;在真空爐中對混合粉末進行激光燒結成形，獲得燒結粉末合金坯體，真空燒結時真空度要< 10—3Pa，燒結保溫時間為2.5h，激光功率為30W，坯體表面涂玻璃潤滑劑保護，然后對坯體進行機械加工，制成二維的合金網片，網片的厚度為40μπι;
[0033](6)根據在步驟(3)中提取的修復體曲面數據，燒制修復體模型，修復體模型使用的材料為步驟(5)中所制得的鈦粉以及熱塑性樹脂粉末，修復體模型中熱塑性樹脂粉末的含量為7wt %，在純度為99.3 %的惰性氬氣保護下，以CO2激光器為熱源，對混合粉末進行燒結成形，得到修復體模型坯件，激光功率為38W;在惰性氣體保護下，將修復體模型坯件放入脫脂爐內，直接進行熱脫脂;脫脂溫度為350°C，保溫時間為2.5h，脫除速率為2°C/min;在惰性氣體保護下，將修復體模型坯件放入燒結爐內，進行高溫燒結，最終得到修復體模型，燒結溫度為1100°C，保溫時間為1.5h，升溫速率為3.5°C/min;然后進行模壓塑性變形，并在預鍛和終鍛中間安排預熱和熱處理，獲得所需要的修復體模型坯件的形狀和尺寸;進行均勻化退火，用噴砂機打磨修復體模型的凸面及其邊緣，最后手工打磨，直至修復體模型表面達到技術要求，進而對其進行超聲波清洗和消毒處理;將制作好的修復體模型與步驟(5)中制成的二維合金網片貼合比較，并進行壓制，在壓制過程中把二維合金網片反復與修復體模型比較，直至兩者完全吻合，并修剪所述鈦合金網。
[0034](7)將步驟(6)中制得的產品置于溫度為55 °C、濃度為8moI的NaOH溶液中浸泡2h，之后用水清洗后使其干燥，然后放入37°C的SBF緩沖液中浸泡15h，清洗后干燥進行熱處理，以5°C/min的速率加熱至635°C保溫25分鐘，然后關閉電源隨爐冷卻至室溫，制得最終的合金腦顱骨修復體。
[0035]所述熱塑性樹脂為聚乙烯。
[0036]所述壓制過程中用塑料薄膜將二維合金網片封住。
[0037]所述模壓塑性變形中用到的模壓模具材料為Cr12MoV,預鍛前預熱溫度為400°C，終鍛后安排T4熱處理工藝。
[0038]所述所述鈦粉和熱塑性樹脂粉末的粒徑分別為:150目和500目。
[0039]在步驟(7)后還可對合金腦顱骨修復體再次進行消毒和烘干，并妥善保存。
[0040]實施例2
[0041]—種合金腦顱骨修復體的制備方法，包括以下步驟:
[0042](I)利用計算機斷層掃描技術(CT)方式獲取患者顱骨圖像數據，計算機斷層掃描技術的掃描間距為1.9mm，獲得的圖像數據用標準DICOM文件格式儲存于計算機可讀介質，得到顱骨缺損輪廓；
[0043](2)將DICOM格式的CT圖像數據導入數字化三維醫學影像交互式處理軟件Mimics中進行數據的讀取、分割及三維重建，選取分割后顱骨圖像的任一象素點，則與此象素點連接的三維區域均被臨時記錄下來，提取顱骨的灰度閾值范圍為505;顱骨三維成型后，通過Mimics的鏡像功能將健側顱骨對稱復制到缺損部位，再利用透明功能使缺損形狀及邊緣可見，利用多面體分割功能沿著缺損邊緣切割修復體模型并進行分離;提取完成后以STL格式輸出修復體，并且存放有醫學圖象控制系統軟件的計算機輸出三維重建生成的顱骨模型；
[0044](3)利用逆向工程軟件Surfacer對顱骨缺損進行修補、CAD設計出個體化的顱骨缺損修復體，調整顱骨原型的位置，并提取出修復體曲面數據，根據顱骨缺損模型確定金屬修復體的邊緣輪廓，采用逆向設計、CAD設計出金屬修復體的曲面形狀，最后根據該修復體的曲面對金屬修復體進行塑形；
[0045](4)將步驟(3)中所獲得的曲面數據在有限元分析軟件autoform中通過計算、數據處理功能，根據修復體曲面，綜合金屬材料的彎曲、拉伸、壓延的塑性變形因素，反求出顱骨修復體平面狀態的邊緣輪廓和面積大小，獲得二維平面的修復體；
[0046](5)根據步驟(4)中獲得的二維平面的修復體，制作二維的合金網片:以海綿鈦為原料，將海綿鈦與氫氣混合，保持氫氣正壓為0.07MPa，在680°C保溫40min，確保海綿鈦與氫氣充分反應后降溫冷卻;然后對海綿鈦采用氣流磨進行破碎，氣流磨的轉速控制在I 10r/min，破碎得到粒度為30um的氫化鈦粉末;將上述氫化鈦粉末作為原料，采用氬氣作為氣體射頻等離子體進行脫氫及球化處理，射頻等離子體輸出功率為65kw;并采用氬氣作為保護氣，保護氣流量為1.2m3/h，使形成穩定的等離子炬;然后采用氬氣作為載氣將氫化鈦粉輸送至等離子炬中央，送氫化鈦粉末的速率選擇在150g/min，氫化鈦粉在下落過程中經過等離子炬受熱熔融，并在氬氣的保護下沉積在收集罐中，即得鈦粉;將制得的鈦粉、選用金屬鎂粉、金屬鉬粉采用球磨工藝進行機械混合均勻，上述混合的粉末中金屬鎂粉的含量為1wt%、金屬鉬粉的含量為3wt%，余量為鈦粉，球磨工藝的球料比為1.5:1，球磨時間為8h，轉速為50r/min;并對混合的粉末進行冷等靜壓，冷等靜壓的壓力為300Mpa，保壓時間為1min;在真空爐中對混合粉末進行激光燒結成形，獲得燒結粉末合金坯體，真空燒結時真空度要< 10—3Pa，燒結保溫時間為3.5h，激光功率為20W，坯體表面涂玻璃潤滑劑保護，然后對坯體進行機械加工，制成二維的合金網片，網片的厚度為60μπι;
[0047](6)根據在步驟(3)中提取的修復體曲面數據，燒制修復體模型，修復體模型使用的材料為步驟(5)中所制得的鈦粉以及熱塑性樹脂粉末，修復體模型中熱塑性樹脂粉末的含量為5wt %，在純度為99.5 %的惰性氬氣保護下，以CO2激光器為熱源，對混合粉末進行燒結成形，得到修復體模型坯件，激光功率為32W;在惰性氣體保護下，將修復體模型坯件放入脫脂爐內，直接進行熱脫脂;脫脂溫度為450°C，保溫時間為1.5h，脫除速率為4°C/min;在惰性氣體保護下，將修復體模型坯件放入燒結爐內，進行高溫燒結，最終得到修復體模型，燒結溫度為900°C，保溫時間為2.5h，升溫速率為2.5°C/min;然后進行模壓塑性變形，并在預鍛和終鍛中間安排預熱和熱處理，獲得所需要的修復體模型坯件的形狀和尺寸;進行均勻化退火，用噴砂機打磨修復體模型的凸面及其邊緣，最后手工打磨，直至修復體模型表面達到技術要求，進而對其進行超聲波清洗和消毒處理;將制作好的修復體模型與步驟(5)中制成的二維合金網片貼合比較，并進行壓制，在壓制過程中把二維合金網片反復與修復體模型比較，直至兩者完全吻合，并修剪所述鈦合金網。
[0048](7)將步驟(6)中制得的產品置于溫度為65 °C、濃度為7moI的NaOH溶液中浸泡4h，之后用水清洗后使其干燥，然后放入36°C的SBF緩沖液中浸泡20h，清洗后干燥進行熱處理，以5°C/min的速率加熱至625°C保溫35分鐘，然后關閉電源隨爐冷卻至室溫，制得最終的合金腦顱骨修復體。
[0049]所述熱塑性樹脂為聚乙烯。
[0050]所述壓制過程中用塑料薄膜將二維合金網片封住。
[0051]所述模壓塑性變形中用到的模壓模具材料為Cr12MoV,預鍛前預熱溫度為380°C，終鍛后安排T4熱處理工藝。
[0052]所述所述鈦粉和熱塑性樹脂粉末的粒徑分別為:200目和300目。
[0053]在步驟(7)后還可對合金腦顱骨修復體再次進行消毒和烘干，并妥善保存。
[0054]實施例3
[0055]—種合金腦顱骨修復體的制備方法，包括以下步驟:
[0056](I)利用計算機斷層掃描技術(CT)方式獲取患者顱骨圖像數據，計算機斷層掃描技術的掃描間距為1.8mm，獲得的圖像數據用標準DICOM文件格式儲存于計算機可讀介質，得到顱骨缺損輪廓；
[0057](2)將DICOM格式的CT圖像數據導入數字化三維醫學影像交互式處理軟件Mimics中進行數據的讀取、分割及三維重建，選取分割后顱骨圖像的任一象素點，則與此象素點連接的三維區域均被臨時記錄下來，提取顱骨的灰度閾值范圍為1505;顱骨三維成型后，通過Mimics的鏡像功能將健側顱骨對稱復制到缺損部位，再利用透明功能使缺損形狀及邊緣可見，利用多面體分割功能沿著缺損邊緣切割修復體模型并進行分離;提取完成后以STL格式輸出修復體，并且存放有醫學圖象控制系統軟件的計算機輸出三維重建生成的顱骨模型；
[0058](3)利用逆向工程軟件Surfacer對顱骨缺損進行修補、CAD設計出個體化的顱骨缺損修復體，調整顱骨原型的位置，并提取出修復體曲面數據，根據顱骨缺損模型確定金屬修復體的邊緣輪廓，采用逆向設計、CAD設計出金屬修復體的曲面形狀，最后根據該修復體的曲面對金屬修復體進行塑形；
[0059](4)將步驟(3)中所獲得的曲面數據在有限元分析軟件Dynaform中通過計算、數據處理功能，根據修復體曲面，綜合金屬材料的彎曲、拉伸、壓延的塑性變形因素，反求出顱骨修復體平面狀態的邊緣輪廓和面積大小，獲得二維平面的修復體；
[0060](5)根據步驟(4)中獲得的二維平面的修復體，制作二維的合金網片:以海綿鈦為原料，將海綿鈦與氫氣混合，保持氫氣正壓為0.065MPa，在690 °C保溫35min，確保海綿鈦與氫氣充分反應后降溫冷卻；然后對海綿鈦采用氣流磨進行破碎，氣流磨的轉速控制在1150r/min，破碎得到粒度為25um的氫化鈦粉末;將上述氫化鈦粉末作為原料，采用氬氣作為氣體射頻等離子體進行脫氫及球化處理，射頻等離子體輸出功率為70kw;并采用氬氣作為保護氣，保護氣流量為1.0m3/h，使形成穩定的等離子炬;然后采用氬氣作為載氣將氫化鈦粉輸送至等離子炬中央，送氫化鈦粉末的速率選擇在180g/min，氫化鈦粉在下落過程中經過等離子炬受熱熔融，并在氬氣的保護下沉積在收集罐中，即得鈦粉;將制得的鈦粉、選用金屬鎂粉、金屬鉬粉采用球磨工藝進行機械混合均勻，上述混合的粉末中金屬鎂粉的含量為8wt%、金屬鉬粉的含量為4wt%，余量為鈦粉，球磨工藝的球料比為2:1，球磨時間為7h，轉速為60r/min;并對混合的粉末進行冷等靜壓，冷等靜壓的壓力為250Mpa，保壓時間為13min;在真空爐中對混合粉末進行激光燒結成形，獲得燒結粉末合金坯體，真空燒結時真空度要彡10—3Pa，燒結保溫時間為3h，激光功率為25W，坯體表面涂玻璃潤滑劑保護，然后對坯體進行機械加工，制成二維的合金網片，網片的厚度為50μπι ；
[0061](6)根據在步驟(3)中提取的修復體曲面數據，燒制修復體模型，修復體模型使用的材料為步驟(5)中所制得的鈦粉以及熱塑性樹脂粉末，修復體模型中熱塑性樹脂粉末的含量為6wt %，在純度為99.4 %的惰性氬氣保護下，以CO2激光器為熱源，對混合粉末進行燒結成形，得到修復體模型坯件，激光功率為35W;在惰性氣體保護下，將修復體模型坯件放入脫脂爐內，直接進行熱脫脂;脫脂溫度為400°C，保溫時間為2h，脫除速率為:TC/min;在惰性氣體保護下，將修復體模型坯件放入燒結爐內，進行高溫燒結，最終得到修復體模型，燒結溫度為1000°C，保溫時間為2h，升溫速率為:TC/min;然后進行模壓塑性變形，并在預鍛和終鍛中間安排預熱和熱處理，獲得所需要的修復體模型坯件的形狀和尺寸;進行均勻化退火，用噴砂機打磨修復體模型的凸面及其邊緣，最后手工打磨，直至修復體模型表面達到技術要求，進而對其進行超聲波清洗和消毒處理;將制作好的修復體模型與步驟(5)中制成的二維合金網片貼合比較，并進行壓制，在壓制過程中把二維合金網片反復與修復體模型比較，直至兩者完全吻合，并修剪所述鈦合金網。
[0062](7)將步驟(6)中制得的產品置于溫度為60 0C、濃度為7.5moI的NaOH溶液中浸泡3h，之后用水清洗后使其干燥，然后放入36.5°C的SBF緩沖液中浸泡18h，清洗后干燥進行熱處理，以5°C/min的速率加熱至630°C保溫30分鐘，然后關閉電源隨爐冷卻至室溫，制得最終的合金腦顱骨修復體。
[0063]所述熱塑性樹脂為聚乙烯。
[0064]所述壓制過程中用塑料薄膜將二維合金網片封住。
[0065]所述模壓塑性變形中用到的模壓模具材料為Cr12MoV,預鍛前預熱溫度為390°C，終鍛后安排T4熱處理工藝。
[0066]所述所述鈦粉和熱塑性樹脂粉末的粒徑分別為:180目和400目。
[0067]為保證效果，所用的聚乙烯粉末可在以氫氣為調節劑，采用粒度為0.3μπι的四氯化鈦催化劑，在反應溫度80°C、反應壓力為0.9MPa，攪拌轉速為300?500RPM的條件下制得。
[0068]本發明的方法完成了金屬修復體的邊緣界定和設計，不僅能確保修復體邊緣與顱骨缺損邊界完美貼合，而且因輪廓邊緣光滑而避免了對周圍軟組織的刺激與損傷。本發明方法制備的合金腦顱骨修復體不僅可實現修復體本身的修復功能，還可保證手術的精確性，獲得更好的顱骨修復后的外形效果，而且降低了軟組織刺激及損傷風險。
[0069]本發明面對不同患者的需求，能夠個性化設計，并直接制備出任意復雜形狀和高尺寸精度的合金腦顱骨修復體，可實現對修復套顯微組織和力學性能的控制，本發明方法所制備出的合金腦顱骨修復體力學性能優異，其彈性模量和強度與自然骨匹配，可滿足作為生物醫用材料所需要的生物力學相容性要求。
[0070]本發明所述的方法可實現顱骨修復體的精確成型，并且不易受顱骨修復假體形狀、薄厚程度等的限制;且合金腦顱骨修復體具有優良的生物學性能，便于臨床賦形。
[0071]本發明方法的工藝生產工序少、成本低、可操作性及重復性強，適合工業化推廣。
[0072]以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，并非是對本發明作其它形式的限制，任何熟悉本專業的技術人員可能利用上述揭示的技術內容加以變更或改型為等同變化的等效實施例。但是凡是未脫離本發明技術方案內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與改型，仍屬于本發明技術方案的保護范圍。
【主權項】
1.一種合金腦顱骨修復體的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)利用計算機斷層掃描技術(CT)方式獲取患者顱骨圖像數據，計算機斷層掃描技術的掃描間距為1.7?1.9mm，獲得的圖像數據用標準DICOM文件格式儲存于計算機可讀介質，得到顱骨缺損輪廓； (2)將DICOM格式的CT圖像數據導入數字化三維醫學影像交互式處理軟件Mimics中進行數據的讀取、分割及三維重建，選取分割后顱骨圖像的任一象素點，則與此象素點連接的三維區域均被臨時記錄下來，提取顱骨的灰度閾值范圍為505?2055;顱骨三維成型后，通過Mimics的鏡像功能將健側顱骨對稱復制到缺損部位，再利用透明功能使缺損形狀及邊緣可見，利用多面體分割功能沿著缺損邊緣切割修復體模型并進行分離;提取完成后以STL格式輸出修復體，并且存放有醫學圖象控制系統軟件的計算機輸出三維重建生成的顱骨模型； (3)利用逆向工程軟件Surfacer對顱骨缺損進行修補、CAD設計出個體化的顱骨缺損修復體，調整顱骨原型的位置，并提取出修復體曲面數據，根據顱骨缺損模型確定金屬修復體的邊緣輪廓，采用逆向設計、CAD設計出金屬修復體的曲面形狀，最后根據該修復體的曲面對金屬修復體進行塑形； (4)將步驟(3)中所獲得的曲面數據在有限元分析軟件Deform、autoform或Dynaform中通過計算、數據處理功能，根據修復體曲面，綜合金屬材料的彎曲、拉伸、壓延的塑性變形因素，反求出顱骨修復體平面狀態的邊緣輪廓和面積大小，獲得二維平面的修復體； (5)根據步驟(4)中獲得的二維平面的修復體，制作二維的合金網片:以海綿鈦為原料，將海綿鈦與氫氣混合，保持氫氣正壓為0.06?0.07MPa，在680?700 °C保溫30?40min，確保海綿鈦與氫氣充分反應后降溫冷卻;然后對海綿鈦采用氣流磨進行破碎，氣流磨的轉速控制在1100r/min?1200r/min，破碎得到粒度為15?30um的氫化鈦粉末;將上述氫化鈦粉末作為原料，采用氬氣作為氣體射頻等離子體進行脫氫及球化處理，射頻等離子體輸出功率為65kw?75kw;并采用氬氣作為保護氣，保護氣流量為0.8m3/h?1.2m3/h，使形成穩定的等離子炬;然后采用氬氣作為載氣將氫化鈦粉輸送至等離子炬中央，送氫化鈦粉末的速率選擇在150g/min?200g/min，氫化鈦粉在下落過程中經過等離子炬受熱熔融，并在氬氣的保護下沉積在收集罐中，即得鈦粉;將制得的鈦粉、選用金屬鎂粉、金屬鉬粉采用球磨工藝進行機械混合均勻，上述混合的粉末中金屬鎂粉的含量為5?10wt%、金屬鉬粉的含量為3?5wt %，余量為鈦粉，球磨工藝的球料比為2.5:1?1.5:1，球磨時間為5?8h，轉速為50?80r/min;并對混合的粉末進行冷等靜壓，冷等靜壓的壓力為200?300Mpa，保壓時間為10?15min;在真空爐中對混合粉末進行激光燒結成形，獲得燒結粉末合金坯體，真空燒結時真空度要< 10—3Pa，燒結保溫時間為2.5?3.5h，激光功率為20?30W，坯體表面涂玻璃潤滑劑保護，然后對坯體進行機械加工，制成二維的合金網片，網片的厚度為40?60μπι; (6)根據在步驟(3)中提取的修復體曲面數據，燒制修復體模型，修復體模型使用的材料為步驟(5)中所制得的鈦粉以及熱塑性樹脂粉末，修復體模型中熱塑性樹脂粉末的含量為5?7wt%，在純度為99.3%?99.5%的惰性氬氣保護下，以⑶2激光器為熱源，對混合粉末進行燒結成形，得到修復體模型坯件，激光功率為32?38W;在惰性氣體保護下，將修復體模型坯件放入脫脂爐內，直接進行熱脫脂;脫脂溫度為350?450°C，保溫時間為1.5?2.5h，脫除速率為2?4°C/min；在惰性氣體保護下，將修復體模型坯件放入燒結爐內，進行高溫燒結，最終得到修復體模型，燒結溫度為900?11000C，保溫時間為1.5?2.5h，升溫速率為2.5?3.5°C/min;然后進行模壓塑性變形，并在預鍛和終鍛中間安排預熱和熱處理，獲得所需要的修復體模型坯件的形狀和尺寸;進行均勻化退火，用噴砂機打磨修復體模型的凸面及其邊緣，最后手工打磨，直至修復體模型表面達到技術要求，進而對其進行超聲波清洗和消毒處理;將制作好的修復體模型與步驟(5)中制成的二維合金網片貼合比較，并進行壓制，在壓制過程中把二維合金網片反復與修復體模型比較，直至兩者完全吻合，并修剪所述鈦合金網。 (7)將步驟(6)中制得的產品置于溫度為55?65 0C、濃度為7?8moI的NaOH溶液中浸泡2?4h，之后用水清洗后使其干燥，然后放入36?37°C的SBF緩沖液中浸泡15?20h，清洗后干燥進行熱處理，以5°C/min的速率加熱至625?635°C保溫25?35分鐘，然后關閉電源隨爐冷卻至室溫，制得最終的合金腦顱骨修復體。2.根據權利要求1所述的合金腦顱骨修復體的制備方法，其特征在于，所述熱塑性樹脂為聚乙烯。3.根據權利要求1或2所述的合金腦顱骨修復體的制備方法，其特征在于，所述壓制過程中用塑料薄膜將二維合金網片封住。4.根據權利要求1或2或3所述的合金腦顱骨修復體的制備方法，其特征在于，所述模壓塑性變形中用到的模壓模具材料為Cr12MoV,預鍛前預熱溫度為380?400°C，終鍛后安排T4熱處理工藝。5.根據權利要求4所述的合金腦顱骨修復體的制備方法，其特征在于，所述所述鈦粉和熱塑性樹脂粉末的粒徑分別為:150?200目和300?500目。6.根據權利要求1-5所述的合金腦顱骨修復體的制備方法，其特征在于，在步驟(7)后還可對合金腦顱骨修復體再次進行消毒和烘干，并妥善保存。
【文檔編號】G06F19/00GK105893769SQ201610220575
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年4月11日
【發明人】劉國遠
【申請人】劉國遠