基於選擇性雷射熔化技術的人工顳下頜關節及其製造方法
2023-06-02 02:17:16
基於選擇性雷射熔化技術的人工顳下頜關節及其製造方法
【專利摘要】本發明提供一種基於選擇性雷射熔化技術的人工顳下頜關節，包括：髁突、髁突頸部和設有釘孔的鈦板；與人體下頜結構相同地，髁突突起於髁突頸部上端的後緣；髁突頸部下端設有鈦板。本發明採用選擇性雷射熔化技術對人工顳下頜關節進行3D列印成型，人工顳下頜關節根據每個患者下頜形狀訂製，與患者的下頜結構吻合程度極高。
【專利說明】基於選擇性雷射熔化技術的人工顳下頜關節及其製造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及人工關節領域，具體是一種基於選擇性雷射熔化技術的人工顳下頜關節及其製造方法。
【背景技術】
[0002]顳下頜關節(TMJ)是頜面部具有轉動和滑動運動的左右聯動關節。腫瘤、創傷或骨折、先天性畸形和骨軟骨炎可導致顳下頜關節佔位性病變或關節強直，嚴重影響咀嚼、吞咽、語言等重要功能，而腫瘤切除、骨性顳下頜關節強直手術及嚴重損傷等原因可導致下頜骨髁突缺失。為恢復面下1/3高度及顳下頜關節功能，需行顳下頜關節重建術。顳下頜關節重建術是利用自體組織移植或人工關節假體植入，重建接近生理狀態的關節結構，恢復下頜骨髁突的外形及功能，減輕患者疼痛，預防關節疾病的進一步發展。
[0003]現有技術中的，人工顳下頜關節一般使用成品人工關節，其關節形態單一，為平面帶螺釘孔的鈦板加上上端半圓形仿髁突結構。該結構不符合自然髁突的解剖形態，不能實現髁突的滑動以及轉動結合的功能性運動；此外，多數髁突假體為批量生產的成品，尺寸設計難以滿足每個患者的需要。
[0004]不難看出，現有技術還存在一定的缺陷。
【發明內容】
[0005]本發明所要解決的技術問題是提供一種基於選擇性雷射熔化技術的人工顳下頜關節及其製造方法，採用選擇性雷射熔化技術對人工顳下頜關節進行3D列印成型，人工顳下頜關節根據每個患者下頜形狀訂製，與患者的下頜結構吻合程度極高。
[0006]一種基於選擇 性雷射熔化技術的人工顳下頜關節，包括:髁突、髁突頸部和設有釘孔的鈦板；髁突突起於髁突頸部上端的後緣；所述鈦板設置於髁突頸部下端。
[0007]進一步的，所述基於選擇性雷射熔化技術的人工顳下頜關節還包括喙突；所述喙突突起於髁突頸部上端的前緣。
[0008]進一步的，所述髁突、髁突頸部和喙突，分別與患者下頜健側的髁突、髁突頸部和喙突的大小相等、形態對稱。
[0009]進一步的，所述鈦板上的釘孔數量不少於2個。
[0010]一種基於選擇性雷射熔化技術的人工顳下頜關節的製造方法，包括以下步驟:
[0011]S1、掃描，用CT掃描獲取患者顳下頜的基礎三維外形數據；
[0012]S2、建模，對基礎三維外形數據進行處理，根據手術截骨情況，將健側截斷平面以上的髁突、髁突頸部及喙突結構做矢狀面翻轉，並在翻轉後髁突頸部下端的頰側添加與患者下頜骨表面完全吻合的鈦板，以建立所述人工顳下頜關節的三維計算機模型；
[0013]S3、連接設計，對所述人工顳下頜關節的三維計算機模型進行連接設計；
[0014]S4、生成工藝參數，對所述人工顳下頜關節的三維計算機模型進行分層處理，生成相應的掃描路徑，保存並導出相應的工藝參數；[0015]S5、3D列印，將所述工藝參數導入3D列印設備，進行3D列印；
[0016]S6、噴砂，對3D列印製得的半成品進行噴砂處理。
[0017]進一步的，所述步驟S5具體包括以下步驟:
[0018]S501、所述3D列印設備設有基板，在基板上均勻鋪上鈦粉層；
[0019]S502、利用高能雷射按掃描路徑掃描基板上的鈦粉層，使鈦粉層融化冷卻固結在基板上；
[0020]S503、在已經固結的鈦粉層上再鋪上新的鈦粉層，並按掃描路徑對新的鈦粉層進行雷射掃描；
[0021]S504、重複步驟S503，直至人工顳下頜關節完全成型，再將成型的人工顳下頜關節從基板上取出。
[0022]進一步的，所述工藝參數包括人工顳下頜關節工件的擺放位置、擺放方式以及雷射的掃描方式、掃描速度、功率和光斑直徑。
[0023]進一步的，所述雷射的功率為50-200W，雷射的光斑直徑為50-180 μ m，雷射的掃描速度為50-500mm/s。
[0024]進一步的，所述鈦粉層的厚度為10-80 μ m;所述鈦粉層由球狀顆粒純鈦粉末組成，球狀顆粒純鈦粉末直徑為10-100 μ m。
[0025]進一步的，所述步驟S501至步驟S504，人工顳下頜關節工件均在99.999wt.%的氬氣保護環境中進行成型加工。`
[0026]本發明所提供的一種基於選擇性雷射熔化技術的人工顳下頜關節及其製造方法，採用選擇性雷射熔化技術對人工顳下頜關節進行3D列印成型，製造柔性程度高，人工顳下頜關節能根據患者的下頜結構個性訂製，與患者下頜結構具有極高的吻合度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0027]為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0028]圖1為本發明實施例提供的一種基於選擇性雷射熔化技術的人工顳下頜關節的結構示意圖。
[0029]附圖標記說明:
[0030]1、髁突2、髁突頸部
[0031]3、喙突4、鈦板
[0032]5、釘孔
【具體實施方式】
[0033]為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例和附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述。需要說明的是，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
[0034]實施例
[0035]請參閱圖1，本發明提供一種基於選擇性雷射熔化技術的人工顳下頜關節，包括:髁突1、髁突頸部2和設有釘孔5的鈦板4 ;與人體下頜結構相同地，髁突I突起於髁突頸部2上端的後緣；髁突頸部2下端設有鈦板4。
[0036]所述的基於選擇性雷射熔化技術的人工顳下頜關節還包括喙突3 ;與人體下頜結構相同地，喙突3突起於髁突頸部2上端的前緣。
[0037]本發明的人工顳下頜關節結構，與人體下頜結構完全相同。所述的髁突1、髁突頸部2以及喙突3均為人體下頜的結構。需要說明的是，根據力學研究表明，喙突3在下頜關節中不起主要受力作用，為使本發明的人工顳下頜關節更輕量化，可以在醫師或相關技術人員的判斷下，省略喙突3結構。在顳下頜關節重建術中，所述的鈦板4通過鈦釘與人體的下頜升支剛性連接，使本發明人工顳下頜關節代替患者受損的下頜髁突I關節。
[0038]所述髁突1、髁突頸部2和喙突3，分別與患者下頜健側的髁突1、髁突頸部2和喙突3的大小相等、形態對稱。
[0039]與現有技術不同，本發明的人工顳下頜關節並非按單一規格批量生產的下頜假體成品，而是按患者下頜結構個性化訂製而成。本發明的人工顳下頜關節的髁突1、髁突頸部2及喙突3，完全根據患者下頜健側的髁突1、髁突頸部2及喙突3按一比一對稱成型所得，其結構與患者的生理結構完全一致。
[0040]所述鈦板4上的釘孔5數量不少於兩個。
[0041]如果釘孔5的數量只有一個，會導致本發明的人工顳下頜關節與患者的下頜升支連接無法充分固定，使人工顳 下頜關節僅與患者的下頜升支鉸接，人工顳下頜關節仍能夠在患者的下頜升支上旋轉。為保證連接緊密，固定充分，鈦板4上的釘孔5數量不少於兩個。
[0042]本發明還提供一種基於選擇性雷射熔化技術的人工顳下頜關節的製造方法，包括以下步驟:
[0043]S1、掃描，用CT掃描獲取患者顳下頜的基礎三維外形數據；
[0044]本步驟通過CT掃描直接從患者下頜獲取三維外形數據，是區別於現有技術的重要步驟之一。現有技術僅仿照人體下頜的外形做相應的設計，批量製作出幾個不同型號的下頜假體。顯然地，每個患者的下頜結構形狀具有個體差異，批量設計的成品假體顯然不能吻合每個患者的生理結構。
[0045]S2、建模，對基礎三維外形數據進行處理，根據手術截骨情況，將健側截斷平面以上的髁突1、髁突頸部2及喙突3結構做矢狀面翻轉，並在翻轉後髁突頸部2下端的頰側添加與患者下頜骨表面完全吻合的鈦板4，以建立所述人工顳下頜關節的三維計算機模型；
[0046]本步驟是步驟SI的後續處理。通過步驟SI從患者處獲得的三維外形數據，對數據進行三維建模，並能在三維計算機模型中根據患者健側的髁突1、髁突頸部2及喙突3結構，重構替換已受損的髁突1、髁突頸部2及喙突3結構，保證修復結構與患者的生理結構完全吻合。
[0047]S3、連接設計，對所述人工顳下頜關節的三維計算機模型進行連接設計；
[0048]由於顳下頜關節重建術中僅需對損壞的髁突1、髁突頸部2及喙突3結構進行重建，因此僅需要製作出具有髁突1、髁突頸部2及喙突3結構的人工顳下頜關節，再將人工顳下頜關節與人體下頜升支連接。人工顳下頜關節與人體下頜升支的連接是通過鈦板4連接的。因此，應根據患者的具體情況，設計出相應的鈦板4，並設計出所需的釘孔5，用於連接人工顳下頜關節與人體下頜升支，保證人工顳下頜關節與人體下頜升支的連接緊密，固定充分。必要時可利用有限元分析的方法驗證釘孔5的數量及強度是否滿足要求。
[0049]S4、生成工藝參數，對所述人工顳下頜關節的三維計算機模型進行分層處理，生成相應的掃描路徑，保存並導出相應的工藝參數；
[0050]本步驟是對步驟S5的預處理。要對上述步驟建模所得的三維計算機模型進行實體成型製造，必須對三維計算機模型進行數據轉換，生成相應的工藝參數，為步驟S5做準備。所述工藝參數包括人工顳下頜關節工件的擺放位置、擺放方式以及雷射的掃描方式、掃描速度、功率和光斑直徑。
[0051]S5、3D列印，將所述工藝參數導入3D列印設備，進行3D列印；
[0052]本步驟是區別於現有技術的又一步驟。利用選擇性雷射熔化技術進行3D列印成型，具有極高的加工柔性。根據步驟S4生成的工藝參數，直接完成人工顳下頜關節的成型製造，生廣效率聞，製造成品能吻合不冋患者的個性化生理結構。
[0053]S6、噴砂，對3D列印製得的半成品進行噴砂處理。
[0054]此步驟用於對步驟S5所得的半成品進行精加工。步驟S5所得的純鈦金屬表面偶見孔徑約為30 μ m的不規則孔隙。雷射成型的純鈦半成品經過步驟S6噴砂處理後，能夠去除金屬表面的未燒結完全的球狀顆粒，以及能降低表面的粗糙度。經實驗表明，人工顳下頜關節表面粗糖度在嗔砂如為12.4 μ m,嗔砂後為2.3 μ m,嗔砂後的人工顏下頌關節表面明顯比噴砂前更為光滑。
[0055]所述步驟S5具體`包括以下步驟:
[0056]S501、所述3D列印設備設有基板，在基板上均勻鋪上鈦粉層；
[0057]S502、利用高能雷射按掃描路徑掃描基板上的鈦粉層，使鈦粉層融化冷卻固結在基板上；
[0058]S503、在已經固結的鈦粉層上再鋪上新的鈦粉層，並按掃描路徑對新的鈦粉層進行雷射掃描；
[0059]S504、重複步驟S503，直至人工顳下頜關節完全成型，再將成型的人工顳下頜關節從基板上取出。
[0060]為了達到更好的加工效果，提高成品的加工精度，所述雷射的功率為50-200W，雷射的光斑直徑為50-180μπι，雷射的掃描速度為50-500mm/s。所述鈦粉層的厚度為10-80 μ m ;所述鈦粉層由球狀顆粒純鈦粉末組成，球狀顆粒純鈦粉末直徑為10-100 μ m。
[0061]在本實施例中，所採用的雷射的功率為100W，雷射的光斑直徑為87μπι，雷射的掃描速度為275mm/s。所採用的鈦粉層的厚度為30 μ m ;所述鈦粉層由球狀顆粒純鈦粉末組成，球狀顆粒純鈦粉末直徑為30 μ m。
[0062]為防止加工過程中鈦粉氧化，所述步驟S501至步驟S504，人工顳下頜關節工件均在99.999wt.%的氬氣保護環境中進行成型加工。
[0063]本發明所提供的一種基於選擇性雷射熔化技術的人工顳下頜關節及其製造方法，採用選擇性雷射熔化技術對人工顳下頜關節進行3D列印成型，成型材料為具有良好生物相容性的純鈦。製作人工顳下頜關節前，先對每個患者的下頜進行CT掃描，獲取患者實際的下頜結構三維數據，再根據每個患者下頜形狀訂製出個性化的人工顳下頜關節，因而本發明的人工顳下頜關節與患者的下頜結構吻合程度極高。同時，
[0064]成型材料純鈦具有較高的強度，保證成型吻合患者個體生理結構的同時，保證成型所得的人工顳下頜關節堅固使用，最大限度地對真實的人體下頜結構進行仿真製作。
[0065]以上所述實施例僅表達了本發明的一種實施方式，其描述較為具體和詳細，但並不能因此而理解為對本發明專利範圍的限制。應當指出的是，對於本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬於本發明的保護範圍。因此，本發明專 利的保護範圍應以所附權利要求為準。
【權利要求】
1.一種基於選擇性雷射熔化技術的人工顳下頜關節，其特徵在於，包括:髁突、髁突頸部和設有釘孔的鈦板；髁突突起於髁突頸部上端的後緣；所述鈦板設置於髁突頸部下端。
2.根據權利要求1所述的基於選擇性雷射熔化技術的人工顳下頜關節，其特徵在於:還包括喙突；所述喙突突起於媒突頸部上端的前緣。
3.根據權利要求2所述的基於選擇性雷射熔化技術的人工顳下頜關節，其特徵在於:所述髁突、髁突頸部和喙突，分別與患者下頜健側的髁突、髁突頸部和喙突的大小相等、形態對稱。
4.根據權利要求1所述的基於選擇性雷射熔化技術的人工顳下頜關節，其特徵在於:所述鈦板上的釘孔數量不少於2個。
5.一種基於選擇性雷射熔化技術的人工顳下頜關節的製造方法，其特徵在於，包括以下步驟: 51、掃描，用CT掃描獲取患者顳下頜的基礎三維外形數據； 52、建模，對基礎三維外形數據進行處理，根據手術截骨情況，將健側截斷平面以上的髁突、髁突頸部及喙突結構做矢狀面翻轉，並在翻轉後髁突頸部下端的頰側添加與患者下頜骨表面完全吻合的鈦板，以建立所述人工顳下頜關節的三維計算機模型； 53、連接設計，對所述人工顳下頜關節的三維計算機模型進行連接設計； 54、生成工藝參數，對所述人工顳下頜關節的三維計算機模型進行分層處理，生成相應的掃描路徑，保存並導出相應的工藝參數； 55、3D列印，將所述工藝參數導入3D列印設備，進行3D列印； 56、噴砂，對3D列印製得的半成品`進行噴砂處理。
6.根據權利要求5所述的基於選擇性雷射熔化技術的人工顳下頜關節的製造方法，其特徵在於:所述步驟S5具體包括以下步驟: 5501、所述3D列印設備設有基板，在基板上均勻鋪上鈦粉層； 5502、利用高能雷射按掃描路徑掃描基板上的鈦粉層，使鈦粉層融化冷卻固結在基板上； 5503、在已經固結的鈦粉層上再鋪上新的鈦粉層，並按掃描路徑對新的鈦粉層進行雷射掃描; 5504、重複步驟S503，直至人工顳下頜關節完全成型，再將成型的人工顳下頜關節從基板上取出。
7.根據權利要求5所述的基於選擇性雷射熔化技術的人工顳下頜關節的製造方法，其特徵在於:所述工藝參數包括人工顳下頜關節工件的擺放位置、擺放方式以及雷射的掃描方式、掃描速度、功率和光斑直徑。
8.根據權利要求7所述的基於選擇性雷射熔化技術的人工顳下頜關節的製造方法，其特徵在於:所述雷射的功率為50-200W，雷射的光斑直徑為50-180 μ m，雷射的掃描速度為50_500mm/s。
9.根據權利要求6所述的基於選擇性雷射熔化技術的人工顳下頜關節的製造方法，其特徵在於:所述鈦粉層的厚度為10-80 μ m;所述鈦粉層由球狀顆粒純鈦粉末組成，球狀顆粒純鈦粉末直徑為10-100 μ m。
10.根據權利要求6所述的基於選擇性雷射熔化技術的人工顳下頜關節的製造方法，其特徵在於:所述步驟S501至步驟S504，人工顳下頜關節工件均在99.999wt.%的氬氣保護環境中進行成 型加工。
【文檔編號】A61F2/30GK103750923SQ201310712553
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2013年12月20日 優先權日:2013年12月20日
【發明者】張志光, 陳建宇, 羅崇岱, 張春雨, 陳賢帥 申請人:中山大學附屬口腔醫院