本發(fā)明涉及生物材料加工技術(shù)，尤其涉及一種用于修復(fù)眼眶骨折后骨性缺損區(qū)的多孔異形人工眼眶骨制備方法。

背景技術(shù)：

骨性眼眶(包括額骨、顴骨、上頜骨、淚骨、篩骨、腭骨和蝶骨)占人體23塊顱骨的1/3，均屬于不規(guī)則非運(yùn)動(dòng)骨，額骨、上頜骨、篩骨和蝶骨還是多孔異形的含氣骨，既輕便又堅(jiān)固，不但支持著人體解剖上的視功能，也是個(gè)性化顏面外觀最重要的組成部分。隨著交通發(fā)展帶來的車禍日益增多，外傷導(dǎo)致的眼眶骨折，如眼眶爆裂性骨折、眶緣骨折等嚴(yán)重疾病的發(fā)病率逐年提高。眼眶骨折常導(dǎo)致眼眶后部內(nèi)容擴(kuò)大、軟組織嵌頓，如不能得到及時(shí)有效的修復(fù)，輕則眼球內(nèi)陷、復(fù)視、眼球運(yùn)動(dòng)障礙、張口受限、張口疼痛，重則導(dǎo)致視功能損毀、顏面畸形。臨床上對(duì)于眼眶骨折的治療目的在于盡早恢復(fù)眶緣、眶壁的正常解剖位置，從而恢復(fù)眶腔的正常形態(tài)和容積；就患者而言，其對(duì)手術(shù)及時(shí)矯正眼球凹陷、改善眼球運(yùn)動(dòng)功能、提高自身顏面美觀的期望也非常高。醫(yī)患兩方面的共同需求決定了快速個(gè)性化眼眶修復(fù)一直是近年來的熱點(diǎn)。

適宜的修復(fù)材料是快速個(gè)性化眼眶修復(fù)成功的關(guān)鍵。眼眶修復(fù)材料的選擇三原則，即組織相容性和生物活性好，符合眼眶骨多孔異形的生理形態(tài)特征，以及便于植入。在目前常用的眾多眼眶骨折修復(fù)材料中，醫(yī)用硅膠、同種異體骨、自體骨、medpor、鈦網(wǎng)、以羥基磷灰石(Hydroxyapatite，HP)為代表的生物陶瓷人工復(fù)合骨等，各有優(yōu)劣。硅膠輕便易塑形，但支撐力差，有排斥反應(yīng)；同種異體骨取材廣泛，但問題是難以獲得與眼眶骨相似的骨質(zhì)結(jié)構(gòu)，還存在不能獲得即刻穩(wěn)定，需要等待骨愈合時(shí)間，以及異體骨排斥、吸收、不愈合的可能；自體骨雖不排異，但所能取的肋軟骨、髂骨等與眼眶骨的骨質(zhì)不一致，且取骨會(huì)造成新的傷害；Medpor，全稱高密度多孔聚乙烯，分子量100萬以上，熱變形溫度(0.46MPa)85℃，熔點(diǎn)130～136℃，輕便堅(jiān)固，組織相容性好，有一定的可塑性，目前在眼眶骨質(zhì)修補(bǔ)和義眼臺(tái)手術(shù)中使用較多，其缺點(diǎn)是只能被纖維組織包裹，可能脫落移位，必須覆蓋的組織皮膚必須血供良好，單純皮片覆蓋難以成活，另外在影像學(xué)上不能清晰顯示，影響了術(shù)后評(píng)估；目前的鈦網(wǎng)屬于僅關(guān)心力學(xué)性能的第一代骨修復(fù)材料，其力學(xué)性能優(yōu)良，生物惰性，不可降解，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)有利于肉芽爬行，作為人工骨假體植入人體后能立即重建缺損處骨組織的生物功能，缺點(diǎn)是不能被人體吸收，不能促進(jìn)新骨生長，不能與鄰近健康骨形成生物和化學(xué)結(jié)合，長期機(jī)械穩(wěn)定性不好，松動(dòng)產(chǎn)生無菌性炎癥導(dǎo)致植入失敗等；氧化鋁、氧化鋯、氮化硅為基礎(chǔ)的第一代生物陶瓷人工骨，以羥基磷灰石為基礎(chǔ)的第二代生物陶瓷人工骨和以人工合成硅酸鹽體系為基礎(chǔ)的第三代生物陶瓷人工骨，更加關(guān)注生物活性以及骨誘導(dǎo)和血管誘導(dǎo)性，其植入體內(nèi)后，在生理環(huán)境中能夠釋放鈣、硅和鎂等離子，促進(jìn)干細(xì)胞成骨分化，提高成骨細(xì)胞活力，進(jìn)而增強(qiáng)骨再生，是目前臨床上長骨、短骨、扁骨等骨質(zhì)缺失后的最佳替代物，廣泛見于眼球缺損后的義眼臺(tái)植入，但因產(chǎn)品質(zhì)地硬，傳統(tǒng)加工工藝(車銑鉗等)極難塑形，難以獲得具有眼眶骨特殊形態(tài)，故限制了其在眼眶骨修復(fù)中的應(yīng)用。為提高其可塑性，2002年高志忠等提出了羥基磷灰石－超高分子量聚乙烯復(fù)合骨片的制備方法(申請(qǐng)?zhí)朇N02148789.8)，其在模具中鋪設(shè)羥基磷灰石顆粒和鉆孔的超高分子量聚乙烯薄片高溫高壓獲得成品，本品目前已在基礎(chǔ)和臨床上廣泛使用，如陳德夫等2003年在快速成型和快速制造雜志上發(fā)表的《羥基磷灰石_超高分子量聚乙烯復(fù)合骨片的制備及兔眶植入實(shí)驗(yàn)觀察》，胡繼發(fā)等2010年在中華眼外傷職業(yè)眼病雜志發(fā)表的《在爆裂性眼眶骨折修復(fù)中羥基磷灰石復(fù)合體應(yīng)用的意義》，人造復(fù)合骨有良好的組織相容性和骨傳導(dǎo)性，術(shù)中將復(fù)合骨片泡在85°水中變軟彎制成任意形狀，冷卻后不再變形，可用剪刀修剪成所需形狀。術(shù)后所有病例均獲得不同程度外觀的改善，CT顯影清晰，但該復(fù)合骨片存在的問題是厚度不能超過5mm，否則將失去可塑性，另外，術(shù)中彎制形狀完全憑借個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，耗費(fèi)時(shí)間且外形精準(zhǔn)性不高，無法加工出個(gè)性化的額骨、顴骨、上頜骨、淚骨、篩骨、腭骨和蝶骨這樣多孔和具有鏤空、曲面、螺旋等高級(jí)異形程度的不規(guī)則骨，若以單個(gè)病例為模板取材開模具塑形，耗時(shí)長達(dá)數(shù)周到數(shù)月，費(fèi)用昂貴，從而制約了其開展。

近年來，基于CAD的新型制造技術(shù)——3D技術(shù)，具有制造個(gè)體化和一次成型的特點(diǎn)，構(gòu)建出任意復(fù)雜形狀的三維實(shí)體，為組織工程支架的仿形與仿生制造提供了一條新途徑，也迅速用于眼眶骨缺損修復(fù)中。如陳琳琳等提出了眼眶修復(fù)材料的制作方法和裝置(申請(qǐng)?zhí)朇N201610329830.8)，將待修復(fù)部位的三維數(shù)字模型的數(shù)據(jù)輸入至聚醚醚酮3D打印機(jī)，打印出擬獲得的實(shí)體模型，聚醚醚酮是半結(jié)晶性、熱塑性塑料，植入活體后生物相容性、生物安全性良好，但其生物惰性卻限制了骨傳導(dǎo)和骨整合等生物功能性,導(dǎo)致其作為骨科植入材料的使用效果不如生物陶瓷為基礎(chǔ)的人工骨。至于張巍曾提出的一種3D人體眼眶骨(申請(qǐng)?zhí)朇N201520049051.3)，其僅為一種用于醫(yī)學(xué)教學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)化的模型道具，與臨床毫不相干。

鑒于此，如能利用生物陶瓷良好的組織相容性和生物活性，進(jìn)而獲得個(gè)性化的多孔異形眼眶骨，無疑對(duì)臨床有著積極的意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有產(chǎn)品存在的上述缺點(diǎn)，而提供一種多孔異形人工眼眶骨制備方法，其以納米級(jí)別醫(yī)用生物陶瓷粉末原料為基礎(chǔ)，采用3D打印的先進(jìn)制造技術(shù)，快速獲得外形準(zhǔn)確的多孔異形人工眼眶骨，可有效提高眼眶骨折后的修復(fù)治療手術(shù)效果，治愈更多眼眶病患者。

本發(fā)明的目的是由以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。

本發(fā)明多孔異形人工眼眶骨制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一、制備納米級(jí)別醫(yī)用生物陶瓷粉末原料和有機(jī)粘結(jié)劑并裝盒；

步驟二、使用圖像采集裝置獲取人體骨性眼眶缺損區(qū)域的圖片，通過計(jì)算機(jī)處理圖片后，建立擬用來修補(bǔ)眼眶缺損部位的多孔異形人工眼眶骨3D模型和參數(shù)；

步驟三、根據(jù)步驟二獲得的多孔異形人工眼眶骨3D模型及參數(shù)，用3D打印機(jī)完成多孔異形人工眼眶骨初坯實(shí)體；

步驟四、后處理，將多孔異形人工眼眶骨初坯實(shí)體工件進(jìn)行脫粘和高溫?zé)Y(jié)，獲得多孔異形人工眼眶骨成品。

前述的多孔異形人工眼眶骨制備方法，其特征在于，所述步驟一、制備納米級(jí)別醫(yī)用生物陶瓷粉末原料和有機(jī)粘結(jié)劑并裝盒；該納米級(jí)別醫(yī)用生物陶瓷粉末原料包括羥基磷灰石、CaMg(SiO3)2、氧化鋁、氧化鋯或者氮化硅的陶瓷粉。

前述的多孔異形人工眼眶骨制備方法，其中：

所述步驟一、制備納米級(jí)別醫(yī)用生物陶瓷粉末原料和有機(jī)粘結(jié)劑并裝盒：

(1)制備納米級(jí)別醫(yī)用生物陶瓷粉末原料：原料成分配比為70％～90％上述納米級(jí)別醫(yī)用生物陶瓷粉末中的一種和10％～30％的聚乙烯醇粉，通過電動(dòng)藥粉混合機(jī)在常溫下充分混和均勻后，置于3D打印機(jī)的鋪粉槽內(nèi)，并傳送到漏粉盒；(2)有機(jī)粘合劑原料為采用石蠟、聚乙二醇、聚乙烯、聚丙烯、聚乙烯醇、聚乙烯吡絡(luò)烷酮中的一種，使用氯仿、二硫化碳、二甲苯或者乙醇進(jìn)行溶解，配成濃度為0.05％至5.00％的溶液，然后注入3D打印機(jī)的干凈噴墨盒；

所述步驟二、建立多孔人工眼眶骨3D模型和參數(shù)，先使用320排高速螺旋CT機(jī)獲取人體骨性眼眶缺損區(qū)域的圖片，再由計(jì)算機(jī)處理圖片后，建立擬用來修補(bǔ)眼眶缺損部位的多孔人工眼眶骨3D模型和參數(shù)；

所述步驟三、根據(jù)步驟二獲得的人工眼眶骨3D模型及參數(shù)，用3D打印機(jī)完成人工眼眶骨初坯實(shí)體是，由3D打印機(jī)完成鋪設(shè)生物陶瓷粉末與打印有機(jī)粘結(jié)劑動(dòng)作，制備出多孔異形人工眼眶骨初坯實(shí)體；

所述步驟四、將多孔異形人工眼眶骨初坯實(shí)體工件進(jìn)行脫粘和高溫?zé)Y(jié)，獲得多孔異形人工眼眶骨成品是：首先將用3D打印機(jī)制備出的多孔異形人工眼眶骨初坯放入高溫節(jié)能燒結(jié)爐，以梯度升溫到500°的方式進(jìn)行脫粘處理，持續(xù)時(shí)間為2～5小時(shí)，除去粘合劑；再采用高溫?zé)Y(jié)工藝對(duì)人工眼眶骨初坯實(shí)體進(jìn)行燒結(jié)處理，燒結(jié)溫度為1200°～1350°，燒結(jié)過程持續(xù)時(shí)間為2～5小時(shí)；最終使3D打印機(jī)制備的多孔異形人工眼眶骨達(dá)到足夠強(qiáng)度，成為成品。

前述的多孔異形人工眼眶骨制備方法，其特征在于，用3D打印機(jī)完成人工眼眶骨初坯實(shí)體是：首先3D打印機(jī)上的漏粉機(jī)把生物陶瓷粉末灑一個(gè)圓形層，層厚為0.05±0.01mm；然后3D打印機(jī)噴嘴按照設(shè)計(jì)的多孔異形人工眼眶骨初坯實(shí)體形狀，在該圓形層粉末上噴設(shè)有機(jī)粘合劑，有粘結(jié)劑的地方，生物陶瓷粉末會(huì)粘合到在一起，一層一層生物陶瓷粉末和噴設(shè)的有機(jī)粘合劑粘結(jié)后，形成人工眼眶骨初坯實(shí)體的立體結(jié)構(gòu)，未與有機(jī)粘合劑粘結(jié)的生物陶瓷粉末脫落，靜置1天后，待未與有機(jī)粘合劑粘結(jié)的生物陶瓷粉末完全脫落，制成具有鏤空、曲面、螺旋特征結(jié)構(gòu)的多孔人工眼眶骨初坯實(shí)體。

本發(fā)明多孔異形人工眼眶骨制備方法的有益效果，本發(fā)明可以獲得各種各樣的多孔異形人工眼眶骨，既輕便又堅(jiān)固，產(chǎn)品更符合生理特征，且外形更加精確；本發(fā)明的制備方法不需要開設(shè)模具，生產(chǎn)工藝簡潔，效率更高，能夠節(jié)約人力、物力和財(cái)力，效果理想。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明多孔異形人工眼眶骨制備方法，其包括以下步驟：

步驟一、制備納米級(jí)別醫(yī)用生物陶瓷粉末原料和有機(jī)粘結(jié)劑并裝盒；

步驟二、使用圖像采集裝置獲取人體骨性眼眶缺損區(qū)域的圖片，通過計(jì)算機(jī)處理圖片后，建立擬用來修補(bǔ)眼眶缺損部位的多孔異形人工眼眶骨3D模型和參數(shù)；

步驟三、根據(jù)步驟二獲得的多孔異形人工眼眶骨3D模型及參數(shù)，用3D打印機(jī)完成多孔異形人工眼眶骨初坯實(shí)體；

步驟四、后處理，將多孔異形人工眼眶骨初坯實(shí)體工件進(jìn)行脫粘和高溫?zé)Y(jié)，獲得多孔異形人工眼眶骨成品。

本發(fā)明多孔異形人工眼眶骨制備方法，其中：步驟一、制備納米級(jí)別醫(yī)用生物陶瓷粉末原料和有機(jī)粘結(jié)劑并裝盒；該納米級(jí)別醫(yī)用生物陶瓷粉末原料包括羥基磷灰石、CaMg(SiO3)2、氧化鋁、氧化鋯或者氮化硅的陶瓷粉。

本發(fā)明多孔異形人工眼眶骨制備方法，其中：

所述步驟一、制備納米級(jí)別醫(yī)用生物陶瓷粉末原料和有機(jī)粘結(jié)劑并裝盒：

(1)制備納米級(jí)別醫(yī)用生物陶瓷粉末原料：原料成分配比為70％～90％上述納米級(jí)別醫(yī)用生物陶瓷粉末中的一種和10％～30％的聚乙烯醇粉，通過電動(dòng)藥粉混合機(jī)在常溫下充分混和均勻后，置于3D打印機(jī)的鋪粉槽內(nèi)，并傳送到漏粉盒；(2)有機(jī)粘合劑原料為采用石蠟、聚乙二醇、聚乙烯、聚丙烯、聚乙烯醇、聚乙烯吡絡(luò)烷酮中的一種，使用氯仿、二硫化碳、二甲苯或者乙醇進(jìn)行溶解，配成濃度為0.05％至5.00％的溶液，然后注入3D打印機(jī)的干凈噴墨盒；

所述步驟二、建立多孔人工眼眶骨3D模型和參數(shù)，先使用320排高速螺旋CT機(jī)獲取人體骨性眼眶缺損區(qū)域的圖片，再由計(jì)算機(jī)處理圖片后，建立擬用來修補(bǔ)眼眶缺損部位的多孔人工眼眶骨3D模型和參數(shù)；

所述步驟三、根據(jù)步驟二獲得的人工眼眶骨3D模型及參數(shù)，用3D打印機(jī)完成人工眼眶骨初坯實(shí)體是，由3D打印機(jī)完成鋪設(shè)生物陶瓷粉末與打印有機(jī)粘結(jié)劑動(dòng)作，制備出多孔異形人工眼眶骨初坯實(shí)體；

所述步驟四、將多孔異形人工眼眶骨初坯實(shí)體工件進(jìn)行脫粘和高溫?zé)Y(jié)，獲得多孔異形人工眼眶骨成品是：首先將用3D打印機(jī)制備出的多孔異形人工眼眶骨初坯放入高溫節(jié)能燒結(jié)爐，以梯度升溫到500°的方式進(jìn)行脫粘處理，持續(xù)時(shí)間為2～5小時(shí)，除去粘合劑；再采用高溫?zé)Y(jié)工藝對(duì)人工眼眶骨初坯實(shí)體進(jìn)行燒結(jié)處理，燒結(jié)溫度為1200°～1350°，燒結(jié)過程持續(xù)時(shí)間為2～5小時(shí)；最終使3D打印機(jī)制備的多孔異形人工眼眶骨達(dá)到足夠強(qiáng)度，成為成品。用3D打印機(jī)完成人工眼眶骨初坯實(shí)體是：首先3D打印機(jī)上的漏粉機(jī)把生物陶瓷粉末灑一個(gè)圓形層，層厚為0.05±0.01mm；然后3D打印機(jī)噴嘴按照設(shè)計(jì)的多孔異形人工眼眶骨初坯實(shí)體形狀，在該圓形層粉末上噴設(shè)有機(jī)粘合劑，有粘結(jié)劑的地方，生物陶瓷粉末會(huì)粘合到在一起，一層一層生物陶瓷粉末和噴設(shè)的有機(jī)粘合劑粘結(jié)后，形成人工眼眶骨初坯實(shí)體的立體結(jié)構(gòu)，未與有機(jī)粘合劑粘結(jié)的生物陶瓷粉末脫落，靜置1天后，待未與有機(jī)粘合劑粘結(jié)的生物陶瓷粉末完全脫落，制成具有鏤空、曲面、螺旋特征結(jié)構(gòu)的多孔人工眼眶骨初坯實(shí)體。

下面針對(duì)修復(fù)單側(cè)眼眶爆裂性骨折所需制備的多孔異形人工眼眶骨，以羥基磷灰石作基礎(chǔ)材料為例，說明本發(fā)明的具體實(shí)施方式，具體步驟如下：

步驟一、制備羥基磷灰石粉末原料和有機(jī)粘結(jié)劑并裝盒：羥基磷灰石原料的主成分配比為90％納米級(jí)別醫(yī)用羥基磷灰石粉末和10％聚乙烯醇粉，電動(dòng)藥粉混合機(jī)在常溫下充分混和均勻后，置于3D打印機(jī)的鋪粉槽，并傳送到漏粉盒；有機(jī)粘合劑聚乙烯吡絡(luò)烷酮溶于乙醇，配成濃度0.05％的溶液，然后注入3D打印機(jī)的干凈噴墨盒。

步驟二、設(shè)計(jì)出眼眶壁和眼眶緣填充所需制備的多孔異形人工眼眶骨：拍攝患者雙側(cè)眼眶CT數(shù)據(jù)，獲得傷側(cè)和健側(cè)的眼眶圖片，導(dǎo)入mimics14.0(美國Materialise公司)進(jìn)行健側(cè)和傷側(cè)的眼眶骨質(zhì)劃分、鏡像重建；使用geomagic Studio12.0(美國geomagic公司)，將健側(cè)眼眶做鏡像生成傷側(cè)眼眶的目標(biāo)修復(fù)模型，使用布爾運(yùn)算，目標(biāo)修復(fù)模型減去擬傷側(cè)眼眶保留的骨質(zhì)，得到擬打印的異形人工眼眶骨3D模型，并生成STL文件，導(dǎo)入3D打印機(jī)。

步驟三、由3D打印機(jī)打印出多孔異形羥基磷灰石人工眼眶骨的初坯：3D打印機(jī)的鋪粉裝置包括均勻供粉和輥?zhàn)訅簩?shí)兩部分，采用24V低壓慢速直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)(轉(zhuǎn)速為60rpm)，并可通過調(diào)節(jié)電壓來改變粉材的輸送率。根據(jù)STL文件引導(dǎo)，漏粉盒中的圓柱形轉(zhuǎn)動(dòng)刷以及電磁鐵控制的漏粉擋板，將羥基磷灰石粉末從下部的狹縫處送出，并隨著鋪粉裝置X軸正方向移動(dòng)，將粉材均勻撒在工作平面上；均勻鋪粉完成后，鋪粉裝置開始X軸負(fù)方向移動(dòng)，同時(shí)鋪粉輥?zhàn)娱_始旋轉(zhuǎn)，通過輥?zhàn)拥钠絼?dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)將粉材展平、壓實(shí)，確保每層粉的厚度為預(yù)設(shè)定的0.06mm，并將每層多余的粉材推入集粉裝置；然后，3D打印機(jī)的噴頭沿X-Y方向運(yùn)動(dòng)，往鋪好的羥基磷灰石粉末上噴射粘合劑，構(gòu)成該層所需的二維截面圖形并將截面區(qū)域內(nèi)的粉末粘結(jié)起來。然后，工作平面在Z軸下降一個(gè)截面層的厚度，重復(fù)進(jìn)行下一個(gè)截面輪廓的鋪粉和噴射粘結(jié)劑，如此循環(huán)，直至完成整個(gè)工件的成形。室溫靜置干燥24h，用吸塵器去除工件周圍未被粘結(jié)的粉末，得到最終的工件。

步驟四、后處理工藝：首先，將多孔羥基磷灰石人工眼眶骨初坯放入空氣環(huán)境下燒結(jié)爐內(nèi)梯度升溫脫粘，以5°/min從室溫升至200°，保溫1h；以1°/min升至至300°，保溫1h；以2°/min升至至500°，保溫1h；然后，以10°/min升至1250°，保溫3h，高溫?zé)Y(jié)條件下羥基磷灰石形成晶體，使3D打印機(jī)制備的多孔人工眼眶骨達(dá)到足夠的強(qiáng)度。

本實(shí)施例中未進(jìn)行說明的內(nèi)容為現(xiàn)有技術(shù)，故，不再進(jìn)行贅述。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上的限制，雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)，在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡單的修改、等同替換與改進(jìn)等，均包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。