一種寰椎和樞椎鈦合金假體制造方法與流程

本發明涉及人工假體部件制備工藝，尤其涉及一種寰椎和樞椎鈦合金假體制造方法。

背景技術：

目前人工脊椎假體部件重建術的假體或支撐體主要包括椎間融合器、鈦網以及人工骨等。這些材料在使用過程中各有優缺點，其中，鈦合金椎間融合器和鈦網具有良好的生物相容性和足夠的強度，是目前應用最為廣泛的一種。然而，因鈦合金的彈性模量與人體自然骨彈性模量相差較大，容易造成應力屏蔽。

激光選區熔化技術是金屬增材制造技術的一種，其具有的快速、準確、可成型任意復雜零件的特點促進了該技術近幾年在醫學應用領域的發展。采用激光選區熔化技術，可通過醫學影像處理技術及逆向工程技術得到與原有骨組織曲面相貼合匹配的人工假體，更重要的是，激光選區熔化技術可以成型任意復雜形狀零件的特點可成型內部多孔的鈦合金假體，這樣成型的假體不僅彈性模量可與人體自然骨相當，且多孔結構利于骨組織細胞的生長。

技術實現要素：

本發明的目的在于克服上述現有技術的缺點和不足，提供種寰椎和樞椎鈦合金假體制造方法。

本發明通過下述技術方案實現：

一種寰椎和樞椎鈦合金假體制造方法，包括寰椎、樞椎個性化假體設計步驟及其3D打印機打印步驟；

步驟一：寰椎、樞椎個性化假體設計步驟

S11：將需要重構的脊椎醫學圖像DICOM格式的CT斷層掃描數據導入MINICS軟件中，建立需修復脊椎的三維模型數據；

S12：將MINICS數據導入Geomagic軟件中，進行修整降噪，導出STEP格式三維數據文件；

S13：將STEP格式數據文件導入三維設計軟件SolidWorks軟件中，分別在第三節脊椎假體和頭骨假體處選取合適的設計面，并在兩設計面之間建立假體雛形，使假體與兩設計面之間完全貼合；

S14：為了降低假體的彈性模量，實現輕量化設計，在SolidWorks中將假體內部用多孔網格狀進行填充，在假體表面也設計多孔結構；

步驟二：個性化假體3D打印機打印步驟

S21：將設計的假體模型數據導入Materialise Magics軟件中進行處理，得到模型切片數據；

S22：將得到的切片數據導入RPPath路徑規劃軟件中，設置成型過程中的掃描間距等，得到最終的成型數據；

S23：將數據導入激光選區熔化成型設備中，通入保護氣體，置入鈦合金粉末，設置成型工藝參數，進行假體直接成型；

S24：對成型好的假體零件實施后續處理，包括打磨、噴砂、拋光等處理，形成最終的假體。

在步驟S11中，使用MINICS軟件，其版本為10.01，根據軟組織和骨骼不同灰度的特點，從醫學圖像進行還原，建立三維模型。

在步驟S14中，置換假體內部構建的多孔網狀結構的多孔直徑應在0.3mm以上，1.5mm以下。該范圍內的孔徑既能保證成型精度又能促進細胞在假體內的生長。

在步驟S21中，使用Materialise Magics軟件進行切片，切片時采用的切片層厚為0.025至0.04mm。

在步驟S22中，成型的掃描間距設置為0.07mm至0.09mm。

在步驟S23中，激光選區熔化成型設備通入的保護氣為氮氣或氬氣，成型的工藝參數分別為：激光功率為100W至200W，掃描速度為200mm/s至800mm/s，鈦合金粉末為Ti6Al4V球形粉末。

步驟S21所述將設計的假體模型數據導入Materialise Magics軟件中進行處理，包括定位、擺放方式、添加支撐、切片等操作，得到模型切片數據。

本發明相對于現有技術，具有如下的優點及效果：

通過CT數據直接選取頭骨和脊椎的模型曲面，故貼合精度與CT數據精度相關，大大提高了貼合度；

激光選區熔化技術成型的假體能直接成型多孔網格結構，利于降低假體的彈性模量，減少應力屏蔽現象出現的可能。

附圖說明

圖1是本發明寰椎和樞椎鈦合金假體制造工藝流程圖；

圖2是頭骨模型和第三節脊椎模型示意圖；

圖3是選取設計面示意圖一；

圖4是選取設計面示意圖二；

圖5是初步設計的假體雛形；

圖6是添加多孔結構后的假體主視圖；

圖7是添加多孔結構后的假體俯視圖；

圖8是添加多孔結構后的假體側視圖；

圖9是假體用于脊椎重構的示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖1至9及具體實施例，對本發明作進一步具體詳細描述。

本發明寰椎和樞椎鈦合金假體制造工藝，是將患者需要重構的脊椎醫學圖像DICOM格式的CT斷層掃描數據導入MINICS軟件中，建立需修復脊椎的三維模型數據，數據在Geomagic軟件中，進行修整降噪，導出STEP格式三維數據文件，導入SolidWorks軟件中，分別在第三節脊椎模型和頭骨模型處選取合適的設計面，并在兩設計面之間建立假體雛形，保證假體與兩設計面之間完全貼合，為了降低假體的彈性模量，實現輕量化設計，在SolidWorks中將假體內部用多孔網格狀進行填充，在假體表面也設計多孔結構，便于骨組織細胞的生長。

具體工藝步驟可通過如下技術方案實現：

1、根據患者的CT斷層掃描數據在MINICS 10.01軟件中對脊椎的三維模型數據進行重構，建立需要進行脊椎修復的三維模型數據；

2、將MINICS數據導入Geomagic軟件中，進行修整降噪，導出STEP格式三維數據文件；

3、將STEP格式數據導入SolidWorks軟件中，見附圖2。需要建立頭骨和模型第三節脊椎模型之間的支撐假體模型，故在第三節脊椎模型和頭骨模型處選擇合適的設計面，如附圖3、圖4所示。

4、在設計面之間構建置換假體模型，形成假體模型雛形，并選擇合適的置釘位置進行打孔，見附圖5；

5、對假體模型進行多孔結構輕量化設計，假體模型外殼和內部都是輕量化的多孔結構，見附圖6/7/8。假體模型與頭骨模型和第三節脊椎模型之間可以實現完美的貼合，起到脊椎穩定性重構的目的，見附圖9。

6、設計的假體模型數據導入Materialise Magics軟件中，對假體模型進行支撐添加以及切片設計，切片的層厚為0.025mm至0.04mm。在此實施例中，層厚優選為0.035mm；

7、將切片數據文件導入RPPath軟件中，設置掃描路徑和掃描間距，掃描間距為0.07mm至0.09mm，在此實施例中掃描間距設置為0.08mm；

8、得到此掃描路徑數據后，將其導入激光選區熔化設備中，設置合適的加工工藝參數：激光功率為100W至200W，掃描速度為200mm/s至800mm/s。在此實施例中，優選的激光功率為140W，掃描速度優選為600mm/s，采用的材料為Ti6Al4V球形粉末；

9、對成型好的假體零件實施后處理，包括打磨、噴砂、拋光等處理，形成最終的假體。

如上所述，便可較好地實現本發明。

本發明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護范圍之內。