快速成型技术在生物工程上的应用

人体的下颌骨不仅形状的个体差异大，而且骨骼外形对人体面部形状及其工作性能的影响也很明显。传统的通用型金属植入体不仅无法为患者提供具有定制化外形的骨替代物，而且，由于不具有生物活性，植入体无法与邻接的人骨自然弥合和生长。纯粹的生物活性材料由于强度较低，在用于大块骨移植中容易发生早期的人工骨骨折。

◎数据提取

为了给患者提供与其原下颌骨外形相匹配的人工植入体，必须借助医学CT准确提取被替代骨的断层图像。由于各层图像既包含骨的轮廓，又包含软骨和其他组织的图案，因此，必须采取合理的图像处理技术对各层图像进行二值化处理，以便获得骨轮廓的清晰图案；然后进一步获得骨轮廓的矢量图形文件。图1（a）是根据某患者下颌骨的CT断层图像提取的轮廓点云图。可看出患者下颌骨左侧严重缺损，此种情况下需考虑手术后种植义齿的问题。实际上由于病变的影响或人骨本身的损伤，要获得其完整的CT图像是不可能的。我们可以先获取另一侧的CT图像，而后在曲面重构阶段只需进行对称处理就可以找回破损的人骨形状，如图1(b)所示。 CT断层扫描获得的层间距一般不小于1mm，而这对于快速原型分层制造(SL适宜的层间固化粘结深度为0.1-0.2mm)来说太大了。因此，须对断层数据进行CAD后重新分层，以获得层间距足够小的分层数据，满足快速成型的要求。

◎曲面重构及实体CAD

根据点云数据可在患侧对植入体外形进行曲面重构设计，曲面重构的目的是为重新分层提供原始模型，更重要的是为了对原始模型进行必要的CAD设计（修改形状）。根据手术的方便可对骨骼的形状修改。为了使植入体与残余骨连接，人工植入体上应有延伸固定板，板的内侧表面形状取自残余颌骨的外表面，从而不仅使延伸板与残余颌骨连接时能够很好地贴合在一起，也使此贴合面起到定位作用，保证了植入体以及义齿基桩的正确位置，如图2所示。

◎快速原型数据准备

曲面重构和CAD后就可以重新分层,这个过程是通过西安交通大学先进制造技术所生产的SL快速成型机所附带的快速原型数据准备软件RpData完成的。分层所需的模型数据格式必须是三角面片文件格式（STL）。通过RpData还可完成轮廓编辑和支撑设置以使随后的快速成型能够可靠稳定地进行，之后就可以输出加工文件。

◎快速制造植入体原型制造

人工骨原型必须在快速成型机上完成制造过程。西安交通大学先进制造技术研究所利用LPS系列激光快速成型机快速制造出修补部分的原型，整个成型过程需2～4小时。图3是髁突原型和将髁突原型与钛支架原型粘结后的树脂模型，这个模型可直接作为消失模进行包埋。

◎钛合金下颌骨的消失法铸造

由于光敏树脂原型件具备在700℃以上温度可烧蚀的特性，可以采用消失法铸造钛合金下颌骨。由于钛在高温下非常活泼，为了避免钛与包埋料反应，首先用锆英石加结合剂进行内包埋，然后再用硅酸盐进行外包埋。包埋干燥后即可进行烘烤和培烧。不同类型包埋料的烘烤和培烧温度有所区别。为了将树脂原型燃烧干净，目前所用的包埋料的烘烤和培烧程序是：从室温快速升至450℃,保温6小时；从450℃升至850℃需用时90min，保温30min；最后缓慢降至室温。在室温下铸造的好处是可以减少包埋料和高温钛的反应时间。采用Ti6Al4V作为植入体钛支架材料，这是一种已被广泛应用的材料，具有较好的生物相容性。当铸型完全冷却后，用木榔头轻轻敲击铸型，使铸件与包埋料分离。对没有切除浇口的铸件进行喷砂，以去除粘附在铸件表面的包埋料及氧化皮，使铸件呈现银灰色。先进行化学抛光，而其它的外表面抛光工艺以机械抛光为主。经过抛光处理，不仅可以提高表面光洁度，而且可以去除污染层，得到仿生下颌骨钛合金植入体如图4。

◎快速原型件