快速成型技術在生物工程上的應用

人體的下頜骨不僅形狀的個體差異大，而且骨骼外形對人體面部形狀及其工作性能的影響也很明顯。傳統的通用型金屬植入體不僅無法為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，植入體無法與鄰接的人骨自然彌合和生長。純粹的生物活性材料由于強度較低，在用于大塊骨移植中容易發生早期的人工骨骨折。

◎數據提取

為了給患者提供與其原下頜骨外形相匹配的人工植入體，必須借助醫學CT準確提取被替代骨的斷層圖像。由于各層圖像既包含骨的輪廓，又包含軟骨和其他組織的圖案，因此，必須采取合理的圖像處理技術對各層圖像進行二值化處理，以便獲得骨輪廓的清晰圖案；然后進一步獲得骨輪廓的矢量圖形文件。圖1（a）是根據某患者下頜骨的CT斷層圖像提取的輪廓點云圖。可看出患者下頜骨左側嚴重缺損，此種情況下需考慮手術后種植義齒的問題。實際上由于病變的影響或人骨本身的損傷，要獲得其完整的CT圖像是不可能的。我們可以先獲取另一側的CT圖像，而后在曲面重構階段只需進行對稱處理就可以找回破損的人骨形狀，如圖1(b)所示。 CT斷層掃描獲得的層間距一般不小于1mm，而這對于快速原型分層制造(SL適宜的層間固化粘結深度為0.1-0.2mm)來說太大了。因此，須對斷層數據進行CAD后重新分層，以獲得層間距足夠小的分層數據，滿足快速成型的要求。

◎曲面重構及實體CAD

根據點云數據可在患側對植入體外形進行曲面重構設計，曲面重構的目的是為重新分層提供原始模型，更重要的是為了對原始模型進行必要的CAD設計（修改形狀）。根據手術的方便可對骨骼的形狀修改。為了使植入體與殘余骨連接，人工植入體上應有延伸固定板，板的內側表面形狀取自殘余頜骨的外表面，從而不僅使延伸板與殘余頜骨連接時能夠很好地貼合在一起，也使此貼合面起到定位作用，保證了植入體以及義齒基樁的正確位置，如圖2所示。

◎快速原型數據準備

曲面重構和CAD后就可以重新分層,這個過程是通過西安交通大學先進制造技術所生產的SL快速成型機所附帶的快速原型數據準備軟件RpData完成的。分層所需的模型數據格式必須是三角面片文件格式（STL）。通過RpData還可完成輪廓編輯和支撐設置以使隨后的快速成型能夠可靠穩定地進行，之后就可以輸出加工文件。

◎快速制造植入體原型制造

人工骨原型必須在快速成型機上完成制造過程。西安交通大學先進制造技術研究所利用LPS系列激光快速成型機快速制造出修補部分的原型，整個成型過程需2～4小時。圖3是髁突原型和將髁突原型與鈦支架原型粘結后的樹脂模型，這個模型可直接作為消失模進行包埋。

◎鈦合金下頜骨的消失法鑄造

由于光敏樹脂原型件具備在700℃以上溫度可燒蝕的特性，可以采用消失法鑄造鈦合金下頜骨。由于鈦在高溫下非常活潑，為了避免鈦與包埋料反應，首先用鋯英石加結合劑進行內包埋，然后再用硅酸鹽進行外包埋。包埋干燥后即可進行烘烤和培燒。不同類型包埋料的烘烤和培燒溫度有所區別。為了將樹脂原型燃燒干凈，目前所用的包埋料的烘烤和培燒程序是：從室溫快速升至450℃,保溫6小時；從450℃升至850℃需用時90min，保溫30min；最后緩慢降至室溫。在室溫下鑄造的好處是可以減少包埋料和高溫鈦的反應時間。采用Ti6Al4V作為植入體鈦支架材料，這是一種已被廣泛應用的材料，具有較好的生物相容性。當鑄型完全冷卻后，用木榔頭輕輕敲擊鑄型，使鑄件與包埋料分離。對沒有切除澆口的鑄件進行噴砂，以去除粘附在鑄件表面的包埋料及氧化皮，使鑄件呈現銀灰色。先進行化學拋光，而其它的外表面拋光工藝以機械拋光為主。經過拋光處理，不僅可以提高表面光潔度，而且可以去除污染層，得到仿生下頜骨鈦合金植入體如圖4。

◎快速原型件