一种用于牙种植骨增量的钛支架及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种应用于牙种植时颌骨骨量严重不足的骨引导再生技术的屏障膜领域，具体涉及一种用于牙种植骨增量的钛支架及其制作方法。
背景技术
颌骨骨量严重不足在临床上十分普遍，由先天骨发育不良或畸形以及肿瘤、炎症、外伤等原因造成的颌骨骨量严重不足的修复仍是口腔颌面外科、口腔种植科及牙周科医生所面临的严峻挑战之一。经过多年临床实践证明，骨引导再生技术(Guided boneregeneration，GBR)是一种有效的骨增量方法。GBR是在骨缺损区植入各类骨充填材料后同时利用一层屏障膜，防止软组织塌陷，为骨缺损区提供稳定的骨改建空间，阻止软组织中成纤维细胞、上皮细胞等非成骨细胞长入植骨区，最后实现缺损区的骨修复，从而增加牙槽骨的骨量。屏障膜的选择与使用是GBR成功的关键之一。
理想的屏障膜应不仅具有良好的生物相容性、创造并维持稳定的骨改建空间，而且应具有良好的边缘封闭性和选择性渗透的作用、组织整合能力，以及易于临床管理等优点。目前临床上常用的屏障膜分为可吸收和不可吸收膜两大类。其中可吸收膜主要为胶原蛋白膜，不可吸收膜有钛网、聚四氟乙烯膜(polytetrafluoroethylene，PTFE)和不可吸收钛增强聚四氟乙烯膜(PTFE-TR)等，其各有优缺点。可吸收胶原蛋白膜是目前临床最常用的屏障膜，其生物相容性较好，但胶原蛋白膜无成形能力，难以维持骨缺损空间的稳定，容易塌陷。且胶原蛋白膜多在4-6周降解，降解时间和程度不可预测，而垂直向GBR愈合时间常为6-9个月，膜的过早吸收会导致其力学强度丧失，容易塌陷，失去维持骨成形空间的能力，并造成纤维组织向内生长，从而干扰术区骨再生，这些问题限制了胶原蛋白膜在严重颌骨缺损GBR中的使用。相较于胶原蛋白膜，钛网具有较强的力学强度，可引导控制再生骨的轮廓外形，并保持空间相对稳定。目前临床上常用的钛网多为成品小钛网和需要裁剪的大钛网，其临床操作复杂，塑形困难，形状大小无法与缺损区骨改建需要的空间形态完全匹配，边缘封闭性差，且由于修剪轮廓造成的材料刚度变化和锋利的边缘容易引起黏膜刺激，有较高的暴露风险，操作过程中需要裁剪、预弯成型，延长手术时间，且边缘封闭性在膜钉固定后仍很难达到理想效果，影响骨移植物的稳定性进而降低了引导骨再生的可预期性。因此，迫切需要寻找一种合适的屏障膜来改进现有屏障膜的临床应用局限性以满足重度骨缺损GBR的临床需求。近年来，以3D打印技术为基础的个性化屏障膜成为严重骨缺损修复领域新的研究热点之一。
如何构建与骨缺损三维形态及边界精准匹配且表面高光洁度的3D打印个性化钛支架，成为骨重建屏障膜急需解决和突破的重要研究课题之一。
发明内容
有鉴于此，针对上述的不足之处，本发明提供一种用于牙种植骨增量的钛支架以解决上述问题。
为了实现以上目的，本发明采用这样一种用于牙种植骨增量的钛支架，包括用于塑形的内部网状结构、用于固定的外围框架以及为了隔绝肉芽组织长入的防护膜，所述外围框架与待修复颌骨表面紧密贴合，所述外围框架与待修复颌骨固定连接。
本发明进一步设置：所述外围框架包括内边缘线以及外边缘线，所述内部网状结构位于所述内边缘线包围形成的曲面内。
本发明进一步设置：所述内部网结构由圆柱管编织呈包络形，所述内部网状结构下表面均高于颌骨外表面。
本发明进一步设置：所述内部网状结构与外围框一体成型，均使用钛合金材料制成。
本发明进一步设置：所述防护膜包括内防护膜以及外防护膜，所述内防护膜设置在所述外围框架的内侧，所述外防护膜设置在所述外围框架的外侧，所述内防护膜表面排布有均匀分散的小孔。
本发明进一步设置：所述外围框架包括第一安装部以及第二安装部，所述第一安装部与第二安装部之间设置有第一连接部和第二连接部，所述第一连接部位上开设有固定孔，所述第一安装部、第二安装部、第一连接部以及第二连接部一体成型，所述第一安装部与第二安装部横跨待修复颌骨设置。
本发明进一步设置：所述防护膜为聚四氟乙烯膜。
本发明的有益效果：本发明在使用时，将整个骨增量钛支架包覆颌骨缺损区域，让外围框架与待修复颌骨完全贴合，然后使用钛钉穿过支架上的固定孔将骨增量钛支架与待修复颌骨固定在一起，其中内部网状结构由均匀排布的交错圆柱管组成，起到创建和维持良好的骨改建空间的作用，所述外围框架下缘分布有固定孔，所述外围框架与待修复颌骨外表面紧密贴合。与引导骨再生技术(GBR)中常用的屏障膜相比，骨增量钛支架不仅与颌骨表面精确匹配，具有良好的边缘封闭性，而且能够缩短钛网预弯制的时间，同时能够创造并维持良好的骨改建空间，而且该钛支架在满足塑形效果的情况下，将内部结构网格化，有效的减小了整体体积，降低了支架暴露的风险，提高手术成功率。
附图说明
图1严重骨缺损的下颌骨模型示意图。
图2修复后完整的下颌骨模型示意图。
图3为本发明附着区域重建得到的标准曲面片示意图。
图4为本发明标准曲面片上预留孔位置示意图。
图5为本发明外围框架结构示意图。
图6为本发明位于外围框架内部的网格状交错曲线示意图。
图7为本发明钛支架示意图。
图8为本发明完整的骨增量个性化钛支架示意图。
图9本发明的骨增量个性化钛支架治疗下颌骨严重骨缺损示意图。
附图标记：10、缺损区域；20、曲面；1、内部网状结构；11、圆柱管；2、外围框架；2a、内边缘线；2b、外边缘线；21、第一安装部；21a、横跨部；22、第二安装部；22a、横跨部；23、第一连接部；231、固定孔；24、第二连接部；3、防护膜；41、预留固定孔所在位置；61、偏移前曲线；62、偏移后曲线；
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示：图1为严重骨缺损的颌骨模型示意图，颌骨上存在一块缺损区域10，本发明的目的就是为了修复该缺损区域10，经过修复之后如图2所示。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种用于牙种植骨增量的钛支架的制作方法，所述方法包括以下步骤：
1)图像采集及三维模型的建立，过程如下：
1.1)获取患者口腔颌面CT图像的DICOM数据文件，运用医学处理软件如Mimics重建出患者颌骨三维模型。重建过程如下：通过灰度值和边界条件确定骨组织分割的阈值，使用区域增长功能将单独的颌骨分离提取出来，得到由三角形网格组成的颌骨三维模型，如图1所示，重建模型中包括下颌神经管等重要解剖结构。由重建出的颌骨三维模型可以明显标记出颌骨缺损区域10；
1.2)利用镜像技术，将健康侧的颌骨镜像到缺损区域，再通过Freeform软件进行细微的调节，构建出修复后完整的颌骨模型，如图2所示；
2)个性化钛支架的设计
2.1)以标记出的骨缺损区域为基准，在完整的颌骨模型上确定出个性化支架附着的区域，为了后期方便固定，个性化支架的附着区域应比实际骨缺损区域略大，运用Rhino软件对修复后完整颌骨上的该区域进行曲面构建得到标准曲面片，如图3所示；
2.2)以固定孔的位置应避开牙根及重要解剖结构为原则，同时考虑到实际手术过程中舌侧操作困难等因素，只在颊侧预留固定孔，由此标记出标准曲面片即个性化钛支架上预留固定孔的位置，如图4所示，其中41代表预留固定孔所在位置。将该曲面片导入到Geomagic studio中，根据骨缺损位置以及预留固定孔位置为导向进行裁剪，得到支架的外围框架曲面，并对该框架进行曲面加厚，最终得到厚度为0.3mm的支架外围框架结构；
2.3)将上一步中得到的外围框架结构以stl的格式导入到magic软件中，使用打孔功能，在预留区域上打上孔径为1.6mm的固定孔，得到带有固定孔231的外围框架结构，如图5所示，其中231为固定孔，2a为框架内边缘线位置，2b为框架外边缘线位置；
2.4)将修复后完整的颌骨模型以及带有固定孔231的支架外围框架2结构分别导入回Rhino软件中，在修复完整的颌骨模型上构建位于外围框架2内部的网格状交错曲线。在骨缺损修复手术中，为了确保缺损区的修复质量，应保证填充骨粉体积应稍大于缺损体积，为了达到该效果，需将前期构建的网格状交错曲线61分别向外偏移一个值(骨粉体积取缺损体积的1.1倍时，该值取0.3mm)，考虑到曲线最后都要生成圆柱管，所以曲线还得偏移一个圆柱管半径的值(0.15mm)，由此计算得出总的偏移值，使用偏移工具将所有曲线偏移，之后再将偏移曲线两端延伸至外围框架下表面(以此保证后期外围框架与曲线生成的圆柱管形成闭环)，得到偏移后的网格状交错曲线62。如图6所示，其中61为偏移前，62为偏移后，2为支架外围框架；
2.5)使用Rhino软件中的特定工具将所有偏移后的曲线62生成为直径为0.3mm的圆柱管11，最后将所有圆柱管11和带有固定孔231的外围框架2结构进行布尔运算组合，得到个性化钛支架，如图7所示，其中11为偏移偏移曲线生成的圆柱管，2为带固定孔的外围框架。
3)通过SLM3D打印技术，使用钛合金粉末，将上述设计的个性化支架一体打印成型；
4)对该钛合金个性化支架进行喷砂、抛光等后处理操作，使其能够用于临床使用；
5)为了更好的隔绝肉芽组织的长入，以便于待修复区域能够更好的成骨，利用定制模具在该支架的上下表面均附上一层聚四氟乙烯膜，膜与支架表面完全贴合，得到完整的骨增量个性化钛支架，如图8所示，其中3为聚四氟乙烯膜；
本发明还提出了一种用于牙种植骨增量的钛支架，包括用于塑形的内部网状结构1、用于固定的外围框架2以及为了隔绝肉芽组织长入的防护膜3，所述外围框架2与待修复颌骨表面紧密贴合，所述外围框架2与待修复颌骨固定连接，如图9所示。
如图5所示，为单一的外围框架2的示意图，所述外围框架2包括内边缘线2a以及外边缘线2b，所述内部网状结构1位于所述内边缘线2a包围形成的曲面20内，所述外围框架2边框内边缘线2a位置应大致与缺损区域10边界保持一致，外边缘线2b位于缺损区域10临近的骨表面相对应的位置。
外围框架2的形状匹配待修复颌骨的形状，即所述外围框架2包括第一安装部21以及第二安装部22，所述第一安装部21与第二安装部22之间设置有第一连接部23和第二连接部24，所述第一连接部23位上开设有固定孔231，所述第一安装部21、第二安装部22、第一连接部23以及第二连接部24一体成型，所述第一安装部21与第二安装部22横跨待修复颌骨设置，第一安装部21从待修复颌骨的外侧面先向上延伸至颌骨的上端面形成一个横跨部22a、21a，然后继续沿颌骨的内侧面向下延伸至合适位置，第二安装部22同理，其中第一连接部23位于颌骨的外侧，第二连接部24位于颌骨的内部，两者位置可以互换，但是为了方便安装将处于颌骨外侧的连接部上设置固定孔231，然后通过螺钉进行固定，螺钉材料也采用钛合金制成。
如图6-图8所示，所述内部网结构由圆柱管11编织呈包络形，所述内部网状结构1下表面均高于颌骨外表面。所述内部网状结构1与外围框一体成型，均使用钛合金材料制成。
如图8所示，所述防护膜3包括内防护膜以及外防护膜，所述内防护膜设置在所述外围框架2的内侧，所述外防护膜设置在所述外围框架2的外侧，本实施例中的防护膜3采用聚四氟乙烯膜，聚四氟乙烯膜采用内外两层，其中在附于钛支架内表面的膜上排布有均匀分散的小孔(图中未示出)，上下两层膜将钛支架完全包覆其中，边缘封闭。
本发明在使用时如图9所示，将整个骨增量钛支架包覆颌骨缺损区域10，让外围框架2与待修复颌骨完全贴合，然后使用钛钉穿过支架上的固定孔231将骨增量钛支架与待修复颌骨固定在一起，其中内部网状结构1由均匀排布的交错圆柱管11组成，起到创建和维持良好的骨改建空间的作用，所述外围框架2下缘分布有固定孔231，所述外围框架2与待修复颌骨外表面紧密贴合。与骨引导再生技术(GBR)中常用的屏障膜相比，骨增量钛支架不仅与颌骨表面精确匹配，具有良好的边缘封闭性，而且能够缩短钛网预弯制的时间，同时能够创造并维持良好的骨改建空间，而且该钛支架在满足塑形效果的情况下，将内部结构网格化，有效的减小了整体体积，降低了支架暴露的风险，提高手术成功率。
另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
