一种3D打印义眼台

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，特别涉及一种3D打印义眼台。

背景技术

义眼台作为一种眼眶内的植入物，用于填充受眼球切除术或眼球内容物清除术后产生的眶内缺损，用于保持术后的美观并防止畸形。常见的义眼台使用多孔聚乙烯或多孔生物陶瓷，其中，多孔聚乙烯生物活性较差，往往导致炎症与暴露，而生物陶瓷良好的生物活性有利于组织长入并保持义眼台的良好固定，但陶瓷较重的质量反而进一步导致了眼部畸形。因此，亟需一种质量更轻，整合性更强的义眼台以提高手术成功率。

发明内容

针对上述问题，本发明旨在提供一种3D打印义眼台，一方面通过多结构设计使义眼台在保持一定的整体强度下大大降低质量，避免质量带来的眼部畸形，另一方面通过生物陶瓷的生物活性提高义眼台的整合性，提高手术成功率。

本发明的技术方案如下：

一种3D打印义眼台，通过以下步骤制作而成：

S1：设计义眼台的外形，并对所述外形进行区域划分；

S2：对各区域的义眼台进行多孔结构的选择，并根据选择的多孔结构的连接点参数确定体素尺寸；

S3：根据各区域的体素尺寸参数，对各区域进行体素化拟合，形成体素化界面；

S4：将步骤S2选择的多孔结构填充到对应的各个区域内，完成各区域的多孔结构建模；

S5：将相邻的体素化界面上的连接点相互连接，并将连接线转化为实体杆模型，完成界面建模；

S6：将步骤S4建模得到的多孔结构模型与步骤S5建模得到的界面模型进行合并，获得义眼台的最终模型；

S7：采用3D打印技术对所述最终模型进行3D打印，获得义眼台的3D打印模型；进行3D打印时，采用生物陶瓷进行3D打印；

S8：对所述3D打印模型进行高温烧结，使其成瓷后获得所述3D打印义眼台。

作为优选，步骤S1中，设计所述义眼台的外形时，通过逆向重建或正向设计确定所述义眼台的外形。

作为优选，步骤S2中，进行多孔结构的选择时，所述多孔结构是由连接节点与连接杆形成的多孔结构。

作为优选，步骤S2中，确定体素尺寸时，体素为立方体、长方体、三棱柱、六棱柱中的任意一种。

作为优选，步骤S3中，对各区域进行体素化拟合时，若相邻界面的体素尺寸呈倍数或具有公约数，则将所述倍数或所述公约数视为新的体素尺寸，使两个相邻界面完全重合。

作为优选，步骤S4中，将多孔结构填充到对应的各个区域时，通过阵列方式将所述多孔结构填充到对应的各个区域中，且调整所述多孔结构的位置使多孔结构的连接点位于体素化单元边上，使界面处的连接点与体素化界面的连接线重合。

作为优选，步骤S5中，将相邻的体素化界面上的连接点相互连接时，采用就近原则进行连接；将连接线转化为实体杆模型时，不同区域的界面上，连接线转化为实体杆的直径与对应区域的多孔结构的杆尺寸相匹配；区域之间的连接线转化为的实体杆为变直径杆或尺寸位于两个区域杆特征尺寸之间的不变直径杆

作为优选，步骤S7中，所述3D打印技术采用熔融沉积技术、激光选取烧结、数字光处理技术中的任意一种。

作为优选，步骤S7中，所述生物陶瓷采用羟基磷灰石、β-磷酸三钙、双相磷酸钙中的任意一种或多种。

作为优选，步骤S8中，进行高温烧结，高温烧结的温度为1000-1300℃。

本发明的有益效果是：

一方面，本发明通过界面互连的方式实现不同结构之间的良好连接，实现多孔模型的设计，设计过程简单直接，易于理解和操作，对设计者的要求低，且设计过程中脱离了多孔结构函数化、外形及界面函数化、编程设计等较难的非交互式操作，利用交互式操作降低建模难度，能够实现大部分多孔结构之间的过渡和连接，具有广泛的适应性；

另一方面，本发明通过多结构设计，在保证良好的力学强度的前提下，大大降低了义眼台的质量，能够避免义眼台过重引起的面部畸形；3D打印时，采用生物活性良好的生物陶瓷进行3D打印，所述生物陶瓷作为义眼台的主要成分，能够促进组织长入，提升义眼台的整合性，降低假体失效的风险。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所述多孔结构的结构定义示意图；

图2为本发明一个具体实施例3D打印义眼台的构建过程示意图；

图3为本发明图2实施例3D打印义眼台的实物示意图；

图4为本发明另一个具体实施例3D打印义眼台的构建过程示意图；

图5为本发明图4实施例3D打印义眼台的实物示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的技术特征可以相互结合。需要指出的是，除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。本发明公开使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。

本发明提供一种3D打印义眼台，通过以下步骤制作而成：

S1：设计义眼台的外形，并对所述外形进行区域划分。

在一个具体的实施例中，设计所述义眼台的外形时，通过逆向重建或正向设计确定所述义眼台的外形。所述外形的来源是根据医学图像信息逆向重建而成的组织或器官外形，或是根据实际需求，使用CAD、SolidWorks等软件正向设计的外形。

在一个具体的实施例中，对所述外形进行区域划分时，根据所述义眼台的具体应用要求进行区域划分；具体根据利用拓扑优化获得的形状和性质分布结果进行划分，或是按照所述外形的几何形状分布进行划分，或是根据理论计算结果进行划分。

应用本发明时，所述义眼台的外形可根据需求进行任意个性化匹配设计，对应内部孔结构根据外形尺寸及形状进行区域划分，如此能够更好地满足临床质轻和组织整合的要求。

S2：对各区域的义眼台进行多孔结构的选择，并根据选择的多孔结构的连接点参数确定体素尺寸。

在一个具体的实施例中，进行多孔结构的选择时，根据各区域多孔模型的具体应用要求进行选择。如图1所示，所述多孔结构是由连接节点与连接杆形成的多孔结构，例如金刚石结构、八面体结构、BCC结构等。

在一个具体的实施例中，根据选择的多孔结构的连接点参数确定体素尺寸时，其关键在于将连接点置于体素边上，而不限于重复单元的尺寸和形状，其体素可为立方体、长方体、三棱柱和六棱柱等。

需要说明的是，不同区域的多孔结构可以不同或相同，体素尺寸参数也可以不同或相同。

S3：根据各区域的体素尺寸参数，对各区域进行体素化拟合，形成体素化界面。

在本步骤中，利用步骤S2获得的各区域的体素尺寸参数对各区域进行体素化拟合，体素化拟合后，调整界面使得各个区域独立，不与其他区域相交。若相邻界面的体素尺寸呈倍数或具有公约数，则将所述倍数或所述公约数视为新的体素尺寸，使两个相邻界面完全重合。

在本发明中，通过体素化方式将设计的外形界面转化为体素化界面，其能够避免其他建模方式中对界面的函数表达式的需求，能够灵活应用于各种界面，尤其是逆向重建的界面，降低了对设计者数学水平的要求。

S4：将步骤S2选择的多孔结构填充到对应的各个区域内，完成各区域的多孔结构建模。

在一个具体的实施例中，将多孔结构填充到对应的各个区域时，通过阵列方式将所述多孔结构填充到对应的各个区域中，且调整所述多孔结构的位置使多孔结构的连接点位于体素化单元边上，使界面处的连接点与体素化界面的连接线重合。

在上述实施例中，通过阵列方式进行多孔结构填充，能够使其适用于大部分的周期性多孔结构，避免了其他建模方式中对多孔结构的函数表达式的要求(如极小曲面)，适应面更为广泛，建模难度更低。

S5：将相邻的体素化界面上的连接点相互连接，并将连接线转化为实体杆模型，完成界面建模。

在一个具体的实施例中，将相邻的体素化界面上的连接点相互连接时，采用就近原则进行连接。如此能够避免连接杆交叉以及穿越界面，避免一个连接点产生过多连接线，界面上的连接线为体素单元的边，也可进行进一步的细分设计。

在一个具体的实施例中，将连接线转化为实体杆模型时，不同区域的界面上，连接线转化为实体杆的直径与对应区域的多孔结构的杆尺寸相匹配；区域之间的连接线转化为的实体杆为变直径杆或尺寸位于两个区域杆特征尺寸之间的不变直径杆，以便实现两个区域的尺寸过渡。

S6：将步骤S4建模得到的多孔结构模型与步骤S5建模得到的界面模型进行合并，获得义眼台的最终模型。

S7：采用3D打印技术对所述最终模型进行3D打印，获得义眼台的3D打印模型；进行3D打印时，采用生物陶瓷进行3D打印；

在一个具体的实施例中，所述3D打印技术采用熔融沉积技术、激光选取烧结、数字光处理技术中的任意一种，优选地选取数字光处理技术制备高精度义眼台。所述生物陶瓷采用羟基磷灰石、β-磷酸三钙、双相磷酸钙中的任意一种或多种，优选地选择所述羟基磷灰石作为义眼台的成分。

S8：对所述3D打印模型进行高温烧结，使其成瓷后获得所述3D打印义眼台。

在一个具体的实施例中，进行高温烧结，高温烧结的温度为1000-1300℃，优选地选择1200℃作为烧结温度使义眼台成瓷。需要说明的是，高温烧结的目的是为了使所述生物陶瓷成瓷，高温烧结的时间随温度的不同而不同，具体时间可根据选择的具体温度而定。

在一个具体的实施例中，如图2所示，本发明所述3D打印义眼台通过以下步骤制备而成：

(1)设计义眼台的外形；

在本实施例中，所述义眼台的外形及界面通过正向设计形成，结果如图2a所示，所述义眼台的尺寸为直径22mm的球形义眼台。

(2)对所述义眼台的外形进行区域划分，并对各区域的义眼台进行多孔结构的选择；

将所述义眼台分为内多孔结构(内部直径为17mm的球形区域)和外多孔结构，其中内多孔结构为金刚石结构，且孔隙率为80％；外多孔结构为金刚石结构，且孔隙率为60％。在本实施例中，设置该多孔结构和该孔隙率能够使义眼台轻质化，满足人体义眼需求。

(3)根据选择的多孔结构的连接点参数确定体素尺寸；

所述内多孔结构的晶格结构尺寸为1mm的立方体，所述外多孔结构的晶格结构尺寸为1.5mm的立方体。在模型设计之初，多孔结构的体素一般为晶格结构的参数，但晶格结构代表的是最小三周期重复单元，并不意味着其与体素单元的定义一致，而根据本发明中对多孔结构的基本组成认为是由连接点和连接线构成。在本实施例中，内多孔结构的晶格结构尺寸为1mm，外多孔结构的晶格结构尺寸为1.5mm，两者的连接点和连接线的信息均表示其可细分为0.75mm的体素尺寸，依据在于使用0.75mm的体素后，连接点仍位于体素边线上，因此，在本实施例中，使用新的体素尺寸0.75mm作为内外多孔结构的体素。

(4)根据各区域的体素尺寸参数，对各区域进行体素化拟合，形成体素化界面，结果如图2b所示；

(5)将步骤(2)选择的多孔结构填充到对应的各个区域内，完成各区域的多孔结构建模；

(6)将相邻的体素化界面上的连接点相互连接，并将连接线转化为实体杆模型，完成界面建模；

(7)将步骤(5)建模得到的多孔结构模型与步骤(6)建模得到的界面模型进行合并，获得义眼台的最终模型，结果如图2c(义眼台的剖面示意图)和2d(义眼台的整体示意图)所示；

(8)采用3D打印技术对所述最终模型进行3D打印，获得义眼台的3D打印模型；在本实施例中，进行3D打印时，通过DLP打印技术实现，所选用的材料为羟基磷灰石；

(9)对所述3D打印模型进行高温烧结，使其成瓷后获得所述3D打印义眼台，结果如图3所示。在本实施例中，高温烧结温度采用1200℃，最终获得的所述3D打印义眼台的质量约为1.7g，实现了轻质化需求。

在另一具体的实施例中，与前述实施例类似，本实施例同样制备了一种3D打印义眼台，其中义眼台的最终模型的构建过程如图4所示，3D打印义眼台的实物结果如图5所示，其中图4a为义眼台的界面剖面示意图，图4b为义眼台的界面剖面结构正视图，在本图中清晰地表明了内部结构与外表面相连的形态，图4c为义眼台的体素化界面示意图，图4d为义眼台最终模型示意图。需要注意的是，本实施例的界面结构为球形以及圆柱形通道的合并体，内部为体素尺寸为1.2mm的方孔结构，外部为体素尺寸为0.8mm的金刚石结构，并将外部体素调整为1.2mm，因此两部分结构共享一个界面。内部的轻质化大孔结构与外表面相连，能够保证将其植入体内后，组织液和细胞能够快速进入义眼台中部，有利于组织长入。所制备的义眼台直径为12mm，通过DLP打印技术制备，其原料为羟基磷灰石，并在1250℃下进行烧结，最终质量为0.37g。

综上所述，本发明基于大部分多孔结构的构建特点，通过以线连点的核心思路实现两种结构之间的相互连接与过渡，利用体素化界面和阵列填充两个核心方法将多孔结构的连接点与不同区域的界面统一，能够完成结构之间的良好连接，从而制备得到过渡更加自然的3D打印义眼台；且本发明所述3D打印义眼台通过多孔结构设计使其满足轻质化需求，通过采用生物陶瓷提高义眼台的整合性，综上提高义眼台的手术成功几率。与现有技术相比，本发明具有显著的进步。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。