快速成型在医学中的应用Word下载.docx

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目前,国外针对快速原型在医学中的应用已经有了广泛研究,并且在个别区域已经发展得比较成熟。

但是,大多数应用研究都集中在骨骼组织的三维重建与原型制作,很多都是限于模型参考,手术规划,并没有将快速原型模型直接应用到实际手术当中。

同时，国外有许多单位在研究基于快速成形技术的人骨成型。

以美国Daytou大学为首的研究小组采用具有生物相容的烃基磷灰石/玻璃薄膜材料。

使用LOM快速成形制造人骨。

美国Michigan大学采用光固化技术将烃基磷灰石与紫外光化的烯丙酸树脂混合制造人骨。

快速成形在医学界的应用很有前景，这也是在发达国家把他作为快速原型应用方面的原因之一。

三、医学中快速成型成型过程的举例

快速成型在医学中已经应用相当广泛了，下面以快速成型的人工生物活性骨骼的复合制造方法为例来说明成型过程。

（１）人造骨的仿生ＣＡＤ设计：

ａ、骨骼外形ＣＡＤ设计，通过ＣＴ特征断面测量或外表面测量，用特征数据点重构骨骼外形的三维

ＣＡＤ，并将其以ＳＴＬ数据格式表达；

ｂ、骨骼内部骨髓腔的三维ＣＡＤ设计，若基于ＣＴ断面数据，可以用重构的方法构造骨髓腔ＣＡＤ，若基于外表面的测量数据，可以利用外表面形状建立数学模型来构造骨髓腔的ＣＡＤ；

ｃ、骨骼骨质组织的ＣＡＤ设计，通过电子显微镜观察骨骼微孔的尺寸以及分布规律，建立骨质组织微结构数学模型，构造骨骼的三维ＣＡＤ，保证微孔空间完全导通；

ｄ、通过以上三部分的仿生ＣＡＤ建模设计，将外形ＣＡＤ与内部ＣＡＤ复合起来，构造出完整的骨骼ＣＡＤ；

（２）成型系统：

ａ、以乳化糖作成型材料用熔融沉积的方法制造人工骨的反形（负型）；

ｂ、对三维ＣＡＤ数据进行分层处理，用分层制造的方法快速成型出骨骼外形和内部微结构的负型（反形）；

ｃ、制作一个带有可控加热系统的加压容器，容器底部开一个０．２ｍｍ的材料压出孔，孔由电控开关控制开闭；

ｄ、将整个系统安装在Ｘ－Ｙ工作台上，有一个可以在Ｚ方向运动的成型平台，组成一个分层成型系统，将乳化糖装入加压容器实现分层制造；

（３）成型工艺：

将乳化糖装入加压容器中，将加压容器的温度控制在８０－１２０℃、压力控制在０．８Ｐａ－１Ｐａ来控制乳化糖的流动性和塑性，乳化糖在加热后达到融化状态后由材料压出孔压出，研究乳化糖压出速度和Ｘ－Ｙ运动速度与乳化糖成丝直径的关系，以便通过速度来控制不同导管的直径，骨外形和骨髓腔通过常规的逐层制造方法实现；

（４）骨生长因子和成骨细胞的复合：

将骨生长因子制成悬液，加入成骨细胞，制成生物活性剂，在无菌条件下将生物活性剂温度准确地控制在３６℃～３８℃，以保证成骨细胞的活性，将生物活性剂倒入成型好的骨型腔中培养，以便于骨生长因子和成骨细胞能够吸附到导管架上，然后，再将生物活性剂倒出来，使骨生长因子能保留在导管架上，成为植入人工骨的活性物质；

（５）复合成骨制造工艺：

为提高骨的强度，先在骨骼中插入钛纤维，作为加强筋复合在骨中间，以提高替代骨的整体强度，用自凝固羟基磷酸钙均匀后倒入经生物复合后的乳化糖骨负型腔中，逐步填实，待凝固后，用３６℃～３８℃的蒸馏水溶解掉外部的乳化糖成型材料，使羟基磷酸钙人工骨呈现出来。

四、医学中快速成型的重点工艺分析

l）产品三维模型的构建。

由于RP系统是由三维CAD模型直接驱动，因此首先要构建所加工工件的三维CAD模型。

该三维CAD模型可以利用计算机辅助设计软件（如Pro/E,I-DEAS,SolidWorks,UG等）直接构建，也可以将已有产品的二维图样进行转换而形成三维模型，或对产品实体进行激光扫描、CT断层扫描，得到点云数据，然后利用反求工程的方法来构造三维模型。

2）三维模型的近似处理。

由于产品往往有一些不规则的自由曲面，加工前要对模型进行近似处理，以方便后续的数据处理工作。

由于STL格式文件格式简单、实用，目前已经成为快速成型领域的准标准接口文件。

它是用一系列的小三角形平面来逼近原来的模型，每个小三角形用3个顶点坐标和一个法向量来描述，三角形的大小可以根据精度要求进行选择。

STL文件有二进制码和ASCll码两种输出形式，二进制码输出形式所占的空间比ASCII码输出形式的文件所占用的空间小得多，但ASCII码输出形式可以阅读和检查。

典型的CAD软件都带有转换和输出STL格式文件的功能。

3）三维模型的切片处理。

根据被加工模型的特征选择合适的加工方向，在成型高度方向上用一系列一定间隔的平面切割近似后的模型，以便提取截面的轮廓信息。

间隔一般取0.05mm~0.5mm，常用0.1mm。

间隔越小，成型精度越高，但成型时间也越长，效率就越低，反之则精度低，但效率高。

4）成型加工。

根据切片处理的截面轮廓，在计算机控制下，相应的成型头（激光头或喷头）按各截面轮廓信息做扫描运动，在工作台上一层一层地堆积材料，然后将各层相粘结，最终得到原型产品。

5）成型零件的后处理。

从成型系统里取出成型件，进行打磨、抛光、涂挂，或放在高温炉中进行后烧结，进一步提高其强度。

五、医学中快速成型

　　随着设备和材料成本的降低，解剖模型的使用将不断增加。

也许不远的将来，制作解剖模型会成为某一类型外科手术的一个标准程序。

随着生物材料的发展人们也完全有理由相信用RP技术可制作出能直接植入人体的组织和器官。

这一点也是现实的需要，因为传统的器官捐赠远不能满足需要。