生物假体模型的快速成型制作技术

　　快速成型(Rapid Prototyping—RP)技术是采用离散/堆积成型的原理，由CAD模型直接驱动的通过叠加成型方法快速制造任意复杂形状三维实体的技术总称。其过程是先由三维CAD软件设计出所需要零件的计算机三维曲面或实体模型，根据工艺要求，将其按一定厚度进行分层，把三维电子模型变成二维平面信息，在微机控制下，数控系统以平面加工方式有序地连续加工出每个薄层并使它们自动粘接而成型。快速成型技术体系可分解为几个彼此联系的基本环节：三维CAD造型、反求工程、数据转换、原型制造、物性转换等。

　　快速成型工艺具有快速响应性和高度柔性，可以制造任意复杂形状的三维实体，自动化的成型过程由CAD模型直接驱动，无需专用夹具或工具，实现了设计制造高度一体化。目前在新产品快速研制开发、实验分析、模型制造、快速模具、快速铸造等方面得到推广应用，在医学领域也得到大量应用。

　　1赝复体快速成型制造技术

　　1.1 概况

　　随着快速成型技术的不断发展，有许多学者将快速成型应用到口腔颌面赝复体的制作上，可以准确、逼真地再现患者的缺损处组织，大大降低了医师的工作强度，改进了颌面部赝复体的制作工艺。对于选择手术修复的患者，RP法制作的模型可以帮助医生进行术前定位，便于医患沟通，了解手术后的情况;对于用种植体进行赝复体固位的患者，术前利用模型确定赝复体位置，确定在赝复体最厚的部位隐藏种植体，使种植体达到最完美、最有功能的位置。另外，由于赝复体用硅橡胶材料自身的局限性及颌面部赝复体暴露在外部的原因，赝复体的老化现象目前还不可避免，患者需要在3到5年后更换一次赝复体，采用RP技术后，医师不再需要重新雕刻赝复体，而只需将以前储存的数据重新加工即可制得与原赝复体同样的赝复体。这样，大大方便了医患双方，降低了反复制作的成本。

　　快速成型技术在医学领域的应用达到12%左右，仅次于汽车(13%)，航空(13%)，商用机械(13%)，具有极大的技术应用发展潜力。在通过激光扫描技术获得人体五官的三维重建数据的基础上，应用RP技术对石膏模型进行三维实体重建，为颌面缺损修复学提供一种新的思路和方法。美国、欧洲、澳大利亚、日本等发达国家的研究机构用研制出的材料和技术做出了眼、耳、鼻等人体五官赝复体，实现了形态仿真、色彩仿真、质感仿真以及功能仿真，达到了以假乱真的程度。

　　RP技术不仅可以制作实体阳模，还可以由计算机快速生成相应的阴模数据，并制作阴模，有利于临床保存相应的五官数据并多次制作五官赝复体。这样，医院可为患者保留相应的医疗数据及资料，一旦患者需重新制作，即可在较短的时间内制作完成。用这种技术制作的修复体，每次的作品完全一致，但是随着制作次数的增加，制作成本却在不断地降低，为医院带来经济效益的同时也为患者节约了治疗费用。在信息技术和网络技术高度发达的今天，这种医疗方式方法大大提高了工作效率，节约了时间，应用前景良好。

　　1.2 赝复体快速成型制造方法

　　目前，国内外应用RP技术制作赝复体的实例有用熔融沉积制造(Fused Deposition Modeling—FDM)法制作耳廓的尼龙模型;有用光固化(Stereo Lithography Apparatus—SLA)法制作鼻及眼眶部的树脂模型;用分层实体制造(Laminated Objeet Manufacturing—LOM)方法制作与下颌骨及牙列标本模型几何相似性良好的纸质实物模型。在康复工程上，根据CT扫描信息，应用FDM决速成型方法可以快速制造人体的骨骼(如颅骨、牙齿)和软组织(如肾)等模型，并且不同部位采用不同颜色的材料成形，病变组织采用醒目颜色，可以进行手术模拟、人体骨关节的配制，颅骨修复。SLA型快速成型机加工的产品价格相对比较昂贵，而FDM型机加工的产品除价格比较贵外，由于产品在熔融状态下逐渐固化，相对SLA和LOM法其产品的表面精度较低。

　　一般用于颜面部五官赝复体的最终材料是硅橡胶，且需要在最后的蜡型上雕刻皮肤纹理，不管是SLA的树脂，还是FDM的尼龙。都需要再转换为蜡模型，然后才能进行皮纹的雕刻，之后给患者试戴，满意后进行包埋，替换硅橡胶。

　　以上各种RP方法制作的模型在转换赝复体蜡型时，周期长、成本高，而且中间环节较多，造成精度低、仿真性差等不足。采用选区激光烧结(Selective Laser Sintering--SLS)快速成型方法直接制取生物赝复体用蜡模，再结合石膏型充填注射硅橡胶成模技术得到病人可直接佩戴的赝复体，克服了以上方法的缺点，临床应用可操作性强，具有推广意义。

　　2选区激光烧结制造赝复体技术

　　2.1 SLS制作赝复体原型蜡模

　　中北大学快速成型技术实验室开发了适于人体五官赝复体原型快速制作的成型粉末材料复合蜡粉，并对其SLS成型工艺和成型件后处理工艺进行了试验研究。在自行开发的HLP一3501点扫描激光成型机上，对复合蜡粉选区激光烧结成型工艺参数进行试验研究，包括预热温度、铺粉层厚度、激光功率、激光扫描速度、扫描方向等因素之间的匹配关系，在此基础上进行工艺参数优化;通过后处理工艺试验，开发具体的浸蜡工艺方案，制定成型件的后处理工艺规程，采用浸蜡工艺对成型件进行后处理，提高成型件表面光洁度，获得成型质量满足赝复体的后续制作T艺要求的蜡模(如图1所示)。

　　图1赝复体原型蜡模

　　2.2蜡模翻制赝复体

　　中北大学快速成型技术实验室应用SLS方法烧结新型复合蜡粉直接制作符合要求的人体五官赝复体原型蜡模，进行赝复体的制作，作为医疗手术辅助手段或经过翻模制得五官赝复体直接用于人体器官的缺损修复。人体五官赝复体的制作技术路线如下：

　　制取患者健侧(如单侧耳缺失)或是原器官(如鼻缺损)的印模模型→将模型进行激光扫描或层析以获得点云数据→在Surfacer软件中对点云数据进行修正→Geomagic软件中进行三维重建，并镜射出患侧的实体模型，输出STL文件→快速成型机加工出蜡实体→在模型上试合并雕刻皮纹→包埋、冲盒去蜡，充填硅橡胶→开盒，修除飞边→硅橡胶染色→病人佩戴赝复体。

　　选取美国道康宁公司的MDX4—4210硅橡胶，添加10%的硅橡胶胶联剂后混合并搅拌均匀，所获得的混合材料作为赝复体的成型材料。依据患者临床皮肤比色结果进行硅胶内着色。一般选用油画类颜料中的黄、褐、白等色调添加到MDX4—4210硅橡胶的基胶中，加颜料时遵循少量多次的原则，同时与患者的皮肤进行比较，直至与配色对比区域的颜色基本相似为止。在本实验室的真空注型机(如图2)中将成型材料搅拌均匀至无气泡冒出，进行真空浇注，待其自然固化后，取出硅橡胶赝复体。然后对其进行后处理，去除表面粘附的残留物，用眼科剪、尖手术刀片等修去表面的硅胶小瘤，剪除过长的菲边边缘，得到硅橡胶赝复体制样(如图3所示)。

　　图2真空注型机

　　图3硅胶赝复体制样

　　3 结语

　　1)快速成型技术在医学领域，特别是在人体五官赝复体快速制作方面得到成熟应用，大大方便了医患双方，降低了反复制作的成本;

　　2)应用SLS方法烧结新型复合蜡粉直接制作了人体五官赝复体原型蜡模，采用真空浇注方式得到赝复体样件;

　　3)SLS方法不需要中间模型转换，减少了其他RP工艺制作赝复体需要翻制蜡模等中间环节，缩短制作周期，减小复原误差，降低赝复体制作成本，在人造五官医学假体特别是整容术赝复体的设计及制造方面，具有良好的应用前景。