Технология производства быстрых прототипов (RPMT), также известная как прямое CAD-производство и производство свободной формы [1], зародилась в Японии в 1981 году [2] и уже более 20 лет является серьезным прорывом в технологии производства. 3], а примерно в 1992 году его стали использовать в стоматологии [4].
Harris et al [5] предсказали, что быстрые и точные характеристики технологии RPMT сделают ее перспективным применением в челюстно-лицевой хирургии.
1. характеристики РПМТ [1, 2, 6]
RPMT основывается на компьютерном описании геометрии, структуры и состояния соединений объекта и автоматически и быстро материализует проектную идею в прототип с определенной структурой и функцией или непосредственно производит
Он может сократить время преобразования модели CAD в физическую модель более чем на 80%. С развитием методов диагностики, характеризующихся цифровой технологией визуализации (КТ, МРТ, 3D УЗИ и т.д.), легко реконструировать трехмерное поперечное сечение человеческого тела с помощью компьютера, и эти данные могут быть переданы в систему RPMT для создания тканевого образования этой части структуры. Он особенно подходит для прямого производства небольших партий, сложных (например, канавки, выпуклые плечи, полые, вложенные и т.д. [7]), фасонных объектов; он легко модулируется и заменяется оборудованием с различными принципами процесса; он позволяет предоставлять услуги удаленного производства с помощью Интернета; он доступен в широком диапазоне материалов (например, смола, пластик, бумага, парафин, пленка, металлический или керамический порошок, фольга, шелк и т.д.); теоретически возможно достичь коэффициента использования сырья в размере Процесс производства не сопровождается вибрацией и шумом, что делает его экологически чистой и эффективной технологией производства. В настоящее время используется специализированное формовочное оборудование с максимальной точностью 0,001 мм и толщиной слоя ±0,005 мм [2], формирующее детали размером до 800 мм x 1600 мм x 500 мм (например, SSM-1600 Университета Цинхуа) со скоростью от нескольких часов до десятков часов на деталь [2].
2. значение РПМТ в челюстно-лицевой хирургии
Целью челюстно-лицевой хирургии является не только удовлетворение физиологических и функциональных потребностей органов лица пациента, но и восстановление внешности пациента с максимальной индивидуальностью, что требует: тщательного и скрупулезного планирования до операции; объяснения пациенту послеоперационных результатов; максимально возможного упрощения хирургической операции и т.д. Прямое или косвенное вмешательство РПМТ, несомненно, упрощает эти проблемы, поскольку может играть важную роль в диагностике (переломы, анкилоз и даже непроходимость зубов [8]), планировании, моделировании операции (например, Gateno et al [9] использовали РПМТ для прогнозирования дистракционного остеогенеза) и лечении, позволяя выполнять сложные ортопедические процедуры, которые в противном случае проводились бы в несколько операций за одно посещение [7]. Были проведены статистические исследования [10]: применение RPMT привело к увеличению правильного диагноза на 29,60%, оперативной точности на 36,23% и оперативного времени на 17,63%. Не только это, но и то, что в последние годы РПМТ привлекло большое внимание благодаря своему применению в фундаментальных исследованиях, таких как тканевая инженерия в челюстно-лицевой хирургии, и стал важным методом для изготовления клеточных несущих скаффолдов.
В широком смысле применение РПМТ можно разделить на три этапа: начальный этап — биологические твердые модели для диагностики и хирургии; промежуточный этап (совместимые биологические модели) — имплантаты для терапевтической и реабилитационной техники; продвинутый этап (усовершенствованные биологические модели) — искусственные органы («настоящие» кости, которые могут участвовать в метаболических процессах).
3. несколько методов быстрого прототипирования, используемых в челюстно-лицевой хирургии
РПМТ обычно классифицируют по принципу производственного процесса. Ниже перечислены некоторые из наиболее известных методик, используемых в челюстно-лицевой хирургии, и их характеристики [1, 2, 6].
(1) Аппарат для стереолитографии (SLA) также известен как фоточувствительное жидкофазное отверждение, стереолитография, стереоскопическое моделирование и т.д. В этой технике в качестве исходного материала используется светочувствительная смола, а управляемый компьютером ультрафиолетовый лазер сканирует контуры каждой слоистой секции предполагаемого прототипа в виде траектории точка за точкой, отверждая смолу в отсканированной области, перемещая стол и размещая новый слой смолы, и так далее до полного завершения изготовления. Anderl et al [11] использовали модель SLA для планирования и проведения операции 8-месячному ребенку с тяжелой расщелиной средней зоны лица (от передней черепной ямки до твердого нёба). Hollister et al [12] использовали SLA для восстановления бокового дефекта нижнечелюстного сустава у маленькой юкатанской свиньи. SLA также может использоваться для микрофабрикации, и Технологический институт Кюсю в Японии изготовил модель размером около 50 мкм [2]. Изменения объема при формировании усложняют контроль.
(2) Производство ламинированных объектов (LOM). В этой технике используется лазерный луч для разрезания тонкопленочного материала, покрытого с одной стороны терморастворимым клеем, по внутренним и внешним контурам сборного прототипа в плоскости слоя, затем нагревается нагревательным роликом для скрепления свежесрезанного слоя со срезанным ниже слоем, и, наконец, отслаивается ненужный материал для получения модели. В настоящее время процесс LOM разрабатывается с использованием широкого спектра материалов (например, листового металла и керамических материалов) [2]. LOM может быть использован в клинических условиях для замещения твердыми тканями дефектов костей черепно-лицевой области, вызванных врожденными, травматическими, после краниэктомии, инфекцией и т.д. Например, Ono et al[14] использовал LOM для восстановления сложных дефектов челюстей у девяти пациентов с помощью керамики HA ( Недостатки LOM заключаются в том, что стойкость материала и прочность соединения тесно связаны с выбранной подложкой и типом клея, а также в том, что разделение отходов требует много времени.
(3) Выборочное лазерное спекание (SLS). В нем используется точно направленный лазерный луч для спекания или расплавления порошка материала, а затем его затвердевания для формирования трехмерного прототипа или модели. Как правило, связующее не добавляется и последующая обработка не проводится, поэтому можно формировать высокопрочные модели; не требуется опоры; модели имеют высокую точность (до ±0,01 мм при размере частиц менее 0,1 мм); при использовании воскового порошка можно непосредственно изготавливать восковые формы для точного литья. Ранний метод SLS был менее пригоден для изготовления тканеинженерных клеточных скаффолдов из-за сложности удаления порошка между порами. Развитие SLA позволило регулировать внутреннюю микроструктуру (поры и размер пор) спеченного продукта путем контроля параметров. Например, Cheah et al [15] использовали принцип, согласно которому размер пор микротрубочек увеличивается в плоскости X-Z при уменьшении энергии лазера и увеличении скорости сканирования для создания устройства замедления действия лекарств путем управления образованием плотных и пористых зон, что имеет значение для реконструкции дефектов в области опухолей челюстно-лицевой кости; Tan et al [16] контролировали различные соотношения двух материалов на коммерческом SLS-устройстве. Недостатками SLS являются сложность точного контроля поглощаемой мощности на единицу площади при спекании; иногда поверхность модели получается относительно шероховатой и нуждается в надлежащем запекании, отверждении и полировке.
(4) Fused Deposition Modeling (FDM) также известен как метод укладки расплава, экструзия расплава в форму и т.д.. Это использование форсунки горячего расплава, так что полутекучее состояние материала в соответствии с CAD слоистых данных управления пути экструзии и осаждения в развитии местоположения затвердевания формования, постепенно осаждения, затвердевания после формирования модели. Eppley et al[7] провели реконструкцию черепа у 13 пациентов с использованием FDM для создания индивидуальных псевдопротезов, что позволило значительно сократить время интраоперационного вмешательства. Schantz et al [18] создали 15 мм дефект в черепе новозеландского белого кролика и использовали FDM с PCL и фибриновым клеем в качестве сырья для «воспроизведения» дефекта с некоторой пористостью. Cao et al [19] предложили симбиотический рассасывающийся каркас из хондроцитов и остеобластов с помощью FDM для решения проблемы восстановления дефектов суставного хряща, и полученные результаты продемонстрировали большой потенциал для восстановления Результаты показали большой потенциал для восстановления остеохондральных дефектов. Недостатком является относительно низкая точность; также существует вариация объема; и метод FDM подходит только для изготовления скаффолдов без добавления активных веществ, таких как факторы роста, во время обработки из-за необходимости нагрева.
(5) Формирование мультиинсуффляции при нормальной температуре (TMF). Этот метод заключается в смешивании материалов, которые могут быть сформированы и отверждены после смешивания, в отдельные емкости, а также в смешивании и формировании их путем многократных инъекций. Выдающиеся преимущества [20] заключаются в том, что он исключает повреждение активного материала под воздействием высоких температур, что человеческий фактор роста кости не соединяется на более поздней стадии, как это происходит в настоящее время, а может быть многомерно соединен на стадии быстрого формирования с помощью специальной обработки; что он обладает эффектом медленного высвобождения, что значительно облегчает заживление кости в области дефекта; что материал может быть изменен в процессе производства для получения различных комбинаций материала, цвета, механических свойств и тепловых свойств; и что он может быть использован различными способами. Материал может быть изменен в процессе производства для получения различных композитных или негомогенных материалов и пористых структур с различными комбинациями материала, цвета, механических и тепловых свойств, а также для достижения функциональной градиентной укладки и формования материала. Поэтому он обещает стать основным технологическим методом для приготовления биоинженерных скаффолдов (тонкоструктурированная струйная укладка). В Китае Ши Янчунь с соавторами [21] из Университета Цинхуа пористый цилиндр диаметром и высотой 5 мм был изготовлен из PLA с молекулярным весом, близким к 100 000, HA, коллагена и BMP по технологии TMF и помещен в дефект лучевой кости собаки.
4. Outlook
В дополнение к наиболее известным методам, упомянутым выше, на практике были применены и многие другие. К ним относятся трехмерное напыление, фотомаскирование, цифровое накопление и новейший метод прямой оболочки. В настоящее время РПМТ активно применяется в медицинской сфере за рубежом. Остается еще много возможностей для развития в плане стандартизации программного и аппаратного обеспечения, криволинейности методов нарезки, дальнейшей интеллектуальной обработки и интеграции процессов оборудования. Использование РПМТ для создания человеческих тканей и органов для помощи в диагностике и хирургии имеет большой потенциал для развития. Для челюстно-лицевой хирургии специфичность «региона» сделает RPMT еще более «полезным».
Ссылки
1. Цинпин Лу. Технология быстрого прототипирования. Пекин: Издательство высшего образования, первое издание, 2001 год.
2.Ван Сюфэн, Ло Хунцзе. Техники быстрого прототипирования. Пекин: Издательство легкой промышленности Китая, первое издание, 2001 год.
3, Манкович Н.Дж., Чизман А.М., Стокер Н.Г. Отображение трехмерной анатомии с помощью стереолитографических моделей. J Digit Imaging. 1990 Aug; 3(3): 200 -3.
4, Klein HM, Schneider W, Alzen G, et al. Детская черепно-лицевая хирургия: сравнение фрезерования и стереолитографии для изготовления 3D-моделей. Pediatr Radiol. 1992; 22(6): 458-60.
5. Харрис Дж., Римелл Дж. Может ли быстрое прототипирование стать обычным явлением в стоматологической практике? Dent Update. 2002 Dec;29(10):482-6.
6. Фталид Танга. Основы процессов формования материалов. Чанша: Издательство Центрального Южного университета, первое издание, 2003 год.
7, Kim E, Kim KD, Roh BD, et al. Компьютерная томография как средство диагностики экстраканальной инвазивной резорбции.J Endod. 2003 Jul;29(7):463-5.
8, Eppley BL, Kilgo M, Coleman JJ 3rd. Реконструкция черепа с помощью сгенерированных на компьютере имплантатов из твердых тканей, подобранных пациентом: Показания, хирургическая техника и долгосрочное наблюдение. Plast Reconstr Surg. 2002 Mar; 109(3): 864-71.
9, Girod S, Teschner M, Schrell U, et al. Computer-aided 3-D simulation and prediction of craniofacial surgery: a new approach.J Craniomaxillofac Surg. 2001 Jun;29(3): 156-8
10, Gateno J, Allen ME, Teichgraeber JF, et al. Исследование in vitro точности нового протокола для планирования дистракционного остеогенеза нижней челюсти.J Oral Maxillofac Surg. 2000 Sep; 58(9): 985-90.
D»Urso PS, Barker TM, Earwaker WJ, et al. Stereolithographic biomodelling in cranio-maxillofacial surgery: a prospective trial. J Craniomaxillofac. Surg. 1999 Feb;27(1):30-7.
11, Anderl H, Zur Nedden D, Muhlbauer W, et al. CT-guided stereolithography as a new tool in craniofacial surgery. Br J Plast Surg. 1994 Jan; 47(1): 60-4.
12, Hollister SJ, Levy RA, Chu TM, et al. Подход на основе изображений для проектирования и изготовления черепно-лицевых строительных лесов. Int J Oral Maxillofac Surg. 2000 Feb;29(1):67-71.
13. Qiu M.K., Zhang S.C., Tan L.W., et al. Применение метода лазерного быстрого формования слоистых твердых материалов для репликации височной кости. Журнал Третьего военно-медицинского университета, 2002, 24(8):910-912.
14, Ono I, Tateshita T, Satou M, et al. Лечение больших сложных дефектов костей черепа с помощью гидроксиапатитовых керамических имплантатов. Plast Reconstr Surg. 1999 Aug;104(2): 339-49.
15, Cheah CM, Leong KF, Chua CK, et al. Характеристика микрофаз в селективных лазерных спеченных устройствах доставки лекарств. Proc Inst Mech Eng [H]. 2002; 216(6): 369-83
16, Tan KH, Chua CK, Leong KF, et al. Создание строительных лесов с помощью селективного лазерного спекания биокомпозита полиэфирэфиркетон-гидроксиапатит Blends. Biomate- rials. 2003 Aug; 24(18): 3115-23.
17, Rohner D, Hutmacher DW, Cheng TK, et al. In vivo эффективность покрытых костным мозгом поликапролактоновых скаффолдов для реконструкции орбитальных дефектов у свиньи. дефектов у свиньи.J Biomed Mater Res. 2003 Aug 15; 66B(2): 574-80.
18, Schantz JT, Hutmacher DW, Lam CX, et al. Восстановление дефектов коленной чашечки с помощью индивидуальных тканеинженерных костных трансплантатов II. Оценка клеточного состава. эффективность и действенность in vivo.Tissue Eng. 2003;9 Suppl 1:S127-39.
19, Cheung LK, Wong MC, Wong LL. Refinement of facial reconstructive surgery by stereo-model planning.Ann R Australas Coll Dent Surg. 2002 Oct;16:129-. 32.
20, Cao T, Ho KH, Teoh SH. Дизайн эшафота и исследование in vitro остеохондральной кокультуры в трехмерном пористом поликапролактоновом эшафоте. изготовленные методом наплавленного осаждения.Tissue Eng. 2003; 9 Suppl 1: S103-12.
21. Yan YN, Zhang RIN Ji, Cui Fuzhai et al. Технология струйного формования для изготовления искусственной кости. Китайское машиностроение. 2000, 11(10):1116-1119.
22. Shi YC, Yue XiuYan, Xiong Zhuo, et al. Быстрое изготовление пористого костного каркаса из биоразлагаемого полимера. Journal of Biomedical Engineering. 2002 Jun;19(2):348-9.