CN111263693A - 有机硅解剖模型及其增材制造 - Google Patents

有机硅解剖模型及其增材制造 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种使用3D打印设备来增材制造解剖模型的方法。该方法的特征在于使用至少一种可通过电磁辐射交联的硅橡胶组合物作为打印化合物。此外，通过逐层施加所述打印化合物，使得复杂解剖结构的制造成为可能。由此生成的解剖模型特别逼真，并且可以被熟练的医务人员使用，例如用于训练、实践手术技术、显示复杂的临床图片或患者个体化的术前手术计划。本发明还涉及通过前述方法制备的解剖模型。

Description

有机硅解剖模型及其增材制造
技术领域
本发明涉及一种使用3D打印设备来增材制造解剖模型的方法。该方法的特征在于使用至少一种可通过电磁辐射交联的硅橡胶组合物作为打印化合物。此外，通过逐层施加所述打印化合物，使得复杂解剖结构的制造成为可能。由此生成的解剖模型特别逼真，并且可以被熟练的医务人员使用，例如用于训练、实践手术技术、显示复杂的临床图片或患者个体化的术前手术计划。本发明还涉及通过前述方法制备的解剖模型。
背景技术
解剖模型，也称为生物模型，在医学上用于说明人体的解剖、健康或病理结构。其例如用于培训熟练的医务人员，在触觉三维模型上生动地描绘解剖结构。此外，可以在这种模型上演示和实践医疗程序或外科技术。在此情况下，也可以使用特定的仪器或对其进行评估以备后用。所述模型还特别适用于测试新型医疗产品或手术技术。
为了能够在尽可能真实的条件下执行此操作，模型的性质必须尽可能准确地复制特定的组织或身体部位。在此情况下，重要的性质可以是机械性质(例如硬度、弹性、抗撕裂性、断裂伸长率等)、表面性质、光学性质或使用期间的行为，例如切割行为或在这种模型上缝合的可能性。
除了描绘示例性解剖结构的通用解剖模型之外，还有患者个体化的模型，这些模型可再现特定患者的解剖结构。其例如可以由治疗医师用于术前手术计划或教育患者。同样在这些模型上，可以预先实施不同的手术策略，或者例如确定适用的器械和植入物尺寸。
由于解剖模型领域中组件的复杂性和可变性，增材制造方法特别适合于实现触觉生物模型。刚性的解剖模型，例如骨骼，可以通过各种增材方法和不同的材料(主要是热塑性材料)实现。
然而，不利的是，这些方法和打印材料仅在有限的程度上适用或根本不适用于许多解剖结构的模型的制作。特别是对于在负载下容易变形的柔软的弹性元件，这些模型无法以现实的方式重建治疗情况或手术情况。这尤其涉及诸如肌肉、腱、韧带、血管、软骨、皮肤、粘膜和软骨段的解剖结构。当前，这种软模型以3D打印的刚性印模的涂层或浇铸模型形式间接制造。
间接方法的一个缺点是，不可能或只有在非常费力的情况下才可能制造出复杂的解剖模型。复杂的解剖模型通常包含一个或多个特殊的几何特征，其阻止了通过铸造方法的常规制造。这些特征可以是底切、分支、内部空腔、通道、不平坦的表面、内部网格/梁结构、仿生结构、解剖元素上的分支网络或类似的复杂结构。
此外，所有间接方法的缺点在于，制造解剖学有机硅模型需要许多单独的制造步骤，因此涉及耗时，成本高昂的过程，在某些情况下，这需要大量的手工步骤。
通过直接3D打印方法制备解剖模型在现有技术中几乎是未知的。
WO 2015/107333 A1描述了一种3D打印的方法，该方法用于通过注射泵从混合器喷嘴(连续)挤出可交联的硅橡胶组合物来制备由硅橡胶弹性体组成的解剖假体。因此，这里所述的可固化有机硅组合物特别适合于连续分配细线，并且限于在室温(RTV)下可固化的两组分有机硅化合物。此外，只能获得Shore A在10至26之间的硬度以及1.1至3.3kN/m的拉伸强度。该方法的一个缺点是精确地放置最小量的有机硅打印化合物，这种放置对于精细细节的打印是无法实现的。此外，在两种橡胶组分混合后，交联时间不再受到影响，这尤其是不利的，因为在打印操作过程中交联度变化很大的硅橡胶组合物区域相互接触(当打印化合物的处理时间短于打印时间时)，或者打印结构没有负载性(当打印化合物的处理时间长于打印时间时)。
WO 2013/072874 A1描述了一种用于从医学图像数据创建解剖模型的方法，该方法基于丙烯酸酯基打印油墨的多喷射打印。此外，还描述了橡胶材料的使用，但该橡胶材料的性质与本发明中使用的有机硅明显不同。
发明内容
本发明的目的是提供一种方法，其允许简单且成本有效地制备复杂的解剖模型。在机械和光学特性方面，所述解剖模型应当尽可能准确地复制所讨论的真实组织或身体部位。
附图说明
图1：均来自面部区域的分段的数字骨骼模型(上)和分段的数字软组织模型(下)；
图2：均来自面部区域的后处理数字骨骼模型(上)和后处理数字软组织模型(下)；
图3：面部区域的修整后的总数字模型；
图4：一侧具有完全唇裂和腭裂的数字CLP模型。
具体实施方式
本发明涉及一种使用3D打印设备来增材制备解剖模型的方法，该方法包括以下步骤：
1)将一种或多种打印化合物逐层施加到支撑板上，施加到放置在其上的外来部件或先前施加的打印化合物层上，所述打印化合物包含至少一种由可通过电磁辐射交联的硅橡胶组合物组成的形成结构的打印材料；
2)通过电磁辐射使所施加的打印化合物交联或初期交联；
3)重复步骤1)和2)，直到完全构建所述解剖模型。
适用的3D打印设备在现有技术中是已知的，例如在WO 2016/071241 A1中描述的。所述3D打印设备优选包括至少一个排出装置、电磁辐射源和支撑板。
优选，所述排出装置的构造使得所述打印化合物可以单个分离的液滴(体素)的形式、成排的液滴或成股的形式进行递送。这些形式之间可以平滑过渡。
为了递送单独的液滴，所述排出装置可包括一个或多个喷嘴，这些喷嘴沿基板的方向发射打印化合物的液滴。这样的喷嘴也称为喷射喷嘴。
为了递送成股的打印化合物，通过对容器进行加压，将打印化合物例如从墨盒、注射器或鼓轮，经由喷嘴成股压出，并选择性地沉积在基板上以形成物体。这种排出装置也称为分配器。
可以为3D打印设备中的各种打印化合物提供多个在技术上不同的排出装置。所述3D打印设备例如可以具有一个或多个可能不同设计或不同操作的喷射喷嘴和/或一个或多个可能不同设计或不同操作的分配器。
所述排出装置优选包括具有压电元件的喷射阀。这使得可以排出低粘度的材料，其可以实现几皮升(pL)的液滴的液滴体积(2pL对应于约0.035μm的液滴直径)，以及可以排出中粘度和高粘度材料，例如特别是硅橡胶化合物，优选喷嘴直径为50至500μm的压电打印头，其可以产生纳升范围(1至100nL)的液滴体积。对于低粘度化合物(小于100mPa·s)，这些打印头可以非常高的分配频率(大约1至30kHz)递送液滴，而对于高粘度化合物(大于100Pa·s)，则根据流变特性(剪切稀化行为)可以达到最高约500Hz的分配频率。适用的喷射喷嘴在现有技术中是已知的，例如在DE 10 2011 108 799 A1中描述的。
优选，所述打印化合物以液滴的形式施加。非常特别优选，通过按需滴加法(DOD法)施加打印化合物。所述DOD法特别适用于制备复杂模型。在按需滴加法中，每个打印的液滴都是事先专门生成的，并沉积到该液滴的确定位置上。
本发明的打印化合物包含至少一种由可通过电磁辐射交联的硅橡胶组合物组成的形成结构的打印材料。在本发明中，形成结构的打印材料应理解为是指用于构建解剖模型本身结构的打印材料。与此相比，也可以使用各种支撑材料，但是，在构建解剖模型之后，这些支撑材料将被移除。
形成结构的打印化合物可另外包含一种或多种彼此不同的其他可交联的硅橡胶组合物。在交联状态下，所述硅橡胶组合物可以在例如肖氏(Shore)硬度、电导率、热导率、颜色、透明度、亲水性和/或溶胀行为方面不同。
适用的硅橡胶组合物在现有技术中是已知的。在WO 2017/081028A1、WO 2017/089496A1和WO 2017/121733A1中描述的硅橡胶组合物是特别适用的。
在未交联状态下，所述可交联的硅橡胶组合物和/或任选存在的另外的硅橡胶组合物的粘度优选为10Pa·s或更高，更优选为40Pa·s或更高，特别优选为100Pa·s或更高，非常特别优选为200Pa·s以上且1000Pa·s以下，分别在25℃和0.5s-1的剪切速率下测得。
所述硅橡胶组合物的粘度可以根据DIN EN ISO 3219：1994和DIN53019用流变仪测量，可以使用开口角度为2°的锥板体系(锥CP50-2)。适用的流变仪例如是Anton Paar的“MCR 302”；Graz，奥地利。可以使用标准材料(例如德国Braunschweig的Physikalisch-Technische Bundesanstalt[国家计量学院]的标准油10000)对仪器进行校准。
所述硅橡胶组合物可以是单组分或多组分，优选单组分的配制物。在根据本发明的方法中使用的硅橡胶组合物优选是加成交联的硅橡胶组合物。加成交联的硅橡胶组合物通常通过硅橡胶组合物中的不饱和基团例如烯基与Si-H基的反应(氢化硅烷化)进行交联。可以热的方式和/或通过UV或UV-VIS光引发交联。这样的硅橡胶化合物从例如WO2016/071241 A1及其中引用的出版物中获知。
通过UV/VIS诱导的光敏氢化硅烷化催化剂的活化来实现所述交联，优选铂络合物作为催化剂。从现有技术中已知许多光敏的铂催化剂，它们在没有光的情况下基本上是非活性的，并且可以通过用UV/VIS光照射而转化为在室温下呈活性的铂催化剂。
所述打印化合物还可包含一种或多种以下形成结构的打印材料：有机硅凝胶、有机硅树脂、由选自丙烯酸酯、烯烃、环氧化物、异氰酸酯或腈的单体组成的均聚物或共聚物，以及包含一种或多种上述均聚物和共聚物的聚合物共混物。所述打印化合物优选是至少在加工期间以可流动形式存在并且可以在排出之后固化或交联的材料。所述打印化合物可以是单组分或多组分，优选为单组分的配制物。
所述形成结构的打印化合物优选包含50重量％或以上、特别优选70重量％或以上、非常特别优选90重量％或以上的上述硅橡胶组合物，每种情况下都基于所述形成结构的打印化合物的总重量。在一个特别优选的实施方案中，所述形成结构的打印化合物仅由硅橡胶组合物组成。
在交联状态下，所述形成结构的材料可以在例如肖氏硬度、电导率、热导率、颜色、透明度、亲水性和/或溶胀行为方面不同。
可以用于解剖模型的材料可包括由凝胶状材料(穿透测量)至ShoreAO或00硬度标度的非常软的材料，至Shore D硬度标度的刚性材料。优选Shore 00硬度为25至Shore A硬度为90的材料。特别优选使用Shore00硬度为25至Shore A硬度为90的有机硅。
Shore硬度可以通过Shore硬度测量仪测量，例如根据DIN ISO7619-1：2012-02或ASTM D2240。为了测量弹性体的压痕硬度，需要测量弹簧销钉在材料中的压痕深度。为此，将规定厚度(如6毫米)的试样放置在平坦、坚硬的表面上，并以规定的测试时间(例如3s)借助测试力将规定的压头垂直施加于试样上。经过测试时间后，可以读取肖氏硬度显示值。适用的仪器是例如来自德国Zeilarn的Q-tec GmbH的ShoreA硬度测试仪SHA.D3。
所述打印化合物的另一优选性质是其弹性，其旨在以特别逼真的方式重建某些生物组织的自然行为。在此情况下，例如对于软组织，取决于特定的材料硬度，特别优选打印化合物的断裂伸长率为100％至1000％。
此外，优选可以对所述打印化合物进行着色，使得它们尽可能与生物组织的光学外观匹配。有机硅打印化合物例如可以用不同比例的色浆来着色，例如优选可以任何红色色调对肌肉进行着色，用白色对骨骼进行着色，及用肤色色调对皮肤区域进行着色。此外，与生物原件相比，可以选择半透明或光学透明的材料，从而能够更容易地在视觉上理解模型内部的过程。
所述打印化合物的另一优选性质是当使用模型进行训练时尽可能逼真的行为。所选的打印化合物在切割、切断、缝合、分离、用夹子或灰泥接合等时应表现得尽可能像原始组织。还优选尽可能与体内的实际情况相匹配的是，体液在有机硅解剖模型之中、表面上或上方的流动行为、医生手动检查中的变形等。
因此，优选选择打印化合物，使得它们在光学、机械和/或触觉性质方面逼真地呈现相关的解剖结构。这优选可以通过将生物模型的性质与打印的触觉模型进行比较并对材料选择进行迭代调整来实现。
应当通过对打印模型的特性和行为的***研究来确保尽可能逼真地呈现生物原件的特性。为此，将文献中已知的生物组织的数值用作比较的基础。如果不存在这样的数值，则对生物样品进行实验以产生比较值。随后对模型进行不同的研究。其可以包括几何调查、密度测量、拉伸测试、松弛测试、静态和动态载荷测试、静态和动态变形测试以及硬度测量。此外，可通过与医学环境特定匹配的评估如触觉研究、切割测试、流动行为、分离不同层时的行为和缝合行为来扩展这些研究。
这些研究构成后续临床评估的基础。在此，第一步是由医学专家检查数字和触觉模型本身，并就其性质进行评估，例如对解剖结构、处理和质量的描述。如果模型是实践模型，则在第二步中将其用于医学模拟，即对特定模型进行适当的检查或处理。这里，所述检查和处理的情况和实施应尽可能接近真实患者的临床情况。医学模拟中模型的行为可以由熟练的医务人员和技术专家进行评估。
基于所有研究的结果，对开发中的模型进行迭代调整和进一步开发，从而生成尽可能逼真的模型。
在一个优选的实施方案中，所述打印化合物另外包含一种或多种支撑材料，其在完成解剖模型的构建之后被去除。
如果解剖模型应当具有空腔、底切或悬垂的、自支撑的或薄壁的部分，因为无法放置打印化合物使其自由漂浮在空间中，可能需要放置支撑材料。所述支撑材料在打印过程中填满空间体积，并用作基础或支架，从而可以在其上放置所述打印化合物并使其固化。在完成打印过程后，将支撑材料除去，并清除打印物体的空腔、底切以及悬垂的、自支撑的或薄壁的部分。另外，也可以在技术上并非绝对必要的位置处提供支撑材料。例如可以将组件包装在支撑材料中，以提高打印结果的质量或影响打印产品的表面质量。通常用作支撑材料的是与待打印的解剖模型的材料不同的材料，例如非交联且非粘性的材料。取决于物体的几何形状来计算所述支撑材料所需的形状。为了例如使用尽可能少的支撑材料或为了增加产品的尺寸精度，可以在支撑材料的形状的计算中采用各种策略。
如果使用支撑材料，则打印头可以具有一个或多个额外的用于所述支撑材料的排出装置。替代地或额外地，也可提供具有相应的排出装置的另一打印头，以用于排出所述支撑材料。适用的支撑材料在现有技术中是已知的。如WO 2017/020971 A1中所述的支撑材料是特别适用的。
在根据本发明的方法中，通过电磁辐射使所施加的打印化合物发生交联或初期交联。所述电磁辐射优选以位点选择或广泛的方式，以脉冲或连续的方式和以恒定或变化的强度作用在所述打印化合物上。
适当的是，在打印过程中不断地照射整个工作区域以实现完全交联，或者仅将其短暂暴露在辐射中以专门引起不完全交联(初期交联/生胶强度)，这在某些情况下可导致各层彼此之间更好的粘合。优选以热的方式和/或通过UV或UV/VIS辐射，非常特别优选通过UV或UV/VIS辐射，来实现打印化合物的交联或初期交联。
UV辐射的波长在100nm至380nm的范围内，而可见光(VIS辐射)的波长在380至780nm的范围内。与热交联相比，UV/VIS诱导的交联具有优势。首先，可以精确测量UV/VIS辐射的强度、作用时间和作用位点，而所排出的形成结构的打印材料的加热(及其随后的冷却)则由于相对较低的热导率总是延迟进行。由于硅橡胶组合物固有的非常高的热膨胀系数，在热交联的情况下不可避免地存在的温度梯度导致机械应力，其会对所形成的物体的尺寸精度产生不利影响，这在极端情况下可能导致不可接受的形状扭曲。
UV/VIS诱导的交联的速率取决于许多因素，尤其取决于光敏催化剂的性质和浓度、UV/VIS辐射的强度、波长和作用时间、打印化合物的透明度、反射率、层厚度和组成以及温度。优选使用波长为240至500nm、更优选250至400nm、特别优选350至400nm、特别优选365nm的光来使UV/VIS诱导交联的硅橡胶化合物固化。
为了实现快速交联，可理解为室温下的交联时间小于20分钟，优选小于10分钟，更优选小于1分钟，建议使用输出功率在10mW/cm2与20000mW/cm2之间、优选在30mW/cm2与15000mW/cm2之间的UV/VIS辐照源，以及在150mJ/cm2与20000mJ/cm2之间、优选在500mJ/cm2与10000mJ/cm2之间的辐射剂量。在这些输出功率和剂量值的范围内，可以实现不超过2000s/cm2且不小于8ms/cm2的区域特定的辐照时间。
如果使用在UV/VIS作用下固化的打印化合物，则所述3D打印设备优选具有UV/VIS辐照单元。在位点选择性辐照的情况下，所述UV/VIS源以相对于基板可移动的方式布置，并且仅辐照物体的选定区域。在大范围辐照的情况下，在一个变体中，设计所述UV/VIS源，使得可以一次性辐照整个物体或所述物体的整个材料层。在一个优选的变体中，设计所述UV/VIS源，使得其光强或其能量可以可变的方式调节，并且UV/VIS源在同一时间仅辐照物体的一部分区域，可以相对于所述物体移动UV/VIS源，从而可以用所述UV/VIS光，任选以不同的强度，辐照整个物体。为此，例如将UV/VIS源设计为UV/VIS LED灯条，并且相对于所述物体移动或在打印物体上方移动。
对于可热交联的打印化合物，所述交联可以通过IR辐射来实现，例如借助于(N)IR激光器或红外灯。
使用固化策略进行固化。优选，在放置一层之后，在放置多层之后，或直接在打印期间使打印化合物固化。
在打印期间直接使打印化合物固化被称为直接固化策略。如果例如使用可通过UV/VIS辐射固化的形成结构的打印材料，则与其他固化策略相比，UV/VIS源很长时间处在使用中，因此可以明显更低的强度工作，这导致透过物体的缓慢交联。这限制了物体的加热并导致尺寸精确的物体，因为不会出现由于温度峰值而引起的物体膨胀。
在每层固化策略的情况下，在放置每个完整的材料层之后，对所放置的材料层进行辐射诱导交联。在该操作期间，将新打印的层与固化的下面的打印层相结合。放置打印化合物后不会立即发生固化，因此打印化合物在固化之前有时间松弛。这意味着，打印化合物可以相互流入，从而获得比直接固化策略更光滑的表面。
在n层固化策略的情况下，所执行的过程与每层固化策略的过程相似，但是在放置n个材料层之后才进行固化，其中n是自然数。用于使打印化合物松弛的时间进一步增加，由此使表面质量进一步改善。
所述解剖模型优选50重量％或以上，特别优选70重量％或以上，非常特别优选90重量％或以上由一种或多种有机硅弹性体组成，每种情况下都基于解剖模型的总重量。在一个特别优选的实施方案中，所述解剖模型仅由一种或多种有机硅弹性体组成。
在本发明的一个优选的实施方案中，基于由解剖测量数据生成的数字3D模型来制备所述解剖模型。
在此情况下，所述解剖测量数据例如可以通过医学成像法或表面扫描获得。
为此，可以使用捕获人体内部(如器官、肌肉、骨骼、组织)及人体表面上的某些身体区域的不同方法。为此，可以使用表面扫描法，例如激光扫描法，其捕获体外区域，或者通过引入到身体开口中(例如在口腔中或在耳道中)来绘制其后的腔体。此外，医学成像法可用于数据采集，例如X射线照相、计算机断层扫描(CT)、磁共振成像(MRI)、核医学(NUC)、正电子发射断层扫描(PET)、超声检查、闪烁显像或其组合。
在获取数据时，必须注意的是，完全地并以足够的分辨率绘制有机硅模型所需的解剖区域。在医学图像数据的情况下，例如可能需要使用造影剂来描绘血管(或内腔中的血流)。
可以由获取的数据创建数字3D模型。用于数字模型的基础是获取的医学图像数据或来自表面扫描仪的数据。扫描仪数据通常直接作为表面数据集使用，例如.stl格式。医学数据通常作为图层数据集使用。在此情况下，特别感兴趣的是所谓的DICOM数据(医学数字成像和通信)，它是X射线照相、MRI、CT和超声检查的医学数据标准。这涉及将灰度值、信号值或参数值在2D图像的情况下分配给每个像素，或者在断层图的情况下分配给每个体素。此外，DICOM格式还包含其他信息，例如患者数据或层厚度。替代地，数据也可以例如以.nrrd格式可用。
通过分割从医学层数据创建表面模型。分割实现了从非结构化像素或体素数量到可解释物体(区段)的过渡。在此情况下，将每个像素或体素分配给某个区段。这是为了将特定的组织类别和/或解剖结构彼此区分开，并将它们定义为明确相关联。在手动分割的情况下，标记每个单独层图像中的相关结构。在自动分割方法的情况下，其可细分为基于像素、基于边缘和基于区域的方法并相互结合，该过程可以在时间上加快进行。像素取向的阈值方法根据同质性标准将具有相同灰度值的内容相关区域或像素或体素聚集在一起。所述同质性标准是Hounsfield尺度(HU尺度，Hounsfield单位)。HU尺度通过将特定组织的衰减系数与水的衰减系数(0HU)相关联，可以对各种CT图像进行标准化比较。可以通过用户界面取向的软件工具或通过直接程序来进行分割。随后可以将生成的区段导出为表面模型，例如以.stl格式导出。取决于所考虑的解剖结构、可用的数据集和计划的模型应用，结合多个数据集例如MRI和CT和/或多个软件程序也被证明是有意义的。例如可以通过从第一个程序以.stl文件中间导出一个初步模型阶段并将其传输回第二个程序中的层数据来实现软件组合。当所述程序提供不同的分割工具时，这可能是有用的。在某些情况下，与直接分段程序代码结合也是适宜的。
可以在打印解剖模型之前对数字3D模型进行数字后处理。所述数字解剖模型的后处理可以基于体积、基于网络和/或基于点的方式进行。可以使用不同的程序和软件环境来对数字模型进行后处理，其包括从经典的工程工具例如CAD程序到直观的手动设计环境。
首先，对直接从表面扫描仪获取或通过分割间接从医学图像数据获取的表面模型的网络进行误差检查，清理，并在必要时平滑化以进行进一步处理。为了能够处理模型的数据量，还需通过减少三角形表面来简化网络。在迭代循环中，在进一步的模型处理步骤之后也需要进行所述网络处理的步骤。
为了创建通用模型，可以根据需要调整从医学图像数据和/或扫描数据创建的表面。这尤其可以用于呈现不同的解剖学特征，例如用于特定地生成所定义的病理结构，或校正所使用的患者扫描的不期望的(非典型的)解剖结构。为此，可以任意组合、选择和迭代的方式，自动或手动使用以下操作选项：
-两个或更多个表面模型的布尔(Boolean)运算(组合、减法、混合)
-修整模型
-缩放
-通过补偿函数(offset functions)增加材料
-创建空心结构
-产生间隙
-产生孔
-产生桥
-增加体积
-减小体积
-网络变形
-移动网络节点
-表面倒圆
-表面平滑化
这些操作选项也可以用于创建由多个表面模型组成的整体模型，以及任选地彼此协调各个组件。
此外，也可对模型参数化。因此，可以通过输入或改变参数来自适应地调整某些构造的几何特征。所述参数化还可以与用户界面组合，因此，通过使用用户界面，即使是没有经验的构造者也可以将他们自己的模型与相关的临床图片结合在一起。
此外，可以在打印后对解剖模型进行后处理或后加工。后处理优选选自以下方法中的一种或多种：热处理、表面涂覆、切割、区段的分割和去除以及单个部件的接合。部件的热处理例如可以在200℃下进行4小时。这对应于有机硅弹性体典型的回火处理。在WO2010/015547A1中描述了特别适用的回火处理。
此外，可以在3D打印后对模型进行局部或全局涂覆以例如优化模型的表面特性。可以通过涂层优化的特性例如包括部件的表面粗糙度、摩擦系数、颜色、透明度、3D打印的阶梯效应的降低、施加与实际部件不同材料的表面层等。后加工中的另一种选择例如是切割、各区段的分割和/或去除、单个部件的接合。
本发明还涉及通过上述3D打印方法制备的解剖模型。在此，所述解剖模型也可以通过这种3D打印方法与至少一种其他增材或常规制造技术的组合来制备。
根据本发明制备的解剖模型优选对应于健康的人体解剖学或特定的临床图片(病理结构)。它们可以不同的特征形式和组合存在。根据本发明制备的解剖模型优选复制唇裂和腭裂、血管、心脏或脑室。此外，根据本发明制备的解剖模型可以是通用模型或患者特定模型。
所述解剖模型的一个优选特性是其在光学、机械和/或触觉特性方面逼真地呈现相关的解剖结构。这优选可以通过将生物模型的性质与打印的触觉模型进行比较以及对材料选择的迭代调整来实现。
所述解剖模型的另一个优选特性是在其硬度方面尽可能接近真实地展示不同的组织类型。所述解剖模型的一个特别优选的特性是通过具有不同肖氏硬度的有机硅来接近真实地呈现软组织。
所述模型的另一优选性质是其弹性，其以特别逼真的方式重建某些生物组织的自然行为。在此情况下，例如对于软组织，取决于特定的材料硬度，打印化合物的断裂伸长率特别优选为100％至1000％。
此外，所述模型优选可以被着色以使其尽可能与生物组织的光学外观相匹配。例如可以任何红色色调为肌肉着色，以白色为骨骼着色，以肤色色调为皮肤区域着色。此外，与生物原件相比，可以选择半透明或光学透明的材料，从而能够更容易地在视觉上理解模型内部的过程。
所述解剖模型的另一优选特性是当使用该模型进行训练时尽可能逼真的行为。所制备的模型在切割、切断、缝合、分离、用夹子或灰泥接合等时应表现得尽可能像原始件。还优选尽可能与体内的真实情况相匹配的是，体液在所述有机硅解剖模型内、在其表面上或在其上方的流动行为、医生手动检查中的变形等。
本发明的益处
本发明在此实现了由有机硅制成的解剖模型的直接增材制造，即数字模型通过3D打印机直接转换成触觉有机硅模型。无需创建模具或丢失型芯，也无需手动或自动浇铸模具。因此，简化了模型的制备，并且可以节省成本。此外，如本发明所描述，可以通过在基于液滴的方法中结合支撑材料直接3D打印，以无问题的方式制造复杂的解剖模型。
本发明还包括从解剖模型的数字采集一直到3D打印以及可能的后处理的完整处理链。其优点在于，在模型创建期间，可以考虑基于液滴的3D打印过程的特殊性。例如可以在模型创建期间将不同硬度的区域分配给不同的模型部件，然后以不同的材料类型实现。此外，可以通过构造措施来调整模型的特征(空腔、最小壁厚、半径等)，从而可以通过所描述的3D打印技术来实现数字解剖模型。
另一个新颖的步骤是对解剖模型的建设性修改。例如可以从数字模型出发，通过对模型的人为调整和手动建模/操作来人为地实现解剖元件的不同表现。
此外，可以通过操作将诸如面部区域中的畸形的临床图片针对性地引入到所述模型中。与有机硅3D打印结合，从而可以增材制造独特的模型。
通过将这种数字化工作流程与增材制造相结合，可以自动化制造单个物件，可以从基本模型出发，创建任意数量的触觉模型，这些触觉模型在其解剖结构以及缺陷和临床图片的性质、数量、大小、位置等可以不同。
然而，除了对实际解剖结构的这种操作性修改之外，还可希望精确地重建特定患者的解剖结构。这可以通过特定患者数据的获取以及尽可能精确的分段来实现。基于创建的解剖模型，可以计划和实践手术，促进患者教育，并可以预先选择和“试用”植入物。由于可以呈现整个过程以及可以直接在3D打印中制造有机硅模型，因此可以加快并优化该过程。此外，因此还可以使用特定的患者数据来构造和制造患者个体化的假体(prostheses)、假体(epitheses)、植入物等。在此情况下，早在模型创建期间就考虑后续的增材制造过程是尤为重要的。
实施例
小儿唇裂和腭裂模型(CLP模型)
a、数字模型的生成：
起点是来自成年人面部区域的DICOM数据集。其中上颌骨和没有牙齿的相邻骨区域被分割，在第二个模型中，同样分割由皮肤、肌肉和其他软组织结构组成的周围软材料。所述分割的模型如图1所示。
下一步，修复分割的模型的网络，填充孔，并对表面进行平滑处理。调节骨骼轮廓以适合婴儿的轮廓。对于软组织模型，将对鼻子、鼻中隔、嘴唇轮廓、唇系带和(如果需要)其他结构进行成形。为了更容易地处理和平滑嘴唇和脸颊内侧，在硬颚区域中对颚进行分离。通过与骨骼模型上颌的偏移创建新的颚，并通过布尔运算符将其添加到软组织模型中。之后，分别修整两个模型，并简化和统一其网络。所得模型可以从图2中收集。
之后，将两个模型转换为整体模型。如果软组织模型的外部轮廓的各个点与骨骼模型的轮廓太近，则通过增加体积来增强这些点，然后平滑过渡。然后将整体模型修整到鼻子和上颌区域。通过补偿函数，在骨骼模型周围生成一个外壳，将该外壳添加到软组织模型中。此后，填充在外壳和软组织模型之间的孔，并再次修整模型。修整后的模型如图3所示。
材料的缩放、添加或减除可用于将成人模型转换为儿童模型。为此，测量所创建的模型，并将其与文献中儿童颌骨的尺寸进行比较。在此情况下，由于不同区域的变形程度不同，因此必须随后对过渡进行再次调整和平滑，并且必须再次对整个模型进行修整，以形成和谐的整体图像。
在下一步中，将人为选择的肌肉、腭提肌(levator palatini)、腭张肌(tensorpalatini)和奥氏菌(M.ocl oris)添加到模型中。为此，标记软组织模型的表面网络的外部区域，肌肉位于其后。补偿函数和平滑工具用于在软组织模型中创建肌肉。通过从软组织模型中减去肌肉的副本，可以为模型中的肌肉创建相应的口袋(pockets)。如果需要，例如在制造后的组装过程中，可以通过偏移使口袋大于肌肉模型，或者通过减去体积为完全嵌入的肌肉创建通道。当通过多材料打印将模型制成一个部件时，则不需要进行这些调整。所得结果是一个健康的儿童上颌模型。
通过各个网络节点的运动，体积的去除和增加以及随后的平滑，可以呈现不同的病理，如一侧的唇裂和腭裂。在此，相关的科学文献和熟练的医疗人员的评估对于创建逼真的解剖模型是必要的。由于在唇裂的情况下肌肉组织也会移动，因此有必要如上所述地重建相关的肌肉。由于上颚肌肉组织必须沿着唇裂行进，因此，如果存在，骨裂则首先被放大从而为肌肉组织创造空间。然后，作为骨骼结构的偏移在此产生肌肉。如有必要，随后为可能的组装步骤额外准备最终的模型，例如通过切割以***内部结构。最后，再次检查所有轮廓和壁厚(根据制造参数)，并在必要时进行调整，最后清理并简化网络。
成品的CLP数字模型的一侧完全裂开，可以在图4中看到，该模型以其各个部分的形式导出，例如以.stl文件的形式导出，或者以用于多组分打印的格式作为整体模型导出，并转移到打印机上。
b、解剖模型的制造
所述CLP模型的制造可以通过创造性地制造可随后组装的单个零件来实现，也可以通过创造性地制造整体模型来实现。
对于所述模型的增材制造，使用K系列100和600的
Figure BDA0002428139760000181
打印机。根据组件选择组件的位置和使用的打印策略。之后，根据本发明的方法制造模型。在这方面，借助于所使用的材料的经验值最佳地设置打印参数。
为不同区域所打印的材料具有不同的肖氏硬度，例如软组织模型和肌肉组织的肖氏A为10，骨骼模型的材料的肖氏A为60，并且骨骼的颜色为例如白色，肌肉为红色，软组织模型为皮肤颜色。
肖氏A硬度为60的硅橡胶组合物被用于骨骼模型，肖氏A硬度为10的硅橡胶组合物被用于肌肉组织和软组织。使用可商购的色浆为模型上色。
在多材料打印中，可以用不同的材料一步制造所述模型。在单独制造所有模型组件的情况下，还需要手工进行组装。通常，所述模型的后处理可以包括制作特定切口，支撑材料的去除，各个区段的粘合，先前生成的开口的封闭，回火，手工涂覆或着色。例如通过略带红色的肖氏00涂层，还可以模拟CLP模型的粘膜。
除了上面列出的CLP模型外，也非常容易想象其他应用程序。这些包括健康、患病或有缺陷的不同血管结构的模型。在此，可以根据要求或根据生物学模型来调整不同的制造和后处理参数。此外，对健康、患病或有缺陷的心脏的呈现也很感兴趣。也可以制作脑模型或脑结构模型，特别与硬或非常软的材料结合在一起时。仅这些例子就表明，有机硅3D打印在解剖结构模型中的应用非常广泛，尤其是在软组织区域中。

Claims (20)

1.使用3D打印设备增材制备解剖模型的方法，该方法包括以下步骤：
1)将一种或多种打印化合物逐层施加到支撑板上，施加到放置在其上的外来部件或先前施加的打印化合物层上，其中所述打印化合物包含至少一种由通过电磁辐射可交联的硅橡胶组合物组成的形成结构的打印材料；
2)通过电磁辐射使所述打印化合物交联或初期交联；
3)重复步骤1)和2)，直到完全构建所述解剖模型。
2.根据权利要求1所述的方法，其中以液滴的形式施加所述打印化合物。
3.根据权利要求2所述的方法，其中借助按需滴落法施加所述打印化合物。
4.根据权利要求1至3之一所述的方法，其中所述打印化合物还包含一种或多种其他可交联的硅橡胶组合物。
5.根据权利要求1至4之一所述的方法，其中所述可交联的硅橡胶组合物和/或任选存在的另外的硅橡胶组合物在每种情况下均在25℃和0.5s-1的剪切速率下测得的粘度为10Pa·s或更高，优选为40Pa·s或更高，特别优选为100Pa·s或更高，非常特别优选为200Pa·s或更高。
6.根据权利要求1至5之一所述的方法，其中所述打印化合物额外包含以下形成结构的打印材料中的一种或多种：
由选自丙烯酸酯、烯烃、环氧化物、异氰酸酯或腈的单体组成的均聚物或共聚物，以及包含上述均聚物和共聚物中的一种或多种的聚合物共混物。
7.根据权利要求1至6之一所述的方法，其中以热的方式和/或通过UV或UV-VIS光来诱导所述交联或初期交联。
8.根据权利要求1至7之一所述的方法，其中所述打印化合物额外包含一种或多种支撑材料，所述支撑材料在完成所述解剖模型的构建之后被去除。
9.根据权利要求1至8之一所述的方法，其中选择所述打印化合物，使得它们在光学、机械和/或触觉特性方面接近真实地呈现相关的解剖结构。
10.根据权利要求1至9之一所述的方法，其中所述解剖模型是基于由解剖测量数据生成的数字3D模型制备的。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述解剖测量数据是通过医学成像法或表面扫描获得的。
12.根据权利要求10和11之一所述的方法，其中在打印所述解剖模型之前，对所述数字3D模型进行数字后处理。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述数字后处理选自以下方法中的一种或多种：两个或多个数字3D模型的布尔运算、修整、缩放、通过补偿函数增加材料、创建空心结构、产生间隙、产生孔、产生桥、增加体积、减少体积、结构的变形、结构的移动、表面的倒圆和表面的平滑化。
14.根据权利要求1至13之一所述的方法，其中所述解剖模型在打印之后被后处理或后加工。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述后处理选自以下方法中的一种或多种：热处理、表面涂覆、切割、区段的分割和去除以及单个部件的接合。
16.通过根据权利要求1至15之一所述的方法制备的解剖模型。
17.通过将根据权利要求1至15之一所述的方法与至少一种其他增材或常规制造技术相结合而制备的解剖模型。
18.根据权利要求16或17之一所述的解剖模型，其中所述解剖模型对应于健康的人体解剖学或临床图片。
19.根据权利要求16至18之一所述的解剖模型，其中所述解剖模型复制唇裂和腭裂、血管、心脏或脑室。
20.根据权利要求16至19之一所述的解剖模型，其中所打印的解剖模型是通用模型或患者特定模型。
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