钛合金板设计原理

钛板设计原理

背景知识:

颅骨修补术是脑外科常见的手术，它不仅要解决缺损区没有对脑组织的有效保护、供血障碍、脑脊液循环异常等问题，还需要解决外形修复整形的问题，故选择材料不但要手术操作简单、并发症少，还要能精确塑形，达到外形修复整容满意的效果。

发生颅骨缺损的原因有颅脑外伤和脑部手术去除骨瓣，颅骨良性肿瘤或类肿瘤切除，颅骨慢性骨髓炎等。由于颅骨缺损区形状改变，头皮受大气压的影响，使其内陷压迫脑组织。病人常有较重的不安全感等思想负担，且可引起头痛、头晕、怕振动等综合征。颅骨缺损的时间愈长，颅骨缺损综合征及继发性脑损害的发生率愈高。为了恢复颅腔的密闭性，保持生理性颅内压稳定，减轻颅骨缺损综合征。对颅骨缺损直径在3厘米以上，无肌肉覆盖，无禁忌证者都应行颅骨修补。一般认为开颅术后3~ 6个月修补为宜；儿童则3~5岁后即可做成形手术。

修复颅骨缺损的常用手术方法及修复材料主要有以下几种方式：

（1）自体颅骨瓣颅骨修复：任何原因需进行开颅手术，在切取颅骨瓣后，不能立即原位回植，可经自体皮下埋置保存留用。自体颅骨组虽并发症少，修复外形满意，

但需再次手术而增加病人的痛苦，且存在颅骨吸收变小甚至坏死而修复后松动，

固定不稳的缺点。如能在简化保存自体颅骨操作，降低保存自体颅骨的环境要求

且自体颅骨不变形的情况下，使用自体颅骨回植将是最佳的颅骨修补术。现在已

有了颅骨冷冻保存技术，可以将患者的自体骨瓣完好地保留起来，时间可长达几

年之久，待病人术后需要修补时，随时将自存骨瓣装回到患者缺损的部位，以达

到严丝合缝完好如初的状态，目前北京天坛医院、北京市神经外科研究所已常规

应用。

（2）异质骨性材料：20世纪初曾进行过尸体骨移植和动物角移植，也有不错的组织相容性，但因为骨质吸收或手术方便性等原因目前应用甚少。

（3）有机玻璃颅骨、硅橡胶等修复：本世纪初国内尚应用的颅骨修补材料，因易老化、强度小、不易塑形、组织相容性差、易形成皮下积液感染、外形修复不满意等，

手术操作过程复杂、失败率高，现极少应用。

（4）金属代用品修复：Au、Ag、Al乃至Ni alloy、CoCr alloy、Ta等都曾应用于颅骨修补直至上世纪中叶，随着航空工业Ti合金进入医械领域而退出，主要因为Ti组织相容

性好,无毒、无致癌性,可透过X 线,对CT、MRI、EEG 等检查影响小,坚固耐用,易

于塑形，导热导电且价格高。目前最常用的就是厚0.3-1mm，均匀布满孔洞的钛

网板作为修复材料。最初的重建手术一般是由医生在术前或在术中根据患者缺损

部位的大小和形状，手工敲制钛合金网板，在患者头上比较后反复修型，剪缝，

直到符合患者缺损部位的要求，最后用螺钉固定。近来三维钛板的出现使塑形变

的比较容易，但硬度不如二维钛板。现在主流是CT三维重建技术的数字化颅骨塑

形技术，根据患者颅骨缺损的状况，模拟颅骨的自然形态，经过CT的数据处理、

医学的三维重建、颅骨自然曲面的表面绘制、计算机图形图像的辅助设计和钛金

属的数字制造等5项程序，即利用三维CT检查结果，为患者精确地设计预制出个性

化的修补缺损的钛合金头骨，在手术中成功地固定在患者缺损的头上。实现了钛

合金头骨与缺损部位的精确结合，做到对脑组织有效的力学保护，达到良好的治

疗效果；并且极大的缩短了手术时间，创面暴露时间亦相应减少，使得患者术后

发生积液及感染机会大大减少，也减轻了手术医师的劳动强度；同时，Ti网孔大

而密，有利液体引流和肉芽贯穿生长固定Ti网。

根据近年来临床应用案例研究，使用钛网进行修复已基本成为共识，其具有的优点是：具有金属的较强抗压性；易塑形，手术操作简单，加上现在开发的三维钛网，塑形更方便；CT扫描颅骨数字化塑形钛网技术的出现，能完整修复颅骨缺损，精度高；组织相容性好，近期远期不良并发症少。同时，手术医生普遍认为钛网还需要解决如下问题：1.降低价格；

2.降低导热导电性；

3.受到暴力的变形问题；

4.较长期钛网钛钉是否可能松动的问题；5对改善癫痫等后遗症发作无明显作用。

设计目标：

综上所述，为了更好的解决患者的病痛并方便医生的手术，钛网的设计应尽可能向如下目标接近：

一）改进钛网制备工艺，提高钛网质量和生产效率，降低价格。

二）开发表面诱导骨生长，提高生物相容性和降低导热导电能力，更好的保护大脑。

三）增强钛网强度以抵御冲击。

四）改进网钉骨配合结合效率，防止松动。

五）附加医疗功能，减少术后后遗症。

六）改进钛网材料、结构设计和辅助工具设计以提高钛网的切割、塑形、边缘磨平、固定效率，降低手术医生的操作难度和强度。

设计途径

1）改进材料和处理工艺，在不降低钛板延展性、适合塑形工具的前提下，增加钛板的强度，使之耐冲击力提高；

2）改进钛网花纹图案和螺纹孔设计，使得塑形时各部分变形均匀，应力不集中；钛网孔隙引流便利和肉芽成长容易；网架适宜脑膜固定，手术操作简单；螺孔与螺钉的结合效率提高；钛网的耐冲击力提高。

3）改进钛网刻蚀工艺，减少污染，提高刻蚀精度和生产效率，降低生产成本；

4）钛板表面制备功能薄膜或药物涂层，或是诱导骨生长，或是附加医疗功能；

5）？

技术方案

1）改进材料和处理工艺

根据医用塑形工具能力，将一般钛网用纯钛改为固溶态Ti13Nb13Zr，使之在加工制造乃至医用塑形时有中等强度，和纯钛近似的延伸率，固定于人体后随时间延长，发生时效硬化，强度大幅升高，增强钛网的力学保护性能；

2）按照钛网塑形时变形均匀性要求，网格花纹宜设计为中心对称图案；为降低塑形难度可设计三角形或六边形图案；为提高钛网的耐冲击性可设计为四方形图案；为调和塑形难度和耐冲击性间的矛盾，可设计为五边形或复合图形花纹；

3）依据目前收集的信息判断，钛网的可能制备途径分两大类：机械切削和刻蚀。其中前者可以区分为铣削、特种切割、超声波辅助硬质颗粒磨削，后者可区分为化学刻蚀和电化学刻蚀。铣削依靠精密数控铣床，逐个纹路螺孔加工，所有产品可一次完成，加工精度高，但对夹持装置和铣刀的技术要求高，设备成本高，加工周期长，优点则是设计图形