一种牙龈扩张器的制作方法

摘要

本发明公开了一种牙龈扩张器的制作方法，所述方法包括以下步骤，(1)、采用3D打印牙龈扩张器的钛金属支架；(2)、水凝胶的制备：水凝胶的制备包括以下步骤，步骤一、将所需要的试剂按类进行纯化，其中，液体试剂采用蒸馏纯化，固体试剂采用重结晶的方法进行纯化；步骤二、将单体MMA、单体NVP与引发剂AIBN混匀；步骤三、移液枪加入常规交联剂AMA摇匀；步骤四、移液枪加入常规交联剂EGDM，摇匀、超声震荡后抽滤；步骤五、与钛金属支架一起分装至自制玻璃磨具，置入真空干燥箱经梯度升温加热获得带有干态自制水凝胶的牙龈扩张器。本发明制作出来的牙龈扩张器能够适用于口腔内软组织的扩张，特别适合牙龈的扩张，并且固定方便。

权利要求

1.一种牙龈扩张器的制作方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤，(1)、采用3D打印牙龈扩张器的钛金属支架；

(2)、水凝胶的制备：水凝胶的制备包括以下步骤，步骤一、将所需要的试剂按类进行纯化，其中，液体试剂采用蒸馏纯化，固体试剂采用重结晶的方法进行纯化；

步骤二、将单体MMA、单体NVP与引发剂AIBN混匀，其中单体MMA与单体NVP的质量比为3:

1，引发剂AIBN的质量为单体MMA和单体NVP总重量的0.1％；

步骤三、移液枪加入质量为单体MMA和单体NVP总重量的0.1％常规交联剂AMA摇匀；

步骤四、移液枪加入质量为单体MMA和单体NVP总重量的0.01％常规交联剂EGDM，摇匀、超声震荡后抽滤；

步骤五、与钛金属支架一起分装至自制玻璃磨具，置入真空干燥箱经梯度升温加热获得带有干态自制水凝胶的牙龈扩张器。

2.根据权利要求1所述的一种牙龈扩张器的制作方法，其特征在于：所述步骤(1)中采用3D打印牙龈扩张器的金属支架的具体过程为，a、对颌骨进行CT扫描，获取DICOM数据，并对图像进行预处理；

b、MIMICS软件重建完整的全颌骨三维模型，STL格式储存，并进行缺损区的虚拟植入；

c、Geomagic中设计支架及螺钉、螺丝孔形态，将模型转化为NURBS模型；

d、完成个性化支架CAD设计；

e、通过快速成型技术制作适合具体损伤部位的钛支架形态；

3.根据权利要求1所述的一种牙龈扩张器的制作方法，其特征在于：所述步骤五中梯度升温加热的起始温度80℃，维持24h，最后120℃加热15min。

说明书

一种牙龈扩张器的制作方法

技术领域

[0001] 本发明涉及医疗器械技术领域，具体涉及一种牙龈扩张器的制作方法。

背景技术

[0002] 部分颌面疾病的治疗常以足够的软组织为基础，例如牙周手术、引导性牙槽骨再生手术都十分依赖牙龈组织，唇腭裂修补术、颌面部瘢痕整形等均期望有足量的软组织。目
前对于上述问题的解决办法主要是外科手术，常用的外科方法有分离减张、转瓣、牙龈移
植、组织瓣移植等。这些外科操作对医生的技术要求高，常有并发症。另外使用非外科手术
也可一定程度上解决软组织不足的问题，例如，通过制作赝复体恢复部分功能和外形；在某
些骨量不足无法行引导性骨组织再生术的牙槽骨上使用非常规种植体，短种植体、超长穿
颧种植体等。

[0003] 第一代的软组织扩张器，主要是用弹性硅胶制作成的球囊扩张器，目前在烧伤整形科使用较多，在颌面部皮肤处也可使用，但在口内使用较少，少有学者用传统扩张器对口
内牙龈进行扩增。传统的球囊扩张器因形状单一，外置注水或充气管路，很难适合口内复杂
的形态。第二代的软组织扩张器，一般是以人工合成的高分子材料制作而成，依靠渗透压产
生膨胀，已有学者尝试用于口内软组织的扩增。第二代的软组织扩张器通常称为渗透压膨
胀器、水凝胶膨胀器、软组织扩张器或自膨胀水凝胶等，其中文名称尚未统一。其无需注水，
主要依靠渗透压膨胀，在体内吸收体液膨胀，已有学者尝试使用在颌面部皮肤及牙龈的扩
张。

[0004] 现有的软组织扩张器最早报道于1957年，是以硅胶的球囊为主，连接有一个注水或充气的通道，通过分次注水或充气来扩张软组织。这种软组织扩张现象类似于孕妇腹部
皮肤的增大、肥胖患者全身皮肤面积的增加，以及与非洲少数人群有扩张唇、鼻、颈部皮肤
的现象类似。1957年，Neumann首次将软组织扩张器用于颞枕部皮肤的扩增，然后修复因外
伤造成的耳缺损。但在后续的几十年中几乎未见相关报道，直到20世纪八十年代，Radovan
等人对此类扩张器进行了改良，并用于了瘢痕、开放性损伤和乳房重建等，引起了较多学者
的关注。目前，在临床上使用此类扩张器时先将扩张器植入需要扩张的软组织处，然后通过
一个管道注射生理盐水，一般每次注膨胀器总体积的10％‑15％，每周根据患者具体情况注
射1‑3次。第一代的软组织扩张器可适合肢体、躯干、头皮等范围较大、形状规则处的皮肤扩
张，很多学者都取得了满意的临床效果，但在口内等形态比较复杂的地方并不适用，在儿
科，因患者的配合问题，使用也有一定的局限性。现有的软组织扩张器偶有并发症发生，如
软组织感染、疼痛、充血和穿孔，膨胀器破裂等。第一代软组织扩张器不适用于口腔内软组
织的扩张，特别不适合牙龈的扩张，因为其外形单一、几乎无法适用于外形差异大的牙龈、
有外置的管状注水或注气的加压管道、管道与牙龈交界处易感染、管道易受牵拉发生位置
改变，患者需自行注水加压，加压时疼痛明显等。

发明内容

[0005] 本发明所要解决的问题是：提供一种牙龈扩张器的制作方法，制作出来的牙龈扩张器能够适用于口腔内软组织的扩张，特别适合牙龈的扩张，并且固定方便。

[0006] 本发明为解决上述问题所提供的技术方案为：一种牙龈扩张器的制作方法，所述方法包括以下步骤，

[0007] (1)、采用3D打印牙龈扩张器的钛金属支架；

[0008] (2)、水凝胶的制备：水凝胶的制备包括以下步骤，

[0009] 步骤一、将所需要的试剂按类进行纯化，其中，液体试剂采用蒸馏纯化，固体试剂采用重结晶的方法进行纯化；

[0010] 步骤二、将单体MMA、单体NVP与引发剂AIBN混匀，其中单体MMA与单体NVP的质量比为3:1，引发剂AIBN的质量为单体MMA和单体NVP总重量的0.1％；

[0011] 步骤三、移液枪加入质量为单体MMA和单体NVP总重量的0.1％常规交联剂AMA摇匀；

[0012] 步骤四、移液枪加入质量为单体MMA和单体NVP总重量的0.01％常规交联剂EGDM，摇匀、超声震荡后抽滤；

[0013] 步骤五、与钛金属支架一起分装至自制玻璃磨具，置入真空干燥箱经梯度升温加热获得带有干态自制水凝胶的牙龈扩张器。

[0014] 优选的，所述步骤(1)中采用3D打印牙龈扩张器的金属支架的具体过程为，

[0015] a、对颌骨进行CT扫描，获取DICOM数据，并对图像进行预处理；

[0016] b、MIMICS软件重建完整的全颌骨三维模型，STL格式储存，并进行缺损区的虚拟植入；

[0017] c、Geomagic中设计支架及螺钉、螺丝孔形态，将模型转化为NURBS模型；

[0018] d、完成个性化支架CAD设计；

[0019] e、通过快速成型技术制作适合具体损伤部位的钛支架形态；

[0020] 优选的，所述步骤五中梯度升温加热的起始温度80℃，维持24h，最后120℃加热15min。

[0021] 与现有技术相比，本发明的优点是：本发明以甲基丙烯酸甲酯(MMA)和N‑乙烯基吡咯烷酮(NVP)为单体合成的化合物可能适用于扩张颌面部软组织，其配方及工艺可作为临
床研究基础；自制水凝胶形貌结构为均匀的多孔网状结构，孔隙分布均匀，膨胀率为505.87
±3.6％，初期膨胀在3‑4d完成，在1w内完全膨胀，膨胀率及膨胀速度较；水凝胶在完全膨胀
后力学性能最低，抗压缩强度可达1.79±0.20MPa，其不易碎裂，即使碎裂也能较好的保持
整体的完整性，可初步满足临床力学性能要求，适宜颌面部软组织的扩张。能谱分析证实自
制水凝胶主要含有C、O元素，且各元素分布均匀，未出现某几种元素聚集现象；傅里叶红外
光谱分析证实自制水凝胶含有酰胺结构和酯基，由乙烯基双键打开进行了加成反应，形成
了含有亲水基团的高分子化合物；动物实验证实自制水凝胶有良好的生物相容性，在动物
体内可缓慢膨胀，有良好的软组织扩张性能，并能在水凝胶外围逐渐形成生物包膜，不会造
成膨胀区域骨组织的吸收；影像学初步评价提示彩超、CT、MRI均能对水凝胶显影，且与周边
组织界限清晰，可用于实时评价水凝胶在体内膨胀情况。

附图说明

[0022] 此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

[0023] 图1是本发明的水凝胶合成路线图；

[0024] 图2(A)膨胀后水凝胶(左，直径1.4cm)和干态水凝胶(右，直径0.9cm)。(B)×40干态水凝胶光学显微镜图，见水凝胶表面均匀，结构完整连续无明显缺陷。(C)×40完全吸水
后水凝胶光学显微镜图，见水凝胶内部含有大量水分，水凝胶均匀透光，无结构缺陷。(D)×
40完全膨胀后经真空干燥后水凝胶光学显微镜图，见水凝胶呈立体网状，较为均匀的互相
连接，无明显结构缺陷；

[0025] 图3(A)(B)(C)分别为SEM×200倍、×1000倍、×5000倍镜下干态水凝胶图片，见干态水凝胶均一，较为致密，×5000倍显微镜下见表面分布有数十纳米的微孔。(D)(E)(F)分
别为SEM×200倍、×1000倍、×5000倍镜下完全膨胀并真空干燥后水凝胶图片，见水凝胶均
分布孔状结构，各孔间交连成立体网状，且很多小孔分布于大孔内和连接处；

[0026] 图4为水凝胶24h内体外膨胀率(n＝12)的表格；

[0027] 图5为水凝胶7d内体外膨胀率(n＝12)的表格；

[0028] 图6(A)水凝胶24h体外膨胀率；(B)水凝胶7d体外的膨胀率；

[0029] 图7为A组水凝胶(膨胀2d组)抗压缩强度(MPa,n＝5)的表格；

[0030] 图8为B组水凝胶(膨胀28d组)抗压缩强度(MPa,n＝5)的表格；

[0031] 图9为试样1能谱分析结果图；

[0032] 图10为试样2能谱分析结果图；

[0033] 图11为试样3能谱分析结果图；

[0034] 图12为急性全身毒性分级图；

[0035] 图13中A&E为对照组软组织大体标本和镜下图。B&F植入1w组，软组织肿大，无包膜，水凝胶完整无缺陷，易与软组织分离，镜下见大量炎症细胞和新生血管。C&G植入2w组软
组织无明显肿大，有薄层包膜，水凝胶完整无缺陷，镜下见包膜内偶见水凝胶，少量炎症组
织，少量新生血管。D&H植入4w组见软组织无肿大、增厚，有包膜，水凝胶完整无缺陷，镜下可
见水凝胶周围有一层纤维包膜，包膜连续完整，包膜内偶见水凝胶，未见炎症细胞。E‑H为显
微镜下×100倍图，△为水凝胶，→为包膜。

[0036] 图14中自膨胀水凝胶的超声图像显示:(A)水凝胶呈暗区，无血流信号，边界清晰。(B)自膨胀水凝胶CT成像较为清晰，与周围组织阈值不同。(C)自膨胀水凝胶MRI成像亮度
高，与周围组织边界清晰。

[0037] 图15为钛金属支架的示意图；

[0038] 附图标注：1、螺钉孔，2、固定片，3、安装座，4、加固杆，5、活动槽，6、容纳孔，7、安装片，8、连接片。

具体实施方式

[0039] 以下将配合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，藉此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。

[0040] 实施例1

[0041] 一种牙龈扩张器的制作方法，所述方法包括以下步骤，

[0042] (1)、采用3D打印牙龈扩张器的钛金属支架；

[0043] (2)、水凝胶的制备：水凝胶的制备包括以下步骤，

[0044] 步骤一、将单体MMA、单体NVP进行蒸馏纯化；引发剂AIBN采用重结晶的方法进行纯化；

[0045] 步骤二、将75g单体MMA、25g单体NVP与0.1g引发剂AIBN混匀；

[0046] 步骤三、移液枪加入0.1g常规交联剂AMA摇匀；

[0047] 步骤四、移液枪加入0.01g常规交联剂EGDM，摇匀、超声震荡后抽滤；

[0048] 步骤五、与钛金属支架一起分装至自制玻璃磨具，置入真空干燥箱经梯度升温加热获得带有干态自制水凝胶的牙龈扩张器，梯度升温加热的起始温度80℃，维持24h，最后
120℃加热15min。

[0049] 其中，步骤(1)中采用3D打印牙龈扩张器的金属支架的具体过程为，

[0050] a、对颌骨进行CT扫描，获取DICOM数据，并对图像进行预处理；

[0051] b、MIMICS软件重建完整的全颌骨三维模型，STL格式储存，并进行缺损区的虚拟植入；

[0052] c、Geomagic中设计支架及螺钉、螺丝孔形态，将模型转化为NURBS模型；

[0053] d、完成个性化支架CAD设计；

[0054] e、通过快速成型技术制作适合具体损伤部位的钛支架形态；

[0055] 实施例2

[0056] 一种牙龈扩张器的制作方法，所述方法包括以下步骤，

[0057] (1)、采用3D打印牙龈扩张器的钛金属支架；

[0058] (2)、水凝胶的制备：水凝胶的制备包括以下步骤，

[0059] 步骤一、将单体MMA、单体NVP进行蒸馏纯化；引发剂AIBN采用重结晶的方法进行纯化；

[0060] 步骤二、将90单体MMA、30g单体NVP与0.12g引发剂AIBN混匀；

[0061] 步骤三、移液枪加入0.12g常规交联剂AMA摇匀；

[0062] 步骤四、移液枪加入0.012g常规交联剂EGDM，摇匀、超声震荡后抽滤；

[0063] 步骤五、与钛金属支架一起分装至自制玻璃磨具，置入真空干燥箱经梯度升温加热获得带有干态自制水凝胶的牙龈扩张器，梯度升温加热的起始温度80℃，维持24h，最后
120℃加热15min。

[0064] 其中，步骤(1)中采用3D打印牙龈扩张器的金属支架的具体过程为，

[0065] a、对颌骨进行CT扫描，获取DICOM数据，并对图像进行预处理；

[0066] b、MIMICS软件重建完整的全颌骨三维模型，STL格式储存，并进行缺损区的虚拟植入；

[0067] c、Geomagic中设计支架及螺钉、螺丝孔形态，将模型转化为NURBS模型；

[0068] d、完成个性化支架CAD设计；

[0069] e、通过快速成型技术制作适合具体损伤部位的钛支架形态；

[0070] 实施例3

[0071] 一种牙龈扩张器的制作方法，所述方法包括以下步骤，

[0072] (1)、采用3D打印牙龈扩张器的钛金属支架；

[0073] (2)、水凝胶的制备：水凝胶的制备包括以下步骤，

[0074] 步骤一、将单体MMA、单体NVP进行蒸馏纯化；引发剂AIBN采用重结晶的方法进行纯化；

[0075] 步骤二、将120g单体MMA、40g单体NVP与0.16g引发剂AIBN混匀；

[0076] 步骤三、移液枪加入0.16g常规交联剂AMA摇匀；

[0077] 步骤四、移液枪加入0.016g常规交联剂EGDM，摇匀、超声震荡后抽滤；

[0078] 步骤五、与钛金属支架一起分装至自制玻璃磨具，置入真空干燥箱经梯度升温加热获得带有干态自制水凝胶的牙龈扩张器，梯度升温加热的起始温度80℃，维持24h，最后
120℃加热15min。

[0079] 其中，步骤(1)中采用3D打印牙龈扩张器的金属支架的具体过程为，

[0080] a、对颌骨进行CT扫描，获取DICOM数据，并对图像进行预处理；

[0081] b、MIMICS软件重建完整的全颌骨三维模型，STL格式储存，并进行缺损区的虚拟植入；

[0082] c、Geomagic中设计支架及螺钉、螺丝孔形态，将模型转化为NURBS模型；

[0083] d、完成个性化支架CAD设计；

[0084] e、通过快速成型技术制作适合具体损伤部位的钛支架形态；

[0085] 单体MMA、NVP，交联剂AMA、EGDM均含有稳定剂氢氧化钠(NaOH)或对羟基苯甲醚(MEHQ),为获得更为纯净的化合物，反应前需将各组分进行纯化，去除稳定剂。利用试剂和
稳定剂的沸点不同，可行蒸馏纯化。新购置的分析纯级别(AR级)的MMA含量为99.0％，其含
有浓度为30ppm的稳定剂MEHQ，利用MMA和MEHQ沸点不同，可对其进一步纯化，MMA沸点为100
℃，MEHQ沸点为243℃，将该试剂进行加热蒸馏，温度设定在100‑243℃之间即可获得不含
MEQH的MMA。NVP的纯度为99％,含100ppmNaOH稳定剂，AMA和EGDM纯度均大于98.0％，均含稳
定剂MEHQ，使用前均需纯化。同样的方法可对单体NVP、交联剂AMA、交联剂EGDM进行纯化。引
发剂AIBN因是固体粉末状，则通过重结晶的方法进行纯化。

[0086] 本发明制得的水凝胶干态与吸水后体积相差约4‑6倍，膨胀前后的直径可由0.9cm变成1.3‑1.5cm，体积的扩张程度还可进一步调控，且机械强度在完全膨胀后也可达兆帕
级，干态下的水凝胶机械强度十分理想，以手术刀或剪刀修整形状即可,如图2‑A所示，

[0087] 本发明是以NVP、MMA为单体，AIBN为引发剂，AMA、EGDM为交联剂经本体聚合所得。聚合反应需要通过一定的过程(聚合方法)来实现。本试验以AIBN为引发剂，产生自由基，提
供反应起始动能，即链引发。链引发是获得聚合物的关键之一，是控制聚合速率和分子量的
关键反应。一般而言，引发剂是易分解成自由基的化合物，结构上具有弱键，其离解能为
100‑170kJ/mol，远远低于C‑C键能350kJ/mol。引发剂一般为偶氮类化合物或过氧类化合
物，本发明所选用的引发剂为偶氮二异丁腈(AIBN)，是最常用的偶氮类引发剂，其热分解反
应式如下：

[0088] C(CH3)2(CN)N＝NC(CH3)2(CN)→2C(CH3)2(CN)·+N2↑

[0089] AIBN在加热过程中被分解产生自由基，自由基和NVP、MMA上的双键发生反应，从而实现链引发。分解反应呈一级反应，无诱导分解，只产生一种自由基，因此其对聚合动力研
究而言有一定的优势，较为常用。在使用AIBN时，因为其为固体物质，必须经过充分的混匀，
混匀后在肉眼下不可见固态物的情况下，才能获得较为理想的产物。传统自由基聚合有本
体聚合、溶液聚合、悬液聚合和乳液聚合四种聚合方法。本体聚合是单体加有或不加有少量
引发剂的聚合，属于均相体系，聚合全过程始终保持均相，聚合场所位于本体内，其聚合过
程中不易散热，聚合物纯净，分子量分布较宽。本发明所获得的水凝胶就是经本体聚合合
成。本体聚合体系仅由单体和少量(或无)引发剂组成，产物纯净，后处理简单，是比较经济
的聚合方法。

[0090] 自由基聚合机理是由单体分子转变成大分子的微观历程，由链引发、链增长、链终止等基元串、并联而成。链引发是形成单体自由基的反应，一般分为两步，第一步为引发剂
分解，引发剂在吸热后，活化能增高，活化能一般为105‑150kJ/mol，形成初级自由基，此时
‑4 ‑6
的反应速率较小，分解速率常数仅10 ‑10 /s。第二步是放热反应，活化能低，反应过程放
热，反应速率大，与后续的链增长反应相当。链增长是由单体自由基打开烯类分子的π键，加
成，形成新的自由基。新的自由基活性不变，继续与烯类单体连锁加成，生成结构单元有更
多的链自由基。链终止通常有耦合终止和歧化终止两种，自由基活性高，难孤立存在，易相
互作用而终止，链终止和链增长是一对竞争反应，一般而言单体浓度在1‑10mol/L远大于自
‑8±1
由基浓度(10 mol/L)时，反应的总增长速率要比终止速率大得多，这样就可以获得高聚
物，当单体浓度与自由基浓度的这一平衡被改变时，就有可能发生链终止。

[0091] 图3‑A所示为肉眼下完全膨胀水凝胶和干态水凝胶。图2‑A左侧为完全膨胀后的自制水凝胶，可见其形状规整，直径约1.4cm，清晰透明，无明显胀裂和缺陷。图2‑A右侧为干态
自制水凝胶，可见其形状规整，直径约0.9cm，均匀透明，无明显缺陷。图2‑B所示为×40倍光
学显微镜下干态水凝胶光学显微镜图，见水凝胶表面均匀，结构完整连续无明显缺陷。图2‑
C所示为×40倍光学显微镜下完全吸水后的水凝胶，见水凝胶内部含有大量水分，水分可在
水凝胶内自由移动，水凝胶均匀透光，无结构缺陷。图2‑D为×40倍光学显微镜下完全膨胀
后经真空干燥后水凝胶图片，见水凝胶呈立体网状，较为均匀的互相连接，无明显结构缺
陷。

[0092] 图3‑A、图3‑B、图3‑C为干态水凝胶扫描电镜图，×200倍电镜下见水凝胶表面均一，较为致密；×1000倍电镜下见水凝胶表面均一，较为致密，均匀分布微孔；×5000倍显微
镜下见表面分布有数十纳米的微孔。图3‑D、图3‑E、图3‑F为完全膨胀后，再真空冷冻干燥水
凝胶扫描电镜图，×200倍电镜下见水凝胶均分布孔状结构，各孔间交连成立体网状；×
1000倍电镜下，见水凝胶均分布孔状结构，各孔间交连成立体网状，且很多小孔分布于大孔
内和连接处；×5000倍电镜下，见水凝胶均的连接处结构均匀，无缺陷。

[0093] 水凝胶膨胀率测定

[0094] 将直径为9mm，高度为6mm且无明显缺陷的干态水凝胶12个，随机编号，置于电子秤上称重后，然后置入林格液中并密闭，再将密闭的好的试件置于37±1℃恒温水域中。水凝
胶吸水产生膨胀、重量增加。试件前24h内每隔1小时取出样品，用滤纸吸干表面水分后测定
膨胀后的样品重量，之后每12小时称重并记录重量。林格液每天更换。将膨胀后水凝胶的体
积与干态水凝胶体积的比值作为膨胀率。在林格液中溶胀t时间后水凝胶的膨胀率，记为
Qt，按下述公式计算:

[0095] Qt＝Vt/V0*100％

[0096] 式中Vt：在林格液中溶胀t时间后水凝胶的体积；V0：干态水凝胶的体积。

[0097] 因直接测量水凝胶体积易产生误差，故以通过称重法获得吸水后的重量后，经下述公式换算成t时间增大后的体积。

[0098] Vt＝V0+(mt‑m0)/ρ水

[0099] V0＝m0/ρ0

[0100] 式中ρ水：1.0g/cm3；m0:干态水凝胶的质量；ρ0：干态水凝胶的密度，经比重瓶测定为3
1.2g/cm 。按上述公式计算得出膨胀率，绘制膨胀曲线图。图4和图6‑A为水凝胶在24h内在
37±1℃恒温林格液中的膨胀率。图5和图6‑B为水凝胶在7d内在37±1℃恒温林格液中的膨
胀率。

[0101] 水凝胶在24h内膨胀至干态体积的413.48％±3.1％，在3d时缓慢膨胀至干态体积的489.89％±3.7％，在5d时膨胀至干态体积的500.36％±4.1％，在7d时膨胀至干态体积
的505.87％±3.6％。可知本配方水凝胶在24h内膨胀至干态体积的4倍，然后在接下来的3d
里缓慢膨胀到干态体积的5倍，较为理想，是用于颌面部软组织扩张的较为理想倍数和膨胀
速度。

[0102] 水凝胶抗压缩强度测定

[0103] 以直径为9mm，高度为6mm且无明显缺陷的圆柱形干态水凝胶10个，随机分成A、B两组。将干态水凝胶置于装有林格液的密闭容器中，然后置于37±1℃恒温水浴中，干态水凝
胶吸水膨胀。林格液每天更换一次。A组水凝胶于膨胀后第2d，置于电子万能材料试验机上
行抗压缩强度测试。B组水凝胶于膨胀后第28d，置于电子万能材料试验机上行抗压缩强度
测试。

[0104] 电子万能材料试验机相关设置：

[0105] 1.夹具：真空夹具。

[0106] 2.电子万能材料试验机参数设置：在原装汉化版软件下，设定试验机方法为压缩，加载梁加载速度为1mm/min匀速加载，磅力传感器为1.0KN，控制通道设置为位置，并在加载
梁上设定安全位置限制。试验开始前按下述方法调整压缩平台，以保证水平和垂直位置上
的一致性。

[0107] 3.压缩平台制作与调整：压缩平台直径为50mm，底部预留柱形杆与试验机夹具相连。为确保压缩平台为水平，在压缩平台上放置水平尺以确保平台与水平面平行。为确保上
下压缩平台在垂直方向一致，在压缩实验前，模拟压缩行程，调整上下压缩平台能够面面接
触且完全重叠，再开始试验。压缩平台由真空夹具加紧，调整平台位置时均为钢性调整。

[0108] 4.压缩测试操作：真空夹具夹持好上下压缩平台，并确保水平、垂直方向无误后，以数显游标卡尺记录水凝胶的直径后，将水凝胶置于下方实验平台中央处。手动缓慢移动
加载梁，使上加载平台刚与水凝胶接近时，测试系统位移值、加载梁力值清零，以清除试验
机自身、加载平台等造成的试验误差。点击开始试验，加载梁收集的力学数据随位移的增加
而增大，加载梁在某一时刻由于水凝胶的破裂，力值突然下降，记录峰值F，单位：N。

[0109] 经P＝F/S计算出各试件抗压缩强度。

[0110] 其中，P＝水凝胶抗压缩强度(Compressivestrength)，MPa；

[0111] F＝水凝胶裂开时的应力峰值，N；

[0112] S＝πr2，圆柱水凝胶的圆柱面积，mm2。

[0113] 经公式P＝F/S计算，A、B组水凝胶的抗压缩强度见图7和图8.

[0114] 选取力学测试时间点为膨胀后第2d和第28d，主要是为了更好的了解水凝胶在两个关键时间节点的力学性能。膨胀的前2d，水凝胶处于相对快速膨胀期，所以要测试其力学
性能。膨胀28d后测试力学性能是为了模拟评估水凝胶在体内植入很久后的力学性能。膨胀
前的力学性能也很重要，但是很显然膨胀前水凝胶的力学性能很理想，常规情况下几乎不
可能会因压缩发生碎裂等情况，因此未进行膨胀前的力学性能测试。

[0115] 在进行抗压缩强度测试时，随着加载头的匀速加载，力值曲线一直上行，待水凝胶产生裂开的一瞬间，力值曲线迅速下行，我们将这个力学峰值记录为最大压缩力，在力值‑
位移图中可清晰辨认出该力值，特征性较强。水凝胶在受力裂开后，只是存在裂口，并非完
全碎裂开，其仍然保持呈一个整体性。这种性能对临床使用该材料的安全性提供了一定的
保障，即使植入体内后水凝胶收到冲击或其他意外发生裂开，其仍然可较为完整的取出，不
易残留在体内。

[0116] A组的自制水凝胶经过吸水膨胀2d后，其抗压缩强度仍然高达5.23±0.41MPa，力学性能十分理想，即使膨胀28d后，抗压缩强度也有1.79±0.20MPa，完全可满足临床要求。
2
牙科修复材料常以粘接强度大于0.44MPa(4.5kg/cm )的标准来衡量该材料是否达到临床
使用要求，本发明的材料强度比牙科修复材料的粘接强度还高，力学性能较为理想；本发明
选择了同时使用AMA和EGDM两种交联剂，认为分别按照0.1％wt、0.01％wt的比例添加可获
得较为理想的力学性能，比单纯使用某一种交联剂有一定的优点，即有较好的膨胀率又有
较为理想的力学性能。

[0117] 水凝胶能谱分析

[0118] 取3个完整无缺陷的自制水凝胶，圆柱状，直径9mm，高6mm，分别编号为试样1、样2、试样3。试样1在37±1℃生理盐水中膨胀1d，然后在液氮生物容器中冻存24h后，牙科骨凿迅
速劈开后，置于冷冻真空干燥机中充分干燥24h后(干燥机参数：冷井‑65℃，真空度0Pa)，取
表面较为平整，直径约0.5cm水凝胶作为分析试样。试样以导电胶固定在扫描电镜底座上，
并将导电胶剪成长箭头形，指向分析部位后，置于离子溅射仪行表面喷金，喷金后置于SEM
观察仓内，抽真空后，在15kV加压电场的条件下进行能谱分析，分析水凝胶的成分及其含量
比例。试样2为自制干态水凝胶，在液氮中冻存24h后劈开，试样以导电胶固定在扫描电镜底
座上，并将导电胶剪成长箭头形，指向分析部位后，喷金，能谱分析。试样3在37±1℃生理盐
水中膨胀7d，然后在液氮中冻存24h后劈开，粘导电胶，喷金，能谱分析。三个试样行能谱分
析时光谱分析仪参数一致。

[0119] 结果显示水凝胶主体元素为碳和氧，其中的氯和钠元素为水凝胶中与生理盐水接触后的少量残留，金元素是因水凝胶不导电，作喷金处理后的结果。试样1、2、3的能谱分析
图分别见图9，图10，图11。

[0120] 在对水凝胶行能谱分析时，选用了15kV的加压电场，主要是因为相对较低的加压电场可以增加轻元素的X射线强度，提高空间分辨率，减少对试样的损伤。而对于某些金属
元素或者是微量元素则建议选择高加压电场。能谱分析结果表明水凝胶的主体元素为碳和
氧，碳和氧重量比和原子重量比都在90％左右，其余组分主要是生理盐水的成分氯化钠和
因导电需要喷的金。水凝胶元素组成较简单，主要来自单体甲基丙烯酸甲酯(MMA)和N‑乙烯
基吡咯烷酮(NVP)的聚合产物。但是能谱结果并没有检测出氢和氮。单体NVP含有氮元素，引
发剂偶氮二异丁睛(AIBN)也含有氮元素，但并未被检测出，分析其原因可能是其含量极低，
喷金后对氮元素的检测敏感性低。另外，作为引发剂的AIBN(偶氮二异丁腈)添加量仅为
0.1％wt，并且其在产生自由基引发本体聚合反应的同时产生氮气，气体无法被能谱分析仪
检测到。故在反应前虽有含氮元素物质参与反应，但因其含量低、部分生成了氮气，未在能
谱分析中检测到。氢元素也未被检测出，其原因是能谱分析仪不具备检测氢元素的功能，根
据能谱分析仪的工作原理是基于电子发生跃迁，释放出特征性能量△E，但是氢元素只有一
个电子层，不能发生外层电子的跃迁，所以也就不能产生特征性信号，同样的元素还有氦元
素。

[0121] 在送检的三个试样中，我们发现其元素重量比及原子含量比均比较接近，说明三个试样的检测区域成分比较一致，同时也说明水凝胶内部非常均匀，未出现某些地方堆积
某种元素，未出现某种元素的团聚或堆积，各组分分散良好，这和在光学显微镜和SEM下观
察到的现象一致。

[0122] 水凝胶的部分生物学性能评价

[0123] 对于人体植入材料，国际和国内都有严格的准入要求，其生物安全性是必须要进行严格论证的。国际上的ISO10993，国内的Y/T0127.8‑2001对医用材料的生物安全性均作
了明确要求。生物材料不能对患者造成任何负面影响，包括细胞毒性、基因毒性、全身毒性、
亚慢性毒性、致敏、刺激或皮内反应、植入反应、血液相容性、诱变效应等对于人体造成的短
期(急性)和长期(慢性)负面影响。出于这一原因，医疗器械一般应接受生物安全性评估和
生物相容性测试，以评估器械与患者组织、细胞或者体液之间的相互作用。

[0124] 软组织扩张器在历经数十年改进后已取得了不错的临床效果，但术后容易出现感染、膨胀器破裂、组织坏死、机械挤压等并发症和膨胀器的形状单一，不能自由修改，也不能
适应颌面区域复杂形状等问题。本课题自制出一种新型的自膨胀水凝胶用于扩张颌面部软
组织，前期的体外实验已经显示此自膨胀水凝胶具备膨胀速度可控、且完全膨胀后仍具有
良好的机械强度。本发明将自制自膨胀水凝胶植入SD大鼠颌面部后，观察术后1w、2w、4w切
口愈合情况：有无明显的炎症、过敏、坏死、创口裂开、植入物暴露等症状和大鼠是否存在全
身毒性反应，并通过苏木精‑伊红染色法(HE)于术后1w、2w、4w行组织学评价，以进一步证实
其在体内是否具有生物安全性和扩张软组织的能力。

[0125] 选取健康清洁级SD大鼠20只，体重(250±25)g，鼠龄为50‑60天，由南昌大学医学院动物实验部提供。所有大鼠普通饲料喂养，自由进食进水，适应性喂养1w后，随机分为4
组，每组5只：A组为正常对照组，B组为植入水凝胶1w扩张组，C组为植入水凝胶2w扩张组，D
组为植入水凝胶4w扩张组。

[0126] 将所需的直径为9mm，高度为3mm的自膨胀圆柱形干态水凝胶置于温度为121℃，压力为0.11MPa的全自动灭菌仪中，灭菌15min，备用。随机选取5只大鼠作为正常对照组(A
组)，不给予任何处理；其余15只大鼠分别用10％水合氯醛溶液(2mL/kg)腹腔注射麻醉，待
大鼠处于深度麻醉状态下，于大鼠两耳连线中央区脱毛消毒后作一约15mm的切口，切口深
达骨膜上并作钝性分离，分离过程中尽量避免损伤骨膜。将已灭菌的圆柱形干态水凝胶放
至上述切口内，植入后的水凝胶边缘离切口4‑5mm，间断缝合切口，术毕于切口处涂适量红
霉素眼膏，以保护创面。所有大鼠术后均未再使用任何抗生素。随机将这15只大鼠分为：植
入水凝胶1周组(B组)，植入水凝胶2周组(C组)，植入水凝胶4周组(D组)。

[0127] 按照急性全身毒性分级(GradeforSystemicToxicityTest)标准(ISO10993‑11，2006)(图12)，观察大鼠是否存在全身毒性反应。同时观察大鼠切口愈合情况，如有无明显
的炎症、过敏、坏死、切口裂开、水凝胶暴露等。在术后1w、2w和4w时分别处死B组、C组、D组大
鼠，整体切取植入大鼠颌面部的自膨胀水凝胶和周围组织，同时观察自膨胀水凝胶是否完
好，其与周围组织的关系。然后用10％福尔马林固定邻近组织和水凝胶(B组水凝胶与组织
完全分离，水凝胶不能固定在病理切片中)，行HE染色后在光学显微镜下观察标本，进行组
织学评价。A组、D组大鼠以牙科种植机切取水凝胶对应位置头颅骨，用10％福尔马林固定，
经脱钙、切片、染色后行病理学观察。

[0128] 按急性全身毒性分级标准观察所有植入水凝胶的实验大鼠未出现一例全身毒性反应。所有大鼠创面愈合良好，无感染、过敏、坏死、创口裂开和水凝胶暴露。所有植入物上
方覆盖的毛发生长正常，植入大鼠体内的水凝胶形态保持良好，取出植入物过程中无自膨
胀水凝胶碎裂，可整体取出，周围组织中无残留物。

[0129] 将空白对照组(A组)、水凝胶植入1w组(B组)、2w组(C组)、4w组(D组)的大鼠处死后，肉眼观察大体标本后，经10％福尔马林液固定后，由同一名病理技术员进行苏木精‑伊
红(HE)染色，然后置于奥林巴斯BX‑41光学显微镜下观察分析。

[0130] 图13A、图13E为A组SD大鼠颌面部的正常软组织肉眼图和显微镜下图(×100倍)，大体标本可见正常颌面部软组织。镜下可见复层鳞状上皮、毛发、毛囊、结缔组织层。

[0131] 图13B、图13F为B组SD大鼠颌面部的软组织肉眼图和显微镜下图(×100倍)，大体标本可见软组织较对照组略增厚肿胀，未见明显纤维包膜产生，水凝胶与软组织完全分离，
无粘连，无包裹，水凝胶完整无缺陷、无碎裂，直径约1.4cm，高约0.5cm。显微镜下见水凝胶
附近有大量炎性渗出物，大量淋巴细胞浸润，大量新生小血管形成。

[0132] 图13C、图13G为C组SD大鼠颌面部的软组织肉眼图和显微镜下图(×100倍)，大体标本可见软组织与对照组厚度基本相同，无明显肿大、增厚，与水凝胶接触地方有一薄层包
膜，包膜均匀、连续、完整，水凝胶完全被包膜包裹，水凝胶完整无缺陷、无碎裂，直径约
1.4cm，高约0.5cm。显微镜下可见水凝胶周围已形成一薄层纤维包膜，包膜内偶见水凝胶，
软组织内偶见少量炎症组织，少量新生血管。

[0133] 图13D、图13H为D组SD大鼠颌面部的软组织肉眼图和显微镜下图(×100倍)，大体标本可见软组织与对照组厚度基本相同，无肿大、增厚，与水凝胶接触地方有一层包膜，包
膜均匀、连续、完整，相对较为致密，水凝胶完全被包膜包裹，水凝胶完整无缺陷、无碎裂，直
径约1.4cm，高约0.5cm。显微镜下可水凝胶周围有一层纤维包膜，包膜连续完整，包膜内偶
见水凝胶，未见炎症细胞，偶见少量新生血管。

[0134] 图13‑A、图13‑B为对照组和D组大鼠颅骨病理切片图，两组均未观察到骨吸收情况，未见活跃的破骨细胞和成骨细胞。颅骨头皮侧、脑侧均未见炎症细胞。

[0135] 实验结果提示四组SD大鼠均未发现急性全身毒性表现，对照ISO10993急性全身毒性分级标准(图12)，急性全身毒性均为正常，证明自制水凝胶可能不会产生急性毒性反应。
所有实验组的创口愈合良好，未见过敏、排斥、坏死等异常情况，也未出现因植入物过度膨
胀而引发的皮肤坏死、植入物脱出等情况。本发明所研发的自膨胀水凝胶的主要成分为NVP
和MMA，合成后的产物是立体网状高分子化合物，这些成分的生物材料已被广泛运用于医药
领域，均不会对动物产生毒副作用，且整个实验过程中观察所有实验大鼠术后均生存良好，
反应正常、毛发色泽正常，未出现急性毒性反应。

[0136] 将自膨胀水凝胶植入大鼠颌面部动物实验显示，分别在术后1w、2w、4w时将植入大鼠颌面部的自膨胀水凝胶取出过程中均易将其完整取出，未出现水凝胶碎裂、粘连等情况，
说明自制水凝胶强度良好，软组织的压力及大鼠活动时的撞击力不足以破坏水凝胶的完整
性。前期体外实验研究也发现，7天内自制水凝胶的膨胀率为5.05±0.04倍，证明5.05倍的
膨胀不会引起SD大鼠颌面部软组织的坏死。前期的体外抗压缩强度提示，水凝胶完全膨胀
后其抗压缩强度可达到1.79±0.20MPa，我们在动物实验中发现，所有大鼠体内水凝胶保持
形态的完整，证明其强度良好，不会因为体内的环境而发生明显的力学性能的改变，也不会
因为随着膨胀时间的延长发生明显的力学变化。

[0137] 本实验共分为四组：正常对照组(A组)、植入水凝胶1w组(B组)，植入水凝胶2w组(C组)，植入水凝胶4w组(D组)。生物材料植入物在体内的局部组织反应与一般伤口愈合过程
相似，主要分为炎症期和修复期，其中炎性反应期为3‑4d，经HE染色后可见大量炎性细胞，
表现为细胞核较大、呈鲜明的蓝色，且核质比大，细胞质呈深浅不一的粉色，其内的嗜酸性
颗粒呈反光强的鲜红色，这与B组所观察到的现象基本一致，可能主要是由于外科创伤所
致。修复期HE染色后发现炎性细胞数目逐渐减少至消退，这与C组所观察到的现象较为接
近。而生物材料植入体内后作为一个持续的膨胀刺激，其炎症期和修复期相应也延长。同时
由于生物材料植入体内一段时间后在生物材料周围可见一层生物纤维包膜，此纤维包膜产
生主要有两个作用：一是为了阻止植入物向组织周围扩散；二是由于纤维包膜的形成能阻
碍植入物与周围组织的进一步接触，避免周围组织细胞持续处于激活状态。研究发现一般
生物材料植入体内后于1w左右开始形成纤维包膜，2w时纤维包膜逐渐成熟，4w时纤维包膜
厚度较前增厚。故本实验在研究时设置观察组为在大鼠颌面部植入自膨胀水凝胶后分为术
后1w、2w、4w，分别在相应时间段内取出自膨胀水凝胶，并行HE染色观察。但本实验在术后1w
并未见明显纤维包膜形成，考虑原因可能此期为不完整的疏松结缔组织。D组病理切片同时
提示，水凝胶对应被扩张的软组织与未被扩张的软组织在形态学上未见明显不同，说明被
扩张后获得的软组织与健康组织可能完全一致。在A组、D组大鼠颅骨的病理切片中，未观察
到活跃的破骨细胞，也未见明显的骨吸收，这提示自制水凝胶在膨胀过程中可能不会引起
骨吸收。

[0138] 在制作病理切片的过程中，从大鼠体内取出的软组织和水凝胶，经福尔马林固定后，组织、细胞的蛋白质变性凝固，防止死亡的细胞自溶或细菌的分解，但水凝水凝胶积也
会缩小。再经过低浓度到高浓度酒精脱水后，组织块中的水份逐渐脱出的同时，水凝胶的水
分也被脱出，此时的水凝胶极易与组织分离，往往在石蜡包埋时水凝胶与组织已完全分离
开。为在同一切片中观察到组织和水凝胶，在脱水和包埋过程中要尽量小心，并尽量保证包
膜的完整性，或在必要时将水凝胶回填至包膜内。将包埋好的蜡块固定于切片机上，切成6μ
m薄片，切下的薄片往往皱折，水凝胶也极易脱出，这就需要有经验的技师耐心操作，方能获
取含有既有水凝胶，又有软组织的切片。

[0139] 总之，通过在SD大鼠的颌面部植入自膨胀水凝胶的实验结果表明此自膨胀水凝胶具有良好的生物相容性、对颌面部软组织有膨胀作用、膨胀完全后也具有良好的机械强度。

[0140] 水凝胶的影像学初步评价

[0141] 自制水凝胶植入体内后，如果需要观察其膨胀过程、评价膨胀效果或在某些特殊情况下需要取出时，常需要借助影像学设备进行评价和分析，所以本实验采用临床最为常
用的几种影像学方法，对自制水凝胶在SD大鼠体内的成像情况进行了初步评价。本发明采
用了彩色多普勒超声、螺旋CT、磁共振(MagneticResonanceImaging，MRI)对在颌面部植入
自制水凝胶1w后的SD大鼠进行了初步评价。

[0142] 将所需的高度为3mm，直径为9mm的自制自膨胀圆柱形干态水凝胶置于温度为121℃，压力为0.11MPa的全自动灭菌仪中，灭菌15min，备用。选取3只大鼠用10％水合氯醛溶液
(2mL/kg)腹腔注射麻醉，待大鼠处于深度麻醉状态下，于大鼠两耳连线中央区脱毛消毒后
做一约15mm的切口，切口深达骨膜上并作钝性分离，分离过程中尽量避免损伤骨膜。将已灭
菌的圆柱形干态水凝胶放至上述切口内，植入后的水凝胶边缘离切口4‑5mm，间断缝合切
口，术毕于切口处涂适量红霉素眼膏。所有大鼠术后均未再使用任何抗生素。于术后1w，将
SD大鼠通过10％的水合氯醛麻醉后，以彩色多普勒超声、螺旋CT和MRI对水凝胶在体内的成
像进行初步评价，观察自制水凝胶是否完整、有无破碎，水凝胶与周围组织是否具有不同的
图像值，与相邻组织边界是否清晰，测量水凝胶直径和高度。

[0143] 彩色多普勒超声观察结果：SD大鼠在10％水合氯醛麻醉的情况下，在颌面部均匀涂布医用超声耦合剂，以彩色多普勒超声仪观察其边界、血流、测量其大小。超声提示：自制
水凝胶呈暗区，无血流信号，边界清晰，测量暗区呈圆柱形，直径约1.4cm，高约0.5cm，颌面
部软组织未见明显异常(图14A)。螺旋CT观察结果：SD大鼠在10％水合氯醛深度麻醉的情况
下，行CT检查，CT提示：膨胀水凝胶CT成像较为清晰，与周围组织HU值不同，有较为清晰的界
限，水凝胶呈规则的柱形，直径约1.4cm，高约0.4cm，颌面部软组织未见明显异常，未见颌骨
对应位置的骨吸收(图14B)。磁共振观察结果：SD大鼠在10％水合氯醛深度麻醉的情况下，
行MRI检查，MRI提示：自膨胀水凝胶影像成像亮度非常高，与周围组织边界清晰，测量水凝
胶呈规则的圆柱形，直径约1.4cm，高约0.5cm，颌面部软组织未见明显异常(图14C)。

[0144] 动物实验彩超提示自制水凝胶呈暗区，这与超声成像原理一致。暗区一般代表血液、羊水、积液、胆汁或尿液等液体区域，这与水凝胶在植入体内1w后吸收了大量体液相关
[89]。超声对液体与实质组织有着显著的图像差别，在动物体内水凝胶与周围组织的边界
十分清楚，也是因为水凝胶吸收了大量的液体。超声提示水凝胶内无血流信号，说明没有新
生血管进入水凝胶内，这与后期在水凝胶周围形成一层包膜的现象是相一致的，在病理切
片中也未见水凝胶内有新生血管。

[0145] 动物实验CT结果提示自制水凝胶成像较为清晰，与周围组织HU值不同，有较为清晰的界限，说明通过CT可以对吸水后的水凝胶进行成像，水凝胶有一定的阻射性，同时水凝
胶也不产生伪影。

[0146] 动物实验MRI结果提示自制水凝胶成像高亮，在T1加权相和T2加权相上均能十分清晰的观察到其与周围组织的界限，这也验证了水凝胶在动物体内主要是吸收了液体发生
膨大。

[0147] 钛金属支架包括固定片2、安装片7、连接片8和安装座3，所述固定片2通过连接片8和安装片7连接，所述安装片7上开设有活动槽5，安装座设置在活动槽内，所述安装座3的上
端面上设有容纳孔6，所述水凝胶在所述容纳孔6内合成；所述固定片2上均布有若干螺钉孔
1；所述容纳孔6内设有若干加固杆4。

[0148] 钛支架的制备：根据研究优化后的结构参数完成各种不同参数三维网状支架材料及动物下颌骨缺损模型个性化修复体CAD建模，经快速原型数据处理后导入ArcamQ10型电
子束逐层熔化金属成型(EBM)实验设备(瑞典曼德卡姆有限公司)。采用粉末原料为由瑞典
Arcam公司提供Ti‑6Al‑4V医疗(外科植入)用钛合金粉末颗粒呈近似球形，平均粒度约为80
μm，完成个性化钛支架成型制备。

[0149] 以上仅就本发明的最佳实施例作了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。本发明不仅局限于以上实施例，其具体结构允许有变化。凡在本发明独立权利要求的保护范
围内所作的各种变化均在本发明保护范围内。