一種仿生梯度膝關(guān)節(jié)股骨假體結(jié)構(gòu)及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種仿生梯度膝關(guān)節(jié)股骨假體結(jié)構(gòu)及其制造方法，假體結(jié)構(gòu)包括基于原生股骨遠端形態(tài)的光滑曲面殼體，截骨后全覆蓋貼合面、梯度多孔結(jié)構(gòu)體以及固定裝置，截骨后全覆蓋貼合面反向拉伸至原生股骨遠端曲面，在對距離曲面超過5mm厚度的實體用梯度多孔結(jié)構(gòu)代替，固定裝置在股骨假體內(nèi)側(cè)遠端平面上生成。本發(fā)明相對于傳統(tǒng)標準化假體適配度高，假體與原生膝關(guān)節(jié)骨形態(tài)吻合度高，更適應(yīng)患者運動。本發(fā)明的仿生梯度膝關(guān)節(jié)股骨假體制造容易，傳統(tǒng)的仿生梯度結(jié)構(gòu)的假體傳統(tǒng)制造方式非常困難，本發(fā)明采用的3D打印制造方法則能夠?qū)崿F(xiàn)根據(jù)病人個體差異定制假體，生產(chǎn)周期短、成本低，為個體適配化治療的應(yīng)用和發(fā)展提供了可能性。
【專利說明】一種仿生梯度膝關(guān)節(jié)股骨假體結(jié)構(gòu)及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及生物醫(yī)學制造領(lǐng)域，特別涉及一種仿生梯度膝關(guān)節(jié)股骨假體結(jié)構(gòu)及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)是臨床上治療晚期膝關(guān)節(jié)病的一種常見手術(shù)方法，除手術(shù)技術(shù)外，置換假體的設(shè)計對手術(shù)的效果起著至關(guān)重要的作用。人工關(guān)節(jié)的力學和生物學性能是影響其臨床應(yīng)用效果的關(guān)鍵要素，因此植入假體應(yīng)具有良好的生物相容性、強度和韌性。目前，膝關(guān)節(jié)股骨假體均由金屬材料制備，包括不銹鋼、鈷鉻合金、鈦及其合金等。這些金屬材料制成的假體具有良好的力學性能，但與人體內(nèi)的骨骼有明顯的差別。骨是一種完善的具有自優(yōu)化功能的“智能”材料，它可以根據(jù)力學環(huán)境調(diào)整本身的質(zhì)量與結(jié)構(gòu)形態(tài)，以最佳的結(jié)構(gòu)形態(tài)適應(yīng)力學環(huán)境。傳統(tǒng)膝關(guān)節(jié)假體是鑄造方法生產(chǎn)的標準化、系列化假體，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)為實體，與骨的空隙結(jié)構(gòu)不同。影響了其生物醫(yī)學性能。理論上在假體中設(shè)計多孔結(jié)構(gòu)，可以為細胞、組織的長入提供空間，促進假體與新生組織的融合，實現(xiàn)生物固定。有研究表明，假體中的多孔結(jié)構(gòu)確實直接影響著組織的長入和新骨的生長，多孔結(jié)構(gòu)可以為細胞的三維方向生長提供空間，有利于代謝物的運輸，其生物活性可誘導細胞分化生長和血管的結(jié)合生長。實際人體骨骼由密質(zhì)骨和松質(zhì)骨組成，也就是外部致密強韌而內(nèi)部疏松多孔的結(jié)構(gòu)。因此，從仿生角度設(shè)計符合患者個性化的假體，采用人骨梯度孔隙率的多孔結(jié)構(gòu)，在滿足力學性能的同時，可以減輕假體重量，并且有利于假體與骨組織的融合，對于膝關(guān)節(jié)假體的設(shè)計發(fā)展具有重要實際意義。
[0003]目前制備梯度多孔結(jié)構(gòu)假體的工藝有燒結(jié)法、鑄造法等，這些工藝或者難以實現(xiàn)梯度孔隙率變化，或者制備工藝復雜、周期長，制備成本較高。本發(fā)明采用的激光選區(qū)熔化3D打印制造假體工藝不僅可以快速成型具有梯度孔隙結(jié)構(gòu)的膝關(guān)節(jié)假體，且成型加工時間短、生產(chǎn)成本低，在生物醫(yī) 學領(lǐng)域具有良好的研究和應(yīng)用前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點與不足，提供一種仿生梯度膝關(guān)節(jié)股骨假體結(jié)構(gòu)。
[0005]本發(fā)明的另一目的在于，提供一種仿生梯度膝關(guān)節(jié)股骨假體的制造方法。
[0006]為了達到上述第一發(fā)明目的，采用以下技術(shù)方案:
[0007]—種仿生梯度膝關(guān)節(jié)股骨假體結(jié)構(gòu)，包括基于原生股骨遠端形態(tài)的光滑曲面殼體，截骨后全覆蓋貼合面、梯度多孔結(jié)構(gòu)體以及固定裝置，截骨后全覆蓋貼合面反向拉伸至原生股骨遠端曲面，在對距離曲面超過5_厚度的實體用梯度多孔結(jié)構(gòu)代替，固定裝置在股骨假體內(nèi)側(cè)遠端平面上生成。
[0008]優(yōu)選的,所述曲面殼體為實體結(jié)構(gòu),厚度為3_5mm。
[0009]優(yōu)選的，固定裝置包括多孔半球結(jié)構(gòu)體和假體后端柱狀連接體。[0010]優(yōu)選的，梯度多孔結(jié)構(gòu)體的多孔孔隙用羥基磷灰石填充。
[0011 ] 為了達到上述第二發(fā)明目的，采用以下技術(shù)方案:
[0012]一種仿生梯度膝關(guān)節(jié)股骨假體的制造方法，包括下述步驟:
[0013]S1、基于患者CT或MRI影像數(shù)據(jù)，通過mimics建立數(shù)字化股骨三維模型，醫(yī)生按照手術(shù)方案進行虛擬截骨，設(shè)計人員根據(jù)數(shù)字化股骨三維模型，提取股骨遠端曲面，在保證基本形狀不變的前提下對曲面進行光順優(yōu)化，獲取股骨假體遠端曲面設(shè)計形態(tài)；
[0014]S2、根據(jù)醫(yī)生數(shù)字化虛擬截骨，對患者保留股骨遠端截骨面進行特征提取，獲得股骨假體植入貼合面特征形態(tài)，從而保證股骨假體與患者個體的適配性；進一步對股骨假體添加固定裝置以及對大塊實體區(qū)域以股骨假體與保留骨貼合面為縱深設(shè)計梯度多孔結(jié)構(gòu)體；
[0015]S3、采用CAD軟件構(gòu)建梯度多孔輕量化結(jié)構(gòu)假體三維模型，將模型文件導入快速成型輔助軟件中，先進行空間位置擺放、對垂懸結(jié)構(gòu)添加支撐然后進行分層切片處理，得到二維信息數(shù)據(jù)；
[0016]S4、將二維信息數(shù)據(jù)進行掃描路徑生成，得到pli數(shù)據(jù)導入快速成型設(shè)備中，設(shè)置工藝參數(shù)，成型假體；
[0017]S5、取出完成的膝關(guān)節(jié)假體試件，噴砂、拋光，制備成膝關(guān)節(jié)假體成品。
[0018]優(yōu)選的，步驟S4中，快速成型設(shè)備制造的具體過程為:在成型密閉空間中通入惰性氣體，柔性鋪粉機構(gòu)將粉末平整地鋪于基板上，然后激光在計算機控制下按照模型分層后的二維數(shù)據(jù)進行掃描，粉末熔化后凝結(jié)在下一層基體上，然后成型缸下降粉料缸上升，鋪粉系統(tǒng)再次送粉、鋪粉，熔化粉末，重復此過程，直到制造完成。
·[0019]優(yōu)選的，對距曲面厚度超過3_5mm的股骨假體實體部分用梯度多孔結(jié)構(gòu)優(yōu)化，梯度多孔結(jié)構(gòu)采用規(guī)則或者不規(guī)則的內(nèi)部連通的密集桁架結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)
[0020]優(yōu)選的，梯度結(jié)構(gòu)采用內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)的具體步驟為:將需要進行梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計的實體部分單獨提取出來，采用規(guī)則或者不規(guī)則的內(nèi)部連通的密集桁架結(jié)構(gòu)與其進行布爾交操作，獲得梯度多孔結(jié)構(gòu)，并將該結(jié)構(gòu)取代原來實體部分的位置。
[0021]優(yōu)選的，內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)規(guī)則或者不規(guī)則的內(nèi)部連通的密集桁架結(jié)構(gòu)，沿曲面深度方向，桁架結(jié)構(gòu)逐漸變稀疏，即孔隙率增加。
[0022]優(yōu)選的，制造材料為鈦合金、鈷鉻合金或陶瓷粉末材料。
[0023]本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點及效果:
[0024]1、本發(fā)明采用的仿生梯度多孔結(jié)構(gòu)假體相對于傳統(tǒng)標準化假體適配度高，假體與原生膝關(guān)節(jié)骨形態(tài)吻合度高，更適應(yīng)患者運動。
[0025]2、本發(fā)明的仿生梯度膝關(guān)節(jié)股骨假體結(jié)構(gòu)重量輕，梯度多孔結(jié)構(gòu)大大減輕了重量，仿效于人骨梯度孔隙結(jié)構(gòu)設(shè)計的規(guī)則排列多孔結(jié)構(gòu)不僅保證了假體本身力學性能，而且有利于細胞的三維方向分化生長和體液血管的運輸流通，體現(xiàn)了良好的生物相容性。
[0026]3、本發(fā)明的仿生梯度膝關(guān)節(jié)股骨假體制造容易，傳統(tǒng)的仿生梯度結(jié)構(gòu)的假體傳統(tǒng)制造方式非常困難，本發(fā)明采用的3D打印制造方法則能夠?qū)崿F(xiàn)根據(jù)病人個體差異定制假體，生產(chǎn)周期短、成本低，為個體適配化治療的應(yīng)用和發(fā)展提供了可能性。
【專利附圖】

【附圖說明】[0027]圖1是基于原生股骨曲面形態(tài)提取和光順優(yōu)化示意圖；
[0028]圖2是截除骨貼合面基本特征示意圖；
[0029]圖3是基于原生骨形態(tài)設(shè)計的個性化股骨假體示意圖；
[0030]圖4是股骨假體大塊區(qū)域嵌入梯度多孔結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖5是多孔結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)形態(tài)圖；
[0032]圖6是股骨假體剖面多孔梯度結(jié)構(gòu)形態(tài)示意圖；
[0033]圖7是本發(fā)明制造方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0034]下面結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明作進一步詳細的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。
[0035]實施例
[0036]如圖4所示，本實施例的仿生假體包括:基于原生股骨遠端形態(tài)的光滑曲面殼體、截骨后全覆蓋貼合面、梯度多孔結(jié)構(gòu)體、固定裝置，截骨后全覆蓋貼合面反向拉伸至原生股骨遠端曲面，在對距離曲面超過5_厚度的實體用梯度多孔結(jié)構(gòu)代替，固定裝置在股骨假體內(nèi)側(cè)遠端平面上生成，該流程就是對股骨進行剖切，將需要進行假體置換的區(qū)域切下來，替換上股骨假體。因此股骨假體分為了下面與脛骨假體配合的曲面特征，與股骨截骨后保留體配合的股骨假體內(nèi)側(cè)面特征，以及為了將股骨假體與股骨截骨后保留體固定的固定特征。本發(fā)明的核心就 是采用患者原生骨形態(tài)曲面特征作為股骨假體的曲面特征，將股骨假體內(nèi)側(cè)面厚度后的地方變成多孔結(jié)構(gòu)，且多孔結(jié)構(gòu)為連通的，呈現(xiàn)梯度分布。手術(shù)時醫(yī)生將股骨內(nèi)側(cè)的多孔孔隙用羥基磷灰石填充，這樣既可保證彈性模量與股骨原生假體盡可能匹配，又可以促進股骨假體與股骨之間緊密生長連接。如圖1所示，曲面殼體曲面形狀為股骨遠端曲面形狀光順優(yōu)化結(jié)構(gòu)，如圖2所示，股骨假體貼合面為截骨后截除骨貼合面的基本形狀，根據(jù)兩者特征建立股骨假體基本特征后，添加固定裝置，固定裝置包括頂部包括半球體的圓柱形結(jié)構(gòu)和連接假體后端的柱狀體，起增大強度、增強穩(wěn)定性的作用，完成股骨假體基本特征設(shè)計，如圖3所示；保持曲面殼體為基本相對致密的實體結(jié)構(gòu)，厚度為3mm-5mm，添加梯度多孔結(jié)構(gòu)體，梯度多孔結(jié)構(gòu)體，采用內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)，內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)為八面體單元、立方體單元或者球體單元，沿曲面深度方向，布爾減球體單元直徑直接逐漸減少，即孔隙率增加，但不僅僅這些也應(yīng)包括將實體變成網(wǎng)格形態(tài)的各種不規(guī)則的孔隙結(jié)構(gòu)，如圖5所示，本實施例以立方體單元和球體單元為布爾減結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)，沿曲面深度方向，布爾減球體單元直徑直接逐漸減少，即孔隙率增加，如圖6所示；至此形成具有仿生梯度孔隙結(jié)構(gòu)的人工膝關(guān)節(jié)假體設(shè)計。
[0037]如圖7所示，本發(fā)明所述的仿生梯度膝關(guān)節(jié)股骨假體結(jié)構(gòu)設(shè)計，基于患者CT或MRI影像數(shù)據(jù)，通過mimics建立數(shù)字化股骨三維模型，醫(yī)生按照手術(shù)方案進行虛擬截骨，設(shè)計人員根據(jù)數(shù)字化股骨三維模型，提取股骨遠端曲面，在保證基本形狀不變的前提下對曲面進行光順優(yōu)化，獲取股骨假體遠端曲面設(shè)計形態(tài)；同時根據(jù)醫(yī)生數(shù)字化虛擬截骨，對患者保留股骨遠端截骨面進行特征提取，獲得股骨假體植入貼合面特征形態(tài)，從而保證股骨假體與患者個體的適配性。進一步設(shè)計人員對股骨假體添加固定裝置以及對大塊實體區(qū)域以股骨假體與保留骨貼合面為縱深設(shè)計梯度多孔結(jié)構(gòu)體。其中固定裝置起增大強度、增強穩(wěn)定性的作用。
[0038]所述仿生梯度膝關(guān)節(jié)股骨假體結(jié)構(gòu)制造方法包括:
[0039]采用CAD軟件構(gòu)建梯度多孔輕量化結(jié)構(gòu)假體三維模型，將模型文件導入快速成型輔助軟件中，先進行空間位置擺放、對垂懸結(jié)構(gòu)添加支撐然后進行分層切片處理，得到二維信息數(shù)據(jù)；
[0040]將二維信息數(shù)據(jù)進行掃描路徑生成，得到pli數(shù)據(jù)導入快速成型設(shè)備中，設(shè)置工藝參數(shù)，成型假體；
[0041]所述的快速成型制造，具體為:成型密閉空間中通入惰性氣體，柔性鋪粉機構(gòu)將粉末平整地鋪于基板上，然后激光在計算機控制下按照模型分層后的二維數(shù)據(jù)進行掃描，粉末熔化后凝結(jié)在下一層基體上，然后成型缸下降粉料缸上升，鋪粉系統(tǒng)再次送粉、鋪粉，熔化粉末，重復此過程，直到制造完成；
[0042]取出完成的膝關(guān)節(jié)假體試件，實施后處理如噴砂、拋光等，制備成膝關(guān)節(jié)假體成
品O
[0043]下面結(jié)合具體的實施方式來對本申請做進一步的說明，利用三維設(shè)計軟件處理好具有仿生梯度多孔輕量化結(jié)構(gòu)的膝關(guān)節(jié)假體模型，輸出保存為STL格式文件；將STL格式假體模型文件導入到快速成型輔助軟件Materialise Magics中進行擺放定位、分層切片處理，切層厚度為0.035mm，得到CLI格式二維信息數(shù)據(jù)文件；再將二維信息數(shù)據(jù)文件導入RPSCAN軟件(路徑生成軟件)選擇合適路徑生成pli文件，導入激光選區(qū)熔化3D打印設(shè)備中，采用生物不銹鋼或者鈷鉻合金金屬粉末，根據(jù)加工條件設(shè)置工藝參數(shù)，通入惰性保護氣體氮氣使設(shè)備密閉成型室中的氧氣含量少于0.1%。開始加工過程，柔性鋪粉機構(gòu)將粉末平整地鋪于基板上，然后激光在計算機控制下按照模型分層后的二維形狀數(shù)據(jù)進行掃描，粉末熔化后凝結(jié)在基板(或下一層基體)上，然后成型缸下降一個層厚的距離，粉料缸上升
`0.07mm，鋪粉系統(tǒng)再次送粉、鋪粉，激光熔化粉末，重復此過程，層層堆積，直到制造完成；
[0044]取出完成的假體試件，實施后處理如噴砂、拋光等，制備成膝關(guān)節(jié)假體成品。
[0045]上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種仿生梯度膝關(guān)節(jié)股骨假體結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括基于原生股骨遠端形態(tài)的光滑曲面殼體，截骨后全覆蓋貼合面、梯度多孔結(jié)構(gòu)體以及固定裝置，截骨后全覆蓋貼合面反向拉伸至原生股骨遠端曲面，在對距離曲面超過5_厚度的實體用梯度多孔結(jié)構(gòu)代替，固定裝置在股骨假體內(nèi)側(cè)遠端平面上生成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的仿生梯度膝關(guān)節(jié)股骨假體結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述曲面殼體為實體結(jié)構(gòu)，厚度為3-5mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的仿生梯度膝關(guān)節(jié)股骨假體結(jié)構(gòu)，其特征在于，固定裝置包括多孔半球結(jié)構(gòu)體和假體后端柱狀連接體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的仿生梯度膝關(guān)節(jié)股骨假體結(jié)構(gòu)，其特征在于，梯度多孔結(jié)構(gòu)體的多孔孔隙用羥基磷灰石填充。
5.一種仿生梯度膝關(guān)節(jié)股骨假體的制造方法，其特征在于，包括下述步驟: 51、基于患者CT或MRI影像數(shù)據(jù)，通過mimics建立數(shù)字化股骨三維模型，醫(yī)生按照手術(shù)方案進行虛擬截骨，設(shè)計人員根據(jù)數(shù)字化股骨三維模型，提取股骨遠端曲面，在保證基本形狀不變的前提下對曲面進行光順優(yōu)化，獲取股骨假體遠端曲面設(shè)計形態(tài)； 52、根據(jù)醫(yī)生數(shù)字化虛擬截骨，對患者保留股骨遠端截骨面進行特征提取，獲得股骨假體植入貼合面特征形態(tài)，從而保證股骨假體與患者個體的適配性；進一步對股骨假體添加固定裝置以及對大塊實體區(qū)域以股骨假體與保留骨貼合面為縱深設(shè)計梯度多孔結(jié)構(gòu)體； 53、采用CAD軟件構(gòu)建梯度多孔輕量化結(jié)構(gòu)假體三維模型，將模型文件導入快速成型輔助軟件中，先進行空間位置擺放、對垂懸結(jié)構(gòu)添加支撐然后進行分層切片處理，得到二維信息數(shù)據(jù)； 54、將二維信息數(shù)據(jù)進行掃·描路徑生成，得到pli數(shù)據(jù)導入快速成型設(shè)備中，設(shè)置工藝參數(shù)，成型假體； 55、取出完成的膝關(guān)節(jié)假體試件，噴砂、拋光，制備成膝關(guān)節(jié)假體成品。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種仿生梯度膝關(guān)節(jié)股骨假體制造方法，其特征在于，步驟S4中，快速成型設(shè)備制造的具體過程為:在成型密閉空間中通入惰性氣體，柔性鋪粉機構(gòu)將粉末平整地鋪于基板上，然后激光在計算機控制下按照模型分層后的二維數(shù)據(jù)進行掃描，粉末熔化后凝結(jié)在下一層基體上，然后成型缸下降粉料缸上升，鋪粉系統(tǒng)再次送粉、鋪粉，熔化粉末，重復此過程，直到制造完成。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種仿生梯度膝關(guān)節(jié)股骨假體的制造方法，其特征在于，對距曲面厚度超過3-5mm的股骨假體實體部分用梯度多孔結(jié)構(gòu)優(yōu)化，梯度多孔結(jié)構(gòu)采用規(guī)則或者不規(guī)則的內(nèi)部連通的密集桁架結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種仿生梯度膝關(guān)節(jié)股骨假體的制造方法，其特征在于，梯度結(jié)構(gòu)采用內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)的具體步驟為:將需要進行梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計的實體部分單獨提取出來，采用規(guī)則或者不規(guī)則的內(nèi)部連通的密集桁架結(jié)構(gòu)與其進行布爾交操作，獲得梯度多孔結(jié)構(gòu)，并將該結(jié)構(gòu)取代原來實體部分的位置。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種仿生梯度膝關(guān)節(jié)股骨假體的制造方法，其特征在于，內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)規(guī)則或者不規(guī)則的內(nèi)部連通的密集桁架結(jié)構(gòu)，沿曲面深度方向，桁架結(jié)構(gòu)逐漸變稀疏，即孔隙率增加。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種仿生梯度膝關(guān)節(jié)股骨假體的制造方法，其特征在于，制造材料為鈦合金、 鈷鉻合金或陶瓷粉末材料。
【文檔編號】A61F2/38GK103584931SQ201310503846
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年10月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月23日
【發(fā)明者】楊永強, 宋長輝, 余家闊, 楊波, 張曼慧 申請人:華南理工大學, 北京大學第三醫(yī)院