CN101336847A - 一种金属髋关节组合柄 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种金属髋关节组合柄，包括股骨柄柄体、股骨柄颈体、股骨柄近端衬套、定位销及固定螺栓，经过对金属髋关节组合柄各个部件进行功能及结构设计后，将股骨柄近端衬套数据导入电子束熔融成型设备，利用电子束将设备内钛合金粉末扫描熔融成型具有类似生物松质骨强度及弹性的圆锥筒状体，对股骨柄柄体部件及股骨柄颈体部件，则进行精密锻造或机加工完成，顺序将股骨柄柄体、股骨柄颈体，股骨柄近端衬套等部件利用定位销及固定螺栓组装成整体，构成金属髋关节组合柄。本组合柄具有细胞内长入的多孔结构，力学和生物学性能类似人骨，摩擦系数高、结构稳定、各部件之间具有多种组合方式，与人体股骨髓腔的吻合度高、匹配性强，并能够缓解疼痛、稳定关节、矫正畸形和改善关节功能，手术实施简便，使用寿命长，便于推广应用。

Description

一种金属髋关节组合柄
所属技术领域
本发明涉及医学骨移植用人工骨材料及制备技术领域，具体的说是涉及到一种用于医学骨置换的金属髋关节组合柄。
背景技术
当前，在医学创伤骨科及外科临床治疗中，治疗各种髋关节疾病晚期如股骨头坏死、骨关节炎、类风湿性关节炎、强直性脊柱炎、先天性髋关节发育不良、髋关节外伤及外伤后关节炎以及各种原因造成的髋关节破坏等，普遍采用髋关节置换手术的方法。髋关节置换手术的主要原理是通过人工制造的髋关节植入体内重建人体髋关节的解剖结构，并使其获得正常的力学性能完成一定的生理功能。由此达到缓解疼痛、改善功能的目的。人工髋关节是由股骨柄、髋臼杯、髋臼内衬及股骨头等部件构成，其中股骨柄作为连接人体股骨与人体远端的连接部件，在人体内起到固定和支撑作用，其结构设计和材料性能直接关系到髋关节置换手术的治疗效果。传统的人工金属髋关节柄一般采用钛合金、钴铬钼合金等材料制造，其结构一般分为整体式及组合式。目前，髋关节假体经过不断发展，关节材料已从髋臼及假体柄的形状、球头的直径大小、股骨柄的锥度等宏观设计逐步进展到20世纪末的金属表面处理技术、材料力学、金属工艺学等微观方面。在材料种类方面，钴基合金和钛合金以其良好的耐磨性、耐腐蚀性和优良的力学特性已成为人工关节最普遍采用的材料之一。尤其以钛合金材料机械强度适中，弹性模量低，制造工艺相对简单，生物相容性好而应用更加广泛。临床上没有一种假体能够放之四海而皆准，每种假体都针对髋关节各自不同的临床要求而设计并且在临床应用领域中各占有其一定的位置。因此，目前一种髋关节假体设计的好坏主要体现在两方面：一个是假体结构及形状的设计，一个是金属的骨接触表面及关节面的的表面处理技术。
由于金属髋关节柄是工业化产品，所提供的型号有限，并不能完全符合股骨髓腔的结构，其匹配性如何直接影响到髋关节置换的手术效果。由于人体股骨髓腔解剖学的差异及各种髋关节畸形乃至越来越多髋关节翻修手术的增加，对假体设计适应各种畸形的需求度越来越高。此外，传统的金属髋关节柄在手术后，其金属表面处理技术与骨长入的程度相关，直接影响到髋关节的固定效果。如何解决上述问题是本领域目前亟待研究的课题。
发明内容
本发明的目的是提供一种能与人体骨产生生物性结合的具有多孔、表面摩擦系数高、结构稳定、力学性能类似人骨、与人体股骨匹配性强及与人体细胞生长结合稳定的用于医学骨置换的金属髋关节组合柄及制备工艺。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案，一种金属髋关节组合柄，包括股骨柄柄体、股骨柄颈体、股骨柄近端衬套、定位销及固定螺栓。其特点是：股骨柄近端衬套是由钛合金粉末经电子束熔融成型设备扫描熔融成型的圆锥筒状体，近端衬套主体为实心结构，衬套上突起的衬鼻部分为类松质骨样的网状多孔结构。股骨柄的柄体是由钛合金材料经锻造或机加工形成的长圆柱状体，柄体远端为锥形，并开有音叉样纵向减压槽。柄体中部圆周上均匀分布多个纵向沟槽，柄体近端为圆锥状，其锥度与近端衬套的锥度相同，柄体近端顶部平面上有一个内螺纹孔及多个定位孔；股骨柄颈体为钛材料经精密锻造或机加工而成的圆锥状异形体，圆锥状部分为圆杯状结构，圆杯状上部为凹进平台，凹进平台平面中心有螺纹通孔及多个定位孔，沿圆锥体半外缘翘起伸出一个圆柱体；将股骨柄柄体近端插入股骨柄颈体的凹进平台内，中间由定位销由两端分别插入股骨柄柄体顶端及股骨柄颈体凹进平台上的多个定位孔中定位，再将近端衬套从柄体远端滑动插入到柄体近端，利用近端衬套和股骨柄柄体近端的锥度与颈体上凹进平台的平口紧密契合，固定螺栓穿过股骨柄颈体圆杯状下部中心螺纹通孔固定在股骨柄柄体上，组成完整的金属髋关节组合柄。
上述所述近端衬套上突起衬鼻部分的网状多孔结构形成粗糙的外表面，其内部的间隙孔径为100-800微米，孔隙率为50-80％。
上述所述股骨柄近端衬套上的锥度与柄体近端上的锥度配合可使柄近端衬套部件在股骨柄柄体上进行任意角度的旋转变位。
制备上述所述金属髋关节组合柄的工艺步骤为：
a.根据数据分别对金属髋关节组合柄各个部件进行功能及结构的工程设计；
b.将设计完成的股骨柄近端衬套部件信息资料输入计算机控制的电子束熔融成型设备中进行分层扫描、高温熔融，直至堆积成型；
c.对股骨柄柄体部件及股骨柄颈体部件，则分别根据设计图形及设计参数数据进行精密锻造或机加工，按设计要求加工完成所需的柄体及颈体部件；
d.根据工艺要求依次将股骨柄柄体、股骨柄颈体、股骨柄近端衬套、定位销及固定螺栓部件分别进行灭菌处理，密封包装备用。
上述所述工艺步骤b中的电子束熔融温度范围为1800-2600℃。
本发明的工作原理是根据数据模型分别对金属髋关节组合柄各部件进行功能及结构的工程设计，将设计完成的股骨柄近端衬套部件信息资料输入计算机控制的电子束熔融成型设备中，成型设备内的电子枪发射的高能电子束通过聚焦线圈、偏转线圈后，扫描到工作舱均匀铺设的钛合金粉层上，根据图文数据由计算机控制，在需要成型的点部位产生1800℃以上的高温使金属粉末熔融，当一层粉末处理完毕后再铺一层新的粉末进行扫描熔融，逐渐堆积成型，制成近端衬套部件；而为了降低生产成本对股骨柄柄体部件及股骨柄颈体部件，则根据设计结果分别对应进行精密锻造或机械加工，制造完成股骨柄柄体及股骨柄颈体部件。通过电子束熔融成型设备，使用微细钛金属粉末直接制造出股骨柄近端衬套部件。本制造工艺的特点是对钛金属材料宏观形态及微结构的可控性，使股骨柄的衬套部件致密结构和多孔结构完美结合，并且孔隙大小及孔隙率还可以按要求进行调整，实现了在同一个衬套部件的不同部位依据植入需要具有不同的材质密度和疏松度，既保证了衬套部件的强度，又有利于其表面与人骨形成稳定结合。股骨柄衬套部件上衬鼻部分的内部间隙结构具有50-80％孔隙率，其外表面为多孔结构的粗糙面，具有较高的摩擦系数。在手术中，利用股骨柄颈体上翘起伸出的圆柱体连接固定后，将金属髋关节组合柄整体植入人体，骨组织可通过衬鼻部分上具有的多孔结构、粗糙外表面上的孔隙向内生长，形成内长入结构，与人体骨组织有机结合为一个整体，达到真正的生物固定，增强了股骨柄植入的稳定性；股骨柄衬套部件上的锥度与股骨柄柄体近端上的锥度配合可使股骨柄衬套部件在柄体上进行任意角度的旋转变位，柄体近端顶部平面上设置的多个定位孔配合股骨柄颈体凹进平台上的多个定位孔，实现多角度准确定位，为手术提供多方向定位需要，减小手术难度，提高手术质量。股骨柄柄体远端音叉样纵向减压槽是为了降低了柄体远端的刚度及强度，可以减轻由于股骨柄柄体远端刚度而造成的术后大腿疼痛。柄体中部圆周上均匀分布的多个纵向沟槽，则增强了衬套部件的抗扭及抗旋转的稳定性。
采用上述电子束熔融制备工艺并结合精密锻造加工或机加工制备出金属髋关节组合柄的各个部件组装成的股骨柄，其柄体表面具有能使骨长入的多孔结构，力学和生物学特征类似人骨，表面摩擦系数高、结构稳定。尤其是金属髋关节组合柄各部件之间具有多种组合方式，通过髋关节组合柄各个部件的多种组合，获得最佳股骨髓腔的吻合度，尤其适用于畸形严重及翻修的髋关节置换，从而最大限度恢复患肢长度和运动功能，有效的解决了传统金属髋关节柄存在的与人体股骨匹配性不良及与人体骨生长结合不稳定的问题，并且能够减少大腿疼痛的发生率，达到了发明目的。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图
图2为图1的装配连接体示意图
图3为本发明的股骨柄近端衬套部件结构剖视示意图
图4为本发明的股骨柄柄体部件结构示意图
图5为图4的左视图
图6为本发明的股骨柄颈体部件结构示意图
具体实施方式
下面结合附图详述本发明；
从图1-图6可看出本发明的结构，一种钛合金髋关节组合柄，包括股骨柄柄体1、股骨柄颈体3、股骨柄近端衬套2、定位销5及固定螺栓4。近端衬套2是由钛合金粉末经电子束熔融成型设备扫描熔融成型的圆锥筒状形体，包括两部分结构：本体为实心结构，衬鼻部分6为具有疏松的网状多孔结构，平均孔径400微米，孔隙率70％，类似松质结构，弹性模量更接近松质骨；股骨柄柄体1是由钛材料经锻造和机加工形成的细长圆柱体，股骨柄柄体1远端为尖形，中间为音叉样纵向减压槽8设计，股骨柄柄体1中部圆周上均布设置多个纵向沟槽7，股骨柄柄体1近端为圆锥状，其锥度与近端衬套2的锥度相同，股骨柄柄体1近端端顶平面上设置有内螺纹孔及多个定位孔9；颈体3为钛合金材料经精密锻造和机加工而成的圆锥状异形体，圆锥状部分为圆杯状结构，圆杯状上部为凹进平台，凹进平台平面中心有螺纹通孔11及多个定位孔10，沿圆锥体半外缘翘起伸出一个圆锥体；将柄体1近端插入颈体3的凹进平台内，中间由定位销5两端分别插入柄体1顶端及颈体3凹进平台上的多个定位孔9、10中定位，再将近端衬套2从柄体1远端滑动插入到柄体1近端，利用近端衬套2和柄体1近端的锥度与股骨柄颈体3上凹进平台的平口紧密契合，固定螺栓4穿过股骨柄颈体3圆杯状下部中心螺纹通孔11固定在柄体上，构成完整的股骨组合柄。
制备上述所述金属髋关节组合柄的工艺步骤为：
a.根据数据分别对金属髋关节组合柄各个部件进行功能及结构的工程设计；
b.将设计完成的近端衬套部件信息资料输入计算机控制的电子束熔融成型设备中，将成型设备内的钛合金粉末按照近端衬套部件形状结构，进行分层扫描、高温熔融，直至堆积成型，其电子束熔融温度为2200℃；
c.对股骨柄柄体部件及股骨柄颈体部件，则分别根据设计图形及设计参数数据进行精密锻造和机加工，按设计要求加工完成所需的股骨柄柄体及股骨柄颈体部件；
d.根据工艺要求依次将股骨柄柄体、股骨柄颈体、股骨柄近端衬套、定位销及固定螺栓部件分别进行灭菌处理，密封包装备用。

Claims (5)

1.一种金属髋关节组合柄，包括股骨柄柄体(1)、股骨柄颈体(3)、股骨柄近端衬套(2)、定位销(5)及固定螺栓(4)，其特征在于：股骨柄近端衬套(2)是由钛合金粉末经电子束熔融成型设备扫描熔融成型的圆锥筒状体，近端衬套(2)主体为实心结构，衬套上突起的衬鼻(6)部分为类松质骨样的网状多孔结构；股骨柄柄体(1)是由钛材料经锻造或机加工形成的长圆柱状体，股骨柄柄体(1)远端为锥形，并开有音叉样纵向减压槽(8)，股骨柄柄体(1)中部圆周上均布多个纵向沟槽(7)，股骨柄柄体(1)近端为圆锥状，其锥度与股骨柄近端衬套的锥度相同，股骨柄柄体(1)近端顶平面上有一个内螺纹孔及多个定位孔(9)；股骨髋柄颈体(3)为钛材料经精密锻造或机加工而成的圆锥状异形体，圆锥状部分为圆杯状结构，圆杯状上部为凹进平台，凹进平台平面中心有螺纹通孔(11)及多个定位孔(10)，沿圆锥体半外缘翘起伸出一个圆锥体；将股骨柄柄体(1)近端插入股骨柄颈体(3)的凹进平台内，中间由定位销(5)两端分别插入股骨柄柄体(1)顶端上的多个定位孔(9)及股骨柄颈体(3)凹进平台上的多个定位孔(10)中定位，再将股骨柄近端衬套(2)从股骨柄柄体(1)远端滑动插入到股骨柄柄体(1)近端，利用股骨柄近端衬套(2)和股骨柄柄体(1)近端的锥度与股骨柄颈体(3)上凹进平台的平口紧密契合，固定螺栓(4)穿过股骨柄颈体(3)圆杯状下部中心螺纹通孔(11)固定在股骨柄柄体上，构成金属髋关节组合柄。
2.根据权利要求1所述的金属髋关节组合柄，其特征在于：所述股骨柄近端衬套上突起衬鼻部分的网状多孔结构形成粗糙的外表面，其内部的间隙孔径为100-800微米，孔隙率为50-80％。
3.根据权利要求1所述的金属髋关节组合柄，其特征在于；所述股骨柄近端衬套(2)上的锥度与股骨柄柄体(1)近端上的锥度配合可使股骨柄近端衬套(2)部件在股骨柄柄体(1)上进行任意角度旋转转动。
4.一种制备权利要求1所述的金属髋关节组合柄的制备工艺，工艺步骤包括：
a.根据数据分别对金属髋关节组合柄各个部件进行功能及结构的工程设计；
b.将设计完成的股骨柄近端衬套部件(2)信息资料输入计算机控制的电子束熔融成型设备中，将成型设备内的钛合金粉末按照股骨柄近端衬套(2)部件的形状结构进行分层扫描、高温熔融，直至堆积成型；
c.对股骨柄柄体部件(1)及股骨柄颈体部件(3)，则分别根据设计图形及设计参数数据进行精密锻造或机加工，按设计要求加工完成所需的股骨柄柄体(1)及股骨柄颈体(3)部件；
d.根据工艺要求依次将将股骨柄柄体(1)、股骨柄颈体(3)、股骨柄近端衬套(2)、定位销(5)及固定螺栓(4)部件分别进行灭菌处理，密封包装备用。
5.根据权利要求4所述金属髋关节组合柄的制备工艺，其特征在于：所述工艺步骤b中的电子束熔融温度范围为1800-2600℃。
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