CN103584931B - 一种仿生梯度膝关节股骨假体结构及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿生梯度膝关节股骨假体结构及其制造方法，假体结构包括基于原生股骨远端形态的光滑曲面壳体，截骨后全覆盖贴合面、梯度多孔结构体以及固定装置，截骨后全覆盖贴合面反向拉伸至原生股骨远端曲面，在对距离曲面超过5mm厚度的实体用梯度多孔结构代替，固定装置在股骨假体内侧远端平面上生成。本发明相对于传统标准化假体适配度高，假体与原生膝关节骨形态吻合度高，更适应患者运动。本发明的仿生梯度膝关节股骨假体制造容易，传统的仿生梯度结构的假体传统制造方式非常困难，本发明采用的3D打印制造方法则能够实现根据病人个体差异定制假体，生产周期短、成本低，为个体适配化治疗的应用和发展提供了可能性。

Description

一种仿生梯度膝关节股骨假体结构及其制造方法

技术领域

本发明涉及生物医学制造领域，特别涉及一种仿生梯度膝关节股骨假体结构及其制造方法。

背景技术

全膝关节置换术是临床上治疗晚期膝关节病的一种常见手术方法，除手术技术外，置换假体的设计对手术的效果起着至关重要的作用。人工关节的力学和生物学性能是影响其临床应用效果的关键要素，因此植入假体应具有良好的生物相容性、强度和韧性。目前，膝关节股骨假体均由金属材料制备，包括不锈钢、钴铬合金、钛及其合金等。这些金属材料制成的假体具有良好的力学性能，但与人体内的骨骼有明显的差别。骨是一种完善的具有自优化功能的“智能”材料，它可以根据力学环境调整本身的质量与结构形态，以最佳的结构形态适应力学环境。传统膝关节假体是铸造方法生产的标准化、系列化假体，其内部结构为实体，与骨的空隙结构不同。影响了其生物医学性能。理论上在假体中设计多孔结构，可以为细胞、组织的长入提供空间，促进假体与新生组织的融合，实现生物固定。有研究表明，假体中的多孔结构确实直接影响着组织的长入和新骨的生长，多孔结构可以为细胞的三维方向生长提供空间，有利于代谢物的运输，其生物活性可诱导细胞分化生长和血管的结合生长。实际人体骨骼由密质骨和松质骨组成，也就是外部致密强韧而内部疏松多孔的结构。因此，从仿生角度设计符合患者个性化的假体，采用人骨梯度孔隙率的多孔结构，在满足力学性能的同时，可以减轻假体重量，并且有利于假体与骨组织的融合，对于膝关节假体的设计发展具有重要实际意义。

目前制备梯度多孔结构假体的工艺有烧结法、铸造法等，这些工艺或者难以实现梯度孔隙率变化，或者制备工艺复杂、周期长，制备成本较高。本发明采用的激光选区熔化3D打印制造假体工艺不仅可以快速成型具有梯度孔隙结构的膝关节假体，且成型加工时间短、生产成本低，在生物医学领域具有良好的研究和应用前景。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种仿生梯度膝关节股骨假体结构。

本发明的另一目的在于，提供一种仿生梯度膝关节股骨假体的制造方法。

为了达到上述第一发明目的，采用以下技术方案：

一种仿生梯度膝关节股骨假体结构，包括基于原生股骨远端形态的光滑曲面壳体，截骨后全覆盖贴合面、梯度多孔结构体以及固定装置，截骨后全覆盖贴合面反向拉伸至原生股骨远端曲面，在对距离曲面超过5mm厚度的实体用梯度多孔结构代替，固定装置在股骨假体内侧远端平面上生成。

优选的，所述曲面壳体为实体结构，厚度为3-5mm。

优选的，固定装置包括多孔半球结构体和假体后端柱状连接体。

优选的，梯度多孔结构体的多孔孔隙用羟基磷灰石填充。

为了达到上述第二发明目的，采用以下技术方案：

一种仿生梯度膝关节股骨假体的制造方法，包括下述步骤：

S1、基于患者CT或MRI影像数据，通过mimics建立数字化股骨三维模型，医生按照手术方案进行虚拟截骨，设计人员根据数字化股骨三维模型，提取股骨远端曲面，在保证基本形状不变的前提下对曲面进行光顺优化，获取股骨假体远端曲面设计形态；

S2、根据医生数字化虚拟截骨，对患者保留股骨远端截骨面进行特征提取，获得股骨假体植入贴合面特征形态，从而保证股骨假体与患者个体的适配性；进一步对股骨假体添加固定装置以及对大块实体区域以股骨假体与保留骨贴合面为纵深设计梯度多孔结构体；

S3、采用CAD软件构建梯度多孔轻量化结构假体三维模型，将模型文件导入快速成型辅助软件中，先进行空间位置摆放、对垂悬结构添加支撑然后进行分层切片处理，得到二维信息数据；

S4、将二维信息数据进行扫描路径生成，得到pli数据导入快速成型设备中，设置工艺参数，成型假体；

S5、取出完成的膝关节假体试件，喷砂、抛光，制备成膝关节假体成品。

优选的，步骤S4中，快速成型设备制造的具体过程为：在成型密闭空间中通入惰性气体，柔性铺粉机构将粉末平整地铺于基板上，然后激光在计算机控制下按照模型分层后的二维数据进行扫描，粉末熔化后凝结在下一层基体上，然后成型缸下降粉料缸上升，铺粉系统再次送粉、铺粉，熔化粉末，重复此过程，直到制造完成。

优选的，对距曲面厚度超过3-5mm的股骨假体实体部分用梯度多孔结构优化，梯度多孔结构采用规则或者不规则的内部连通的密集桁架结构来实现

优选的，梯度结构采用内部孔结构来实现的具体步骤为：将需要进行梯度结构设计的实体部分单独提取出来，采用规则或者不规则的内部连通的密集桁架结构与其进行布尔交操作，获得梯度多孔结构，并将该结构取代原来实体部分的位置。

优选的，内部孔结构规则或者不规则的内部连通的密集桁架结构，沿曲面深度方向，桁架结构逐渐变稀疏，即孔隙率增加。

优选的，制造材料为钛合金、钴铬合金或陶瓷粉末材料。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1、本发明采用的仿生梯度多孔结构假体相对于传统标准化假体适配度高，假体与原生膝关节骨形态吻合度高，更适应患者运动。

2、本发明的仿生梯度膝关节股骨假体结构重量轻，梯度多孔结构大大减轻了重量，仿效于人骨梯度孔隙结构设计的规则排列多孔结构不仅保证了假体本身力学性能，而且有利于细胞的三维方向分化生长和体液血管的运输流通，体现了良好的生物相容性。

3、本发明的仿生梯度膝关节股骨假体制造容易，传统的仿生梯度结构的假体传统制造方式非常困难，本发明采用的3D打印制造方法则能够实现根据病人个体差异定制假体，生产周期短、成本低，为个体适配化治疗的应用和发展提供了可能性。

附图说明

图1是基于原生股骨曲面形态提取和光顺优化示意图；

图2是截除骨贴合面基本特征示意图；

图3是基于原生骨形态设计的个性化股骨假体示意图；

图4是股骨假体大块区域嵌入梯度多孔结构示意图；

图5是多孔结构的基本结构形态图；

图6是股骨假体剖面多孔梯度结构形态示意图；

图7是本发明制造方法的流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图4所示，本实施例的仿生假体包括：基于原生股骨远端形态的光滑曲面壳体、截骨后全覆盖贴合面、梯度多孔结构体、固定装置，截骨后全覆盖贴合面反向拉伸至原生股骨远端曲面，在对距离曲面超过5mm厚度的实体用梯度多孔结构代替，固定装置在股骨假体内侧远端平面上生成，该流程就是对股骨进行剖切，将需要进行假体置换的区域切下来，替换上股骨假体。因此股骨假体分为了下面与胫骨假体配合的曲面特征，与股骨截骨后保留体配合的股骨假体内侧面特征，以及为了将股骨假体与股骨截骨后保留体固定的固定特征。本发明的核心就是采用患者原生骨形态曲面特征作为股骨假体的曲面特征，将股骨假体内侧面厚度后的地方变成多孔结构，且多孔结构为连通的，呈现梯度分布。手术时医生将股骨内侧的多孔孔隙用羟基磷灰石填充，这样既可保证弹性模量与股骨原生假体尽可能匹配，又可以促进股骨假体与股骨之间紧密生长连接。如图1所示，曲面壳体曲面形状为股骨远端曲面形状光顺优化结构，如图2所示，股骨假体贴合面为截骨后截除骨贴合面的基本形状，根据两者特征建立股骨假体基本特征后，添加固定装置，固定装置包括顶部包括半球体的圆柱形结构和连接假体后端的柱状体，起增大强度、增强稳定性的作用，完成股骨假体基本特征设计，如图3所示；保持曲面壳体为基本相对致密的实体结构，厚度为3mm-5mm，添加梯度多孔结构体，梯度多孔结构体，采用内部孔结构，内部孔结构为八面体单元、立方体单元或者球体单元，沿曲面深度方向，布尔减球体单元直径直接逐渐减少，即孔隙率增加，但不仅仅这些也应包括将实体变成网格形态的各种不规则的孔隙结构，如图5所示，本实施例以立方体单元和球体单元为布尔减结构的基本结构，沿曲面深度方向，布尔减球体单元直径直接逐渐减少，即孔隙率增加，如图6所示；至此形成具有仿生梯度孔隙结构的人工膝关节假体设计。

如图7所示，本发明所述的仿生梯度膝关节股骨假体结构设计，基于患者CT或MRI影像数据，通过mimics建立数字化股骨三维模型，医生按照手术方案进行虚拟截骨，设计人员根据数字化股骨三维模型，提取股骨远端曲面，在保证基本形状不变的前提下对曲面进行光顺优化，获取股骨假体远端曲面设计形态；同时根据医生数字化虚拟截骨，对患者保留股骨远端截骨面进行特征提取，获得股骨假体植入贴合面特征形态，从而保证股骨假体与患者个体的适配性。进一步设计人员对股骨假体添加固定装置以及对大块实体区域以股骨假体与保留骨贴合面为纵深设计梯度多孔结构体。其中固定装置起增大强度、增强稳定性的作用。

所述仿生梯度膝关节股骨假体结构制造方法包括：

采用CAD软件构建梯度多孔轻量化结构假体三维模型，将模型文件导入快速成型辅助软件中，先进行空间位置摆放、对垂悬结构添加支撑然后进行分层切片处理，得到二维信息数据；

将二维信息数据进行扫描路径生成，得到pli数据导入快速成型设备中，设置工艺参数，成型假体；

所述的快速成型制造，具体为：成型密闭空间中通入惰性气体，柔性铺粉机构将粉末平整地铺于基板上，然后激光在计算机控制下按照模型分层后的二维数据进行扫描，粉末熔化后凝结在下一层基体上，然后成型缸下降粉料缸上升，铺粉系统再次送粉、铺粉，熔化粉末，重复此过程，直到制造完成；

取出完成的膝关节假体试件，实施后处理如喷砂、抛光等，制备成膝关节假体成品。

下面结合具体的实施方式来对本申请做进一步的说明，利用三维设计软件处理好具有仿生梯度多孔轻量化结构的膝关节假体模型，输出保存为STL格式文件；将STL格式假体模型文件导入到快速成型辅助软件MaterialiseMagics中进行摆放定位、分层切片处理，切层厚度为0.035mm，得到CLI格式二维信息数据文件；再将二维信息数据文件导入RPSCAN软件（路径生成软件）选择合适路径生成pli文件，导入激光选区熔化3D打印设备中，采用生物不锈钢或者钴铬合金金属粉末，根据加工条件设置工艺参数，通入惰性保护气体氮气使设备密闭成型室中的氧气含量少于0.1%。开始加工过程，柔性铺粉机构将粉末平整地铺于基板上，然后激光在计算机控制下按照模型分层后的二维形状数据进行扫描，粉末熔化后凝结在基板（或下一层基体）上，然后成型缸下降一个层厚的距离，粉料缸上升0.07mm，铺粉系统再次送粉、铺粉，激光熔化粉末，重复此过程，层层堆积，直到制造完成；

取出完成的假体试件，实施后处理如喷砂、抛光等，制备成膝关节假体成品。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种仿生梯度膝关节股骨假体结构，其特征在于，包括基于原生股骨远端形态的光滑曲面壳体，截骨后全覆盖贴合面、梯度多孔结构体以及固定装置，截骨后全覆盖贴合面反向拉伸至原生股骨远端曲面，在对距离曲面超过5mm厚度的实体用梯度多孔结构代替，固定装置在股骨假体内侧远端平面上生成；

所述曲面壳体为实体结构，厚度为3-5mm。

2.根据权利要求1所述的仿生梯度膝关节股骨假体结构，其特征在于，固定装置包括多孔半球结构体和假体后端柱状连接体。

3.根据权利要求1所述的仿生梯度膝关节股骨假体结构，其特征在于，梯度多孔结构体的多孔孔隙用羟基磷灰石填充。

4.一种仿生梯度膝关节股骨假体的制造方法，其特征在于，包括下述步骤：

S1、基于患者CT或MRI影像数据，通过mimics建立数字化股骨三维模型，医生按照手术方案进行虚拟截骨，设计人员根据数字化股骨三维模型，提取股骨远端曲面，在保证基本形状不变的前提下对曲面进行光顺优化，获取股骨假体远端曲面设计形态；

S2、根据医生数字化虚拟截骨，对患者保留股骨远端截骨面进行特征提取，获得股骨假体植入贴合面特征形态，从而保证股骨假体与患者个体的适配性；进一步对股骨假体添加固定装置以及对大块实体区域以股骨假体与保留骨贴合面为纵深设计梯度多孔结构体；

S3、采用CAD软件构建梯度多孔轻量化结构假体三维模型，将模型文件导入快速成型辅助软件中，先进行空间位置摆放、对垂悬结构添加支撑然后进行分层切片处理，得到二维信息数据；

S4、将二维信息数据进行扫描路径生成，得到pli数据导入快速成型设备中，设置工艺参数，成型假体；

S5、取出完成的膝关节假体试件，喷砂、抛光，制备成膝关节假体成品；

对距曲面厚度超过3-5mm的股骨假体实体部分用梯度多孔结构优化，梯度多孔结构采用规则或者不规则的内部连通的密集桁架结构来实现。

5.根据权利要求4所述的一种仿生梯度膝关节股骨假体制造方法，其特征在于，步骤S4中，快速成型设备制造的具体过程为：在成型密闭空间中通入惰性气体，柔性铺粉机构将粉末平整地铺于基板上，然后激光在计算机控制下按照模型分层后的二维数据进行扫描，粉末熔化后凝结在下一层基体上，然后成型缸下降粉料缸上升，铺粉系统再次送粉、铺粉，熔化粉末，重复此过程，直到制造完成。

6.根据权利要求5所述的一种仿生梯度膝关节股骨假体的制造方法，其特征在于，梯度结构采用内部孔结构来实现的具体步骤为：将需要进行梯度结构设计的实体部分单独提取出来，采用规则或者不规则的内部连通的密集桁架结构与其进行布尔交操作，获得梯度多孔结构，并将该结构取代原来实体部分的位置。

7.根据权利要求4所述的一种仿生梯度膝关节股骨假体的制造方法，其特征在于，内部孔结构规则或者不规则的内部连通的密集桁架结构，沿曲面深度方向，桁架结构逐渐变稀疏，即孔隙率增加。

8.根据权利要求4所述的一种仿生梯度膝关节股骨假体的制造方法，其特征在于，制造材料为钛合金、钴铬合金或陶瓷粉末材料。