CN104173123B - 快速、可靠的人工骨假体制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种快速、可靠的人工骨假体制备方法，包括以下步骤：通过CT或MRI扫描技术获取健康状态下人体全部骨骼的影像数据，并建立健康状态下人体全部骨骼影像数据的数据库；利用该数据库中骨骼的影像数据，生成骨骼的三维模型；对生成的骨骼的三维模型进行优化设计及分析，包括构造骨腔、骨支架、骨微孔基体，进行静力学分析、运动学分析、动力学分析等虚拟仿真分析；基于优化后的骨骼三维模型，使用增材制造技术加工制造出人工骨假体；对制造出的人工骨假体进行生物活性处理；对生物活性处理后的人工骨假体进行质量检验。本发明可针对每个患者快速的制备出可靠性高的骨假体，以降低患者的伤残几率，且可避免材料的浪费。

Description

快速、可靠的人工骨假体制备方法

技术领域

本发明涉及一种人工骨假体的制备方法，属于生物医用假体技术领域。

背景技术

交通事故、自然灾害的发生，易导致人体的骨损伤，骨损伤会造成患者残疾甚至失去生活自理能力，因而，帮助骨损伤患者修复缺损或缺失的硬组织，更好地恢复人体硬组织功能是医学界一直努力探索的课题。

人工骨假体是解决和修复自体骨骼损伤的一种技术，截至目前，该项技术的可行性已被证实，但现有人工骨假体多限于髋关节、膝关节、牙齿、股骨头等局部位置骨骼的制备和置换，对于四肢长骨等骨骼的整体损坏尚无有效的修复方法，这导致很多长骨损伤患者只能被迫选择截肢以挽救或延长生命。

另外，由于目前的人工骨假体大多是通过CNC数控加工等减材制造技术(车、钳、铣、刨、磨)加工的批量化产品，无法快速实现针对每个患者的个性匹配，批量化的骨假体会使某些患者产生不良反应，且，批量化生产无法实现有效的资源集约，而造成材料的浪费。

发明内容

基于上述原因，本发明的目的在于提供一种快速、可靠的人工骨假体制备方法，依该方法可针对每个患者快速的制备出可靠性高的骨假体，以降低患者的伤残几率，且可避免材料的浪费。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种快速、可靠的人工骨假体制备方法，包括以下步骤：

S1：通过CT或MRI扫描技术获取健康状态下人体全部骨骼的影像数据，并建立健康状态下人体全部骨骼影像数据的数据库；

S2：利用该数据库中骨骼的影像数据，生成骨骼的三维模型；

S3：对生成的骨骼的三维模型进行优化设计及分析；

S4：基于优化后的骨骼三维模型，使用增材制造技术加工制造出人工骨假体；

S5：对制造出的人工骨假体进行生物活性处理。

进一步的，

所述步骤S2中，从所述数据库中调取受损骨对应的健康骨的影像数据，根据受损骨的不同部位和假体的具体需求选取不同的层厚，在受损骨对应的健康骨的影像数据的基础上逐层提取出骨骼的外轮廓，然后根据每一层的外轮廓整体拟合生成骨骼的三维模型。

所述步骤S3中对骨骼的三维模型进行优化设计及分析包括：根据骨骼内部解剖结构及所述骨骼的影像数据，在所述骨骼的三维模型的基础上构造骨腔；根据骨骼的部位及类型构造骨支架；根据骨质微观肌理构造微孔基体结构；以及，对具有骨腔、骨支架、骨微孔基体的骨骼三维模型进行虚拟仿真分析，该虚拟仿真分析包括静力学分析、运动学分析、动力学分析。

所述步骤S4中，对于金属快速成型设备可直接打印的骨假体，先将所述骨骼的三维模型转换为STL文件，然后输入金属快速成型设备中，逐层累加打印出钛合金人工骨假体；

对于受尺寸限制，金属快速成型设备无法直接打印的骨假体，先将所述骨骼的三维模型转换为STL文件，然后输入到塑料快速成型设备中打印出塑料模型，之后将该塑料模型利用喷涂耐火砂浆、阴阳膜转换、气化处理、精密铸造工艺得到钛合金人工骨假体。

所述步骤S5中，在所述人工骨假体上，利用开孔技术将羟基磷灰石为主的活性溶液灌入所述骨腔中，并进行高速旋转和固化，以确保活性溶液附着在所述骨腔壁和骨支架上，构造内部多孔活性环境；在所述人工骨假体的表面经粗糙化处理后制备羟基磷灰石为主的生物涂层，并进行多孔生物相容性处理。

该方法还包括：S6：对生物活性处理后的人工骨假体进行质量检验。

所述步骤S6包括，将所述人工骨假体的检验结果与所述虚拟仿真分析过程中生成的仿真报告进行比较。

本发明的优点在于：

本发明的快速、可靠的人工骨假体的制备方法，可通过网络数据共享的方式针对每个患者快速的设计、制备出可靠性高的骨假体，以降低患者的伤残几率；根据骨假体的尺寸，采用直接或是间接的增材制造技术加工制造人工骨假体，可有效避免材料的浪费；制备出的骨假体具有多孔的钛合金基体和多孔的生物涂层，极大的提高了生物涂层与钛合金基体的结合性能和细胞生物的附着、修复性能。本发明尤其适用于涵盖四肢长骨的整体制备，可有效的减小四肢截肢。

附图说明

图1是本发明的方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述。

图1是本发明的方法流程图。如图所示，本发明公开的快速、可靠的人工骨假体制备方法，包括以下步骤：

S1：通过CT或MRI扫描技术获取健康状态下人体全部骨骼的影像数据，并建立健康状态下人体全部骨骼影像数据的数据库；

人体健康状态下，通过CT或MRI扫描获得人体206块骨骼的影像数据，并根据获得的影像数据建立数据库，且该数据库中的数据通过网络实现数据共享。

S2：利用数据库中骨骼的影像数据，生成骨骼的三维模型；

从数据库中调取受损骨对应的健康骨的影像数据，根据受损骨的位置及患者手术的具体需求设置层厚，在受损骨对应的健康骨的影像数据的基础上逐层提取出骨骼的外轮廓(可利用Mimics软件提取)，然后根据每一层的外轮廓整体拟合生成骨骼的三维模型。

这里要说明的是，设置统一层厚基础上生成的三维模型要么过于粗糙而难以符合临床要求，要么过于精细而影响加工效率，本发明是根据骨骼部位的重要性在骨骼的不同位置设置不同的层厚，如，涉及到骨骼配合和约束的骨骼之间的接触面部分，设置较小的层厚以保证其最大程度上与原骨相类似，而涉及其他非骨约束和接触的部分设置相对较大的层厚以节约设计时间、提高效率。最终，在相关软件(Geomagic、3Dsmax)中，通过模型拼接的方法将骨骼的各部分结合起来。

为了避免三维模型表面不平滑，过度不自然等问题，可以进一步对骨骼的三维模型进行网格平滑处理(可利用Geomagic、3Dsmax软件进行处理)。

S3：对骨骼的三维模型进行优化设计及分析；

对骨骼的三维模型进行优化设计及分析，包括骨腔设计、骨支架设计、骨微孔基体设计、虚拟仿真分析等；其中，

骨腔的设计方法是：在骨骼的三维模型基础上，利用机械设计软件(可利用Sildworks或UG或Pro/e等软件)参照骨骼内部解剖结构和骨骼的影像数据，在三维模型的基础上再造出与原骨相类似的骨腔形状；骨支架的设计方法是：根据骨骼的类型，制作出不同空隙的支架模型库，使用时根据骨骼的具体部位和骨骼种类从支架模型库中进行调取；骨微孔基体的设计方法是：在相关软件(3Dsmax等)中，参照骨质微观状态下的肌理图片，设计出最小单位(根据实际情况而定，一般在毫米级以下)体积的微孔形态，以此最小单位形态为基础，通过复制、拼接的形式得到更大体积的微孔形态，以此类推，进一步构造出符合受损骨的大小的体积，将此基体形态与构造出的受损骨形态二者对齐，利用Sildworks或UG或Pro/e等软件进行布尔运算，从而相减得出具有微孔基体结构的骨假体模型。

虚拟仿真分析包括静力学分析、运动学分析、动力学分析等，具体方法是：在上述具有骨腔、骨支架的骨骼三维模型基础上，利用可实现静力学虚拟仿真分析的软件(如ANSYS、ABAQUS软件)进行静力学分析，以保证人工骨假体结构在静态条件下的可靠性；然后，利用可实现动力学仿真分析的软件(如ADAMS软件)，建立与人工骨假体相配合的其他骨骼模型，并基于人体生物力学和康复工程中的相关知识进行运动学仿真以确保人工骨假体在运动条件下的可靠性和稳定性；最后，利用MATLAB软件进行动力学仿真，进一步确定人工骨假体的运动与受力的合理性。在上述各仿真步骤中，根据仿真结果对骨骼的三维模型进行合理性修改，然后重新仿真，直到仿真结果良好为止，此时，生成仿真报告以备后续人工骨假体的质量检验使用。

S4：基于优化后的骨骼三维模型，使用直接或是间接的增材制造技术加工制造出人工骨假体；

对于尺寸较小，金属快速成型设备可直接打印的骨假体，使用直接的增材制造技术进行加工制造。具体是，先将骨骼的三维模型转换为STL文件格式，然后输入EOS、EBM等金属快速成型设备，逐层累加打印出可降解的钛合金人工骨假体。

对于尺寸较大，金属快速成型设备无法直接打印的骨假体，使用间接的增材制造技术进行加工制造。具体是，先将骨骼的三维模型转换为STL文件格式，然后输入到塑料快速成型设备中打印出ABS、PLA等塑料模型，之后将塑料模型利用喷涂耐火砂浆、阴阳膜转换、气化处理、钛合金铸造等工艺得到可降解的钛合金人工骨假体。

S5：对制造出的人工骨假体进行生物活性处理；

在制造出的人工骨假体基础上，借助开孔技术，将羟基磷灰石为主的活性溶液灌入骨腔中，高速旋转摇匀、固化后使活性溶液附着在骨腔壁和骨支架上，构造内部多孔活性环境，可促进骨腔内细胞的生长和新陈代谢；

在人工骨假体的表面经粗造化处理后制备以羟基磷灰石生物涂层，并进行多孔生物相容性处理，以使人工骨假体具有与人体骨骼类似的表面属性，利于人体组织细胞的附着、修复及再生长，可保持人工骨的长期生物活性和自体活性代谢。

S6：对生物活性处理后的人工骨假体进行质量检验。

对人工骨假体的质量检验是根据骨骼的不同部位，采用个性检验与国标检验的进行双向检测。其中，个性化检验是指将人工骨假体的检验结果与前述生成的仿真报告进行比较，判断制备出的人工骨假体是否达到标准。

本发明的快速、可靠的人工骨假体制备方法，先利用CT或MRI扫描技术得到人体健康状态下全部骨骼的影像数据并建立影像数据的数据库，当某部位的骨骼受损时，从该数据库中查找该受损骨的影像数据并依据该影响数据建立骨骼的三维模型，之后对骨骼的三维模型进行优化设计与分析，得到具有骨腔、骨支架、骨微孔基体且符合静力学、动力学、运动学分析的骨骼三维模型，采用增材制造技术制造加工人工骨假体，并对该人工骨假体进行生物活性处理，通过质量检验后即得到可靠性高的人工骨假体。本发明可针对每位病患快速制备出可靠性高的人工骨假体，降低了人体伤残的几率，也避免了材料的浪费。

以上所述是本发明的较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本发明保护范围之内。

Claims (8)

1.快速、可靠的人工骨假体制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：通过CT或MRI扫描技术获取健康状态下人体全部骨骼的影像数据，并建立健康状态下人体全部骨骼影像数据的数据库，该数据库中的数据通过网络实现数据共享；

S2：利用该数据库中骨骼的影像数据，根据受损骨的不同部位和假体的具体需求选取不同的层厚，在受损骨对应的健康骨的影像数据的基础上逐层提取出骨骼的外轮廓，然后根据每一层的外轮廓整体拟合生成骨骼的三维模型；

S3：对生成的骨骼的三维模型进行优化设计及分析，包括，根据骨骼的类型，制作不同空隙的支架模型库，根据骨骼的部位及种类从该支架模型库中选取骨支架；

S4：基于优化后的骨骼三维模型，使用增材制造技术加工制造出人工骨假体；

S5：对制造出的人工骨假体进行生物活性处理。

2.如权利要求1所述的快速、可靠的人工骨假体制备方法，其特征在于，

所述步骤S2中，在不同层厚的骨骼的三维模型基础上，通过模型拼接的方法将骨骼的各部分结合起来，然后进行网格平滑处理。

3.如权利要求2所述的快速、可靠的人工骨假体制备方法，其特征在于，

所述步骤S3中对骨骼的三维模型进行优化设计及分析还包括：根据骨骼内部解剖结构及所述骨骼的影像数据，在所述骨骼的三维模型的基础上构造骨腔；根据骨质微观肌理构造微孔基体结构；以及，对具有骨腔、骨支架、骨微孔基体的骨骼三维模型进行虚拟仿真分析，该虚拟仿真分析包括静力学分析、运动学分析、动力学分析。

4.如权利要求3所述的快速、可靠的人工骨假体制备方法，其特征在于，所述步骤S4中，对于金属快速成型设备可直接打印的骨假体，先将所述骨骼的三维模型转换为STL文件，然后输入金属快速成型设备中，逐层累加打印出钛合金人工骨假体；

对于受尺寸限制，金属快速成型设备无法直接打印的骨假体，先将所述骨骼的三维模型转换为STL文件，然后输入到塑料快速成型设备中打印出塑料模型，之后将该塑料模型利用喷涂耐火砂浆、阴阳膜转换、气化处理、精密铸造工艺得到钛合金人工骨假体。

5.如权利要求4所述的快速、可靠的人工骨假体制备方法，其特征在于，

所述步骤S5中，在所述人工骨假体上，利用开孔技术将羟基磷灰石为主的活性溶液灌入所述骨腔中，并进行高速旋转和固化，以确保活性溶液附着在骨腔壁和骨支架上，构造内部多孔活性环境；在所述人工骨假体的表面经粗糙化处理后制备羟基磷灰石为主的生物涂层，并进行多孔生物相容性处理。

6.如权利要求5所述的快速、可靠的人工骨假体制备方法，其特征在于，该方法还包括：S6：对生物活性处理后的人工骨假体进行质量检验。

7.如权利要求6所述的快速、可靠的人工骨假体制备方法，其特征在于，

所述步骤S6包括，将所述人工骨假体的检验结果与所述虚拟仿真分析过程中生成的仿真报告进行比较。

8.如权利要求1所述的快速、可靠的人工骨假体制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，在相配合和约束的骨骼之间的接触面，设置第一层厚，在其他非骨约束和接触的部分设置第二层厚，该第二层厚大于第一层厚。