CN105213069B - 双金属假体部件 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双金属假体部件，包括骨结合金属层(10)、设置在骨结合金属层(10)一侧的金属耐磨层(20)以及设置在骨结合金属层(10)和金属耐磨层(20)之间的过渡层(30)。本发明的技术方案能够有效地解决现有技术中的金属假体部件的置换质量不好的问题。

Description

双金属假体部件

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，具体而言，涉及一种双金属假体部件。

背景技术

目前，人工关节置换术已经成为治疗关节疾病的终极治疗手段，是骨科领域在二十世纪取得的最重要的进展之一。人工关节置换术可以更好的缓解疼痛，改善关节功能，恢复关节的稳定和肢体的功能，已经得到广大患者的认同。

在人工关节置换术中，人工关节假体依据置换部位的不同，包括髋关节假体、膝关节假体、脊柱假体、肩、肘、踝等关节假体。同时，依据功能要求的不同，人工关节假体可采用不同的材料制成，因此，人工关节假体包括金属部件和/或非金属部件。其中，金属部件由于制造工艺的限制，只能采用同一种金属材料制成。

在现有技术中，金属关节假体包括假体主体部件(例如胫骨平台、股骨髁、髋臼杯、股骨柄及球头等)和配合部件(例如聚乙烯垫片、聚乙烯内衬等)。其中，假体主体部件的材质一般分为钛合金或者钴合金。钛合金的弹性模量较低，与人体骨的生物相容性好，但是钛合金的硬度不如钴合金高，表面光洁度不好，容易与聚乙烯垫片或髋臼内衬之间摩擦产生磨损颗粒，从而造成骨溶解。钴合金的弹性模量较高，与人体骨的结合不好，其弹性模量与人体骨的弹性模量相差大，易产生应力遮挡，从而容易造成术后骨质疏松、退化，进而影响术后假体长期的稳定性。因此，目前的金属关节假体无法兼顾以上两方面，从而严重影响关节假体置换的质量。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种双金属假体部件，以解决现有技术中的金属假体部件的置换质量不好的问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种双金属假体部件，包括骨结合金属层、设置在骨结合金属层一侧的金属耐磨层以及设置在骨结合金属层和金属耐磨层之间的过渡层。

进一步地，骨结合金属层、过渡层以及金属耐磨层通过激光或高能电子束快速成型技术熔融成型。

进一步地，骨结合金属层为多孔金属结构。

进一步地，骨结合金属层的材质为钛合金。

进一步地，金属耐磨层的材质为钴合金。

进一步地，过渡层为钛钴合金，过渡层的材质中的钛合金含量比例由骨结合金属层至金属耐磨层的方向逐渐递减，过渡层的材质中的钴合金含量比例由骨结合金属层至金属耐磨层的方向逐渐递增。

进一步地，双金属假体部件为股骨髁假体部件或股骨柄假体部件。

进一步地，双金属假体部件为胫骨平台假体部件，胫骨平台假体部件包括平台主体和设置在平台主体下方的支撑部，金属耐磨层、过渡层以及骨结合金属层的一部分形成平台主体，骨结合金属层的另一部分形成支撑部。

进一步地，双金属假体部件为胫骨平台假体部件，胫骨平台假体部件包括平台主体和设置在平台主体下方的支撑部，金属耐磨层、过渡层的一部分以及骨结合金属层的一部分形成平台主体，过渡层的另一部分及骨结合金属层的另一部分形成支撑部。

应用本发明的技术方案，设置骨结合金属层、金属耐磨层以及位于骨结合金属层和金属耐磨层之间的过渡层。骨结合金属层与人体骨相接触并形成远期的骨融合，金属耐磨层与其他部件(如聚乙烯垫片、聚乙烯内衬)相配合形成关节摩擦面。上述骨结合金属层采用生物相容性好的材料制成，金属耐磨层采用表面光洁度好的耐磨材料制成，这样可以保证骨结合金属层与人体骨的生物固定效果好的同时，又使金属耐磨层不容易与其他部件摩擦产生磨损颗粒，防止骨溶解的发生。此外，过渡层可以实现骨结合金属层和金属耐磨层的连接，并且可以保证连接强度。因此，本申请的双金属假体部件可以有效地提高关节假体置换质量以及术后假体长期的稳定性。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，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。在附图中：

图1示出了根据本发明的双金属假体部件的实施例一的结构示意图；

图2示出了根据本发明的双金属假体部件的实施例二的结构示意图；

图3示出了根据本发明的双金属假体部件的实施例三的结构示意图；

图4示出了根据本发明的双金属假体部件的实施例四的结构示意图；以及

图5示出了用于加工图1的双金属假体部件的金属零件加工装置的结构示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、骨结合金属层；20、金属耐磨层；30、过渡层；41、平台主体；42、支撑部；50、铺粉装置；51、粉末混合装置；511、粉末混合腔；512、出粉口；513、螺旋结构；52、粉末输送通道；60、基础平台；70、高能束通道。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1所示，在实施例一的双金属假体部件中，双金属假体部件为胫骨平台假体部件。

在现有技术中，膝关节假体由股骨髁、垫片及胫骨平台组成。其中，股骨髁和胫骨平台采用金属材料制成，垫片采用医用高分子聚乙烯材料制成。其中，胫骨平台一般分为钛合金胫骨平台或者钴合金胫骨平台。采用钛合金胫骨平台虽然与人体骨的生物相容性好，但是关节表面光洁度不好，容易与聚乙烯垫片之间摩擦产生磨损颗粒，从而造成骨溶解。而采用钴合金胫骨平台虽然对聚乙烯垫片的磨损小，但是与人体骨的结合不好，其弹性模量与人体骨的弹性模量相差大，易产生应力遮挡，容易造成术后骨质疏松、退化，进而影响术后假体长期的稳定性。

如图1所示，实施例一的双金属假体部件包括骨结合金属层10、设置在骨结合金属层10一侧的金属耐磨层20以及设置在骨结合金属层10和金属耐磨层20之间的过渡层30。

应用本实施例的双金属假体部件，设置骨结合金属层10、金属耐磨层20以及位于骨结合金属层10和金属耐磨层20之间的过渡层30。骨结合金属层10与人体骨相接触并形成远期的骨融合，金属耐磨层20与聚乙烯垫片相配合形成关节摩擦面。上述骨结合金属层10采用生物相容性好的材料制成，金属耐磨层20采用表面光洁度好的耐磨材料制成，这样可以保证骨结合金属层10与人体骨的生物固定效果好的同时，又使金属耐磨层20不容易与聚乙烯垫片摩擦产生磨损颗粒，防止骨溶解的发生。此外，过渡层30可以实现骨结合金属层10和金属耐磨层20的连接，并且可以保证连接强度。因此，本实施例的双金属假体部件可以有效地提高关节假体置换质量以及术后假体长期的稳定性。

如图1所示，在实施例一的双金属假体部件中，骨结合金属层10、过渡层30以及金属耐磨层20通过激光或高能电子束快速成型技术熔融成型。

长期以来骨界面的研究一直是内植物的研究重点，骨界面的初始固定强度、后期界面的愈合以及骨整合效果都是业内不断追求提高的方向。在骨界面的固定方式中，除骨水泥固定外，生物固定的关节假体表面结构也一直在持续不断地进步与演变，从喷砂粗糙表面、钛喷涂表面、金属微珠或微颗粒烧结表面、羟基磷灰石喷涂表面一直发展到目前较为前沿的钽金属骨小梁表面、3D打印金属骨小梁表面。

其中，用于金属材料的3D打印通常采用激光或高能电子束快速成型技术来实现。3D打印技术与传统的金属切削加工方法不同，它不是在整块的材料(毛坯)上通过去除材料(例如切削加工)以获得最终产品，而是通过将材料一层一层的熔融堆积叠加而得到最终的产品，所采用的能量源输入包括电能、压缩空气源、热源、紫外光、高能束(激光束、电子束等)，所使用的材料主要有高分子材料、矿物材料、金属材料、陶瓷材料、生物材料(蛋白质、活体细胞、DNA等)。

在本实施例中，激光或高能电子束快速成型技术熔融成型所使用的材料是医用金属，其工作原理是：

步骤一：在电脑中设计出双金属假体部件的骨结合金属层10、过渡层30以及金属耐磨层20的三维结构模型；

步骤二：将上述结构模型在分层软件中逐片分割成片层文件数据，每个片层文件的厚度为a，a的数值通常为0.05～0.10mm；

步骤三：将片层文件数据按顺序输入到激光或高能电子束快速成型设备中；

步骤四：将所要使用的金属材料粉末装入设备的粉料仓，并由铺粉装置在设备的工作舱中的基础平台上铺设一层材料粉末形成第一材料粉末层，第一材料粉末层的厚度与片层文件的厚度大体一致(考虑到熔融后的材料收缩，有时铺粉厚度会略高一些)；

步骤五：由电脑控制的激光束或高能电子束对第一材料粉末层进行扫描并对预定区域进行熔融，根据每一片片层文件数据的设定，电脑控制高能束发射源投射出受到控制的激光束或电子束，在需要熔化的点位使得粉料瞬间达到1800～2000℃左右的高温熔化并随后迅速降温凝固，若干熔化点位连接成片就会得到一个固体片层，而不需要熔化的点位获得的激光或电子束能量较低，粉料不会熔化；

步骤六：由铺粉装置在基础平台上再铺设一层新的材料粉末形成第二材料粉末层，并重复步骤五以使第二材料粉末层与第一材料粉末层熔融叠加到一起，由此重复叠加累积就可以得到一个与电脑中设计的三维结构模型一摸一样的产品实物。

步骤七：当最后一层材料粉末层扫描熔融完成后将产品实物以及包覆在其周围的未熔融的粉末取出，放进专门的回收装置内将粉末除去即可得到完整的产品。

上述激光或高能电子束快速成型技术熔融成型的方法简单易操作，并且成型精度高，强度高。

针对本实施例的双金属假体部件，在通过激光或高能电子束快速成型技术对其加工时，需要使用金属零件加工装置进行加工。该金属零件加工装置可以实时按照比例要求进行不同材质粉末混合，并将混合好的金属粉末输送到指定高能束流束斑焦点所在的点位，此时高能束流对已输送到位的混合粉末进行熔融堆积。下面将结合附图对上述的金属零件加工装置进行详细介绍。

如图5所示，金属零件加工装置包括基础平台60、位于基础平台60上方的铺粉装置50和熔融装置。铺粉装置50包括粉末混合装置51和两个粉末输送通道52。其中，粉末混合装置51具有粉末混合腔511，粉末混合装置51的下部具有出粉口512，出粉口512与粉末混合腔511连通，并且出粉口512位于基础平台60的上方。两个粉末输送通道52各粉末输送通道52的出口与粉末混合腔511均连通。熔融装置包括高能束通道70，高能束通道70设置在粉末混合腔511内，并且高能束通道70竖直设置并位于粉末混合腔511的中心位置，粉末混合腔511内设置有螺旋结构513，螺旋结构513包括盘绕在高能束通道70的周向外侧的螺旋导向面。两个粉末输送通道52相对高能束通道70对称设置。高能束通道70中通入激光束、离子束或电子束等高能束，这些高能束在高能束通道70中聚焦，并在粉末混合装置51的出粉口512处熔融金属粉末。通过铺粉装置50铺设在基础平台60上的金属粉末在高能束通道70的作用下形成金属零件。

在对金属零件加工过程中，基础平台60既可以在水平方向和竖直方向平动，还可以全方位旋转。在出粉口512处熔融的金属粉末输送到上述基础平台60的预置位置，随基础平台60的运动而堆积出所需的形状，从而形成金属零件。需要说明的是，可以根据具体金属零件的形状，通过电脑编程控制基础平台60的运动。

当金属零件加工装置开始工作时，通过铺粉装置50的两个粉末输送通道52向粉末混合腔511中输送金属粉末，该金属粉末沿螺旋导向面螺旋下降，在下降过程中进行多次混合，从而在出粉口512处混合均匀。混合均匀后的金属粉末通过出粉口512输出至上述基础平台60，并且该出粉口512处的金属粉末在高能束通道70的作用下熔融，由于铺粉装置50与基础平台60之间具有相对运动(即出粉口512与基础平台60之间具有相对运动)，熔融后的金属粉末在上述基础平台60堆叠形成金属零件。

需要说明的是，粉末输送通道52的数量为两个，在两个粉末输送通道52中通入不同的金属粉末，根据待加工的金属零件的具体需要通过电脑程序来精确控制每个粉末输送通道52输送金属粉末的种类、输送比例、输送量以及开启的时间等，从而实现打印双金属零件。当然，粉末输送通道52的数量可以根据具体需要进行选择，粉末输送通道52的数量一般为2～20个。

如图1所示，在实施例一的双金属假体部件中，骨结合金属层10为多孔金属结构，并且上述多孔金属结构的材质为钛合金。金属耐磨层20的材质为钴合金。其中，钴合金的弹性模量大，表面光洁度好，金属耐磨层20的厚度为0.2～5mm。钛合金的生物相容性好，具体地，可以采用钛六铝四钒、钛六铝七铌等。骨结合金属层10的厚度为1～3mm，其具有三维贯通的微孔，孔径为300～1000μm。上述微孔可以诱导人体骨细胞很好地长入微孔中，达到与骨结合金属层10内部绞锁，从而使双金属假体部件与人体骨结合牢固。此外，多孔金属结构能够明显地将金属材料的弹性模量降至与人体骨的弹性模量相一致，从而避免应力遮挡，使假体在人体内长期稳定。当然，骨结合金属层10和金属耐磨层20的材质、厚度及结构不限于此，在图中未示出的实施方式中，骨结合金属层10和金属耐磨层20也可以为符合要求的其他形式的材质、厚度及结构。

如图1所示，在实施例一的双金属假体部件中，过渡层30为钛钴合金，过渡层30的材质中的钛合金含量比例由骨结合金属层10至金属耐磨层20的方向逐渐递减，过渡层30的材质中的钴合金含量比例由骨结合金属层10至金属耐磨层20的方向逐渐递增。由于骨结合金属层10和金属耐磨层20分别采用两种金属材料，过渡层30为钛钴合金可以使材料的性能(如刚度、弹性模量等)有均匀的变化，不会产生因两种材料直接接合而产生接合不牢、热收缩不一致、弹性模量、刚度相差太大的问题。

具体地，过渡层30的厚度为b，b的层厚为0.02～5mm。由于3D打印的片层文件的厚度为a，3D打印设备的层厚的倍数n＝b/a。过渡层30的材质中的钛合金含量比例由骨结合金属层10至金属耐磨层20的方向按照1/n×100％的比例逐渐递减，过渡层30的材质中的钴合金含量比例由骨结合金属层10至金属耐磨层20的方向按照1/n×100％的比例逐渐递增。

如图1所示，在实施例一的双金属假体部件中，胫骨平台假体部件包括平台主体41和设置在平台主体41下方的支撑部42，金属耐磨层20、过渡层30以及骨结合金属层10的一部分形成平台主体41，骨结合金属层10的另一部分形成支撑部42。上述结构的胫骨平台假体结构简单，容易成型，易于实现。

如图2所示，实施例二的双金属假体部件与实施例一的主要区别在于，胫骨平台假体部件包括平台主体41和设置在平台主体41下方的支撑部42，金属耐磨层20、过渡层30的一部分以及骨结合金属层10的一部分形成平台主体41，过渡层30的另一部分及骨结合金属层10的另一部分形成支撑部42。上述结构的胫骨平台假体的强度高，可以有效地防止支撑部42断裂、或者支撑部42与平台主体41之间连接处断裂。

在现有技术中，膝关节的股骨髁一般采用钴合金材料制成。采用钴合金股骨髁虽然对聚乙烯垫片的磨损小，但是与人体骨的结合不好，其弹性模量与人体骨的弹性模量相差大，易产生应力遮挡，容易造成术后骨质疏松、退化，进而影响术后假体长期的稳定性。

如图3所示，实施例三的双金属假体部件与实施例一的主要区别在于，双金属假体部件为股骨髁假体部件。上述股骨髁假体部件包括骨结合金属层10、设置在骨结合金属层10一侧的金属耐磨层20以及设置在骨结合金属层10和金属耐磨层20之间的过渡层30。同时，骨结合金属层10、过渡层30以及金属耐磨层20通过激光或高能电子束快速成型技术熔融成型。上述结构可以有效地提高关节假体置换质量以及术后假体长期的稳定性。

在现有技术中，髋关节假体由股骨柄、股骨头、内衬、髋臼杯等组成。股骨柄、股骨头、髋臼杯采用金属材料制成，内衬采用医用高分子聚乙烯制成。其中，髋关节假体的股骨柄采用钛合金、钴合金或不锈钢材料制成。采用钛合金股骨柄虽然与人体骨的生物相容性好，但是关节表面光洁度不好，容易与聚乙烯垫片之间摩擦产生磨损颗粒，从而造成骨溶解。而采用钴合金股骨柄虽然对聚乙烯垫片的磨损小，但是与人体骨的结合不好，其弹性模量与人体骨的弹性模量相差大，易产生应力遮挡，容易造成术后骨质疏松、退化，进而影响术后假体长期的稳定性。

如图4所示，实施例四的双金属假体部件与实施例一的主要区别在于，双金属假体部件为股骨柄假体部件。上述股骨柄假体部件包括骨结合金属层10、设置在骨结合金属层10一侧的金属耐磨层20以及设置在骨结合金属层10和金属耐磨层20之间的过渡层30。同时，骨结合金属层10、过渡层30以及金属耐磨层20通过激光或高能电子束快速成型技术熔融成型。上述结构可以有效地提高关节假体置换质量以及术后假体长期的稳定性。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：本申请的双金属假体部件既能有效地使假体与骨结合，达到长期稳定，又能使假体关节面耐磨。同时，采用激光或高能电子束快速成型技术熔融成型技术能有效地避免两种金属材料熔合不好，性能不一致问题

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种双金属假体部件，其特征在于，包括骨结合金属层(10)、设置在所述骨结合金属层(10)一侧的金属耐磨层(20)以及设置在所述骨结合金属层(10)和所述金属耐磨层(20)之间的过渡层(30)，所述骨结合金属层(10)为多孔金属结构，所述多孔金属结构的弹性模量与人体骨的弹性模量相同，所述骨结合金属层(10)的材质为钛合金，所述金属耐磨层(20)的材质为钴合金，所述过渡层(30)为钛钴合金，所述过渡层(30)的材质中的钛合金含量比例由所述骨结合金属层(10)至所述金属耐磨层(20)的方向逐渐递减，所述过渡层(30)的材质中的钴合金含量比例由所述骨结合金属层(10)至所述金属耐磨层(20)的方向逐渐递增。

2.根据权利要求1所述的双金属假体部件，其特征在于，所述骨结合金属层(10)、所述过渡层(30)以及所述金属耐磨层(20)通过激光或高能电子束快速成型技术熔融成型。

3.根据权利要求1所述的双金属假体部件，其特征在于，所述双金属假体部件为股骨髁假体部件或股骨柄假体部件。

4.根据权利要求1所述的双金属假体部件，其特征在于，所述双金属假体部件为胫骨平台假体部件，所述胫骨平台假体部件包括平台主体(41)和设置在所述平台主体(41)下方的支撑部(42)，所述金属耐磨层(20)、所述过渡层(30)以及所述骨结合金属层(10)的一部分形成所述平台主体(41)，所述骨结合金属层(10)的另一部分形成所述支撑部(42)。

5.根据权利要求1所述的双金属假体部件，其特征在于，所述双金属假体部件为胫骨平台假体部件，所述胫骨平台假体部件包括平台主体(41)和设置在所述平台主体(41)下方的支撑部(42)，所述金属耐磨层(20)、所述过渡层(30)的一部分以及所述骨结合金属层(10)的一部分形成所述平台主体(41)，所述过渡层(30)的另一部分及所述骨结合金属层(10)的另一部分形成所述支撑部(42)。