CN106214307A

CN106214307A - 一种骨科外固定支具的3d打印制备方法

Info

Publication number: CN106214307A
Application number: CN201610659995.1A
Authority: CN
Inventors: 王红; 滕安军; 阚生东
Original assignee: QINGDAO UNIQUE PRODUCTS DEVELOP CO Ltd
Current assignee: QINGDAO UNIQUE PRODUCTS DEVELOP CO Ltd
Priority date: 2016-08-12
Filing date: 2016-08-12
Publication date: 2016-12-14

Abstract

本发明公开了一种骨科外固定支具的3D打印制备方法，包括以下步骤：1）获取患者肢体矫形部位信息；2）基于矫形部位信息，建立骨科外固定支具的初步三维模型；3）建立骨科外固定支具的物理本构模型，采用有限元方法进行生物力学分析；4）基于生物力学分析，更新骨科外固定支具的初步三维模型数据；5）基于骨科外固定支具更新后的三维模型数据，设计骨科外固定支具的最终三维模型，将所述最终三维模型数据输入到3D打印系统中，一体打印成型得到所述骨科外固定支具。解决了现有技术中外固定支具与肢体矫形部位吻合程度低、容易造成软组织损伤、抗菌性不够、定制时间长且成本高的技术问题。

Description

一种骨科外固定支具的3D打印制备方法

技术领域

本发明属于医疗器械技术领域，具体涉及一种骨科外固定支具的3D打印制备方法。

背景技术

对骨科外固定支具的研究一直是骨科患者救治中最基本和最活跃的领域，从最初的小夹板到石膏绷带、热塑性夹板、可卸式泡沫夹板、高分子夹板等的发明与应用均给创伤骨科患者的治疗带来了更加有效的方法。但是因为受材料、工艺、成本的限制，现有的骨科外固定支具还存在以下问题：（1）与患者肢体接触部分的支具材料硬度基本一致，可能过硬而造成软组织损伤；（2）抗菌性不够，长时间佩戴后滋生细菌；（3）与患者软组织外形吻合度不够；（4）不够轻便、不方便清洗。

发明内容

本发明提供了一种骨科外固定支具的3D打印制备方法，解决了现有技术中外固定支具与肢体矫形部位吻合程度低、容易造成软组织损伤、抗菌性不够、定制时间长且成本高的技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用下述技术方案予以实现。

一种骨科外固定支具的3D打印制备方法，包括以下步骤：

1）获取患者肢体矫形部位信息；

2）基于矫形部位信息，建立骨科外固定支具的初步三维模型；

3）建立骨科外固定支具的物理本构模型，采用有限元方法进行生物力学分析；

4）基于生物力学分析，更新骨科外固定支具的初步三维模型数据；

5）基于骨科外固定支具更新后的三维模型数据，设计骨科外固定支具的最终三维模型，将所述最终三维模型数据输入到3D打印设备中，一体打印成型得到所述骨科外固定支具。

为了保证患者肢体矫形部位信息的精确度，所述步骤1）中使用三维扫描仪或者借助患者肢体矫形部位的CT与核磁共振扫描数据提取患者肢体矫形部位信息。

为了保证最终制得的骨科外固定支具具有硬度梯度，所述初步三维模型中包括支撑着力部位、软组织接触部位和镂空结构。

为了方便脱带，所述骨科外固定支具的开口边缘设置有搭扣或自粘带。

进一步的，所述步骤3）中在进行生物力学分析时，最终需要确定骨科外固定支具的硬度、厚度、松紧度、蜂窝状结构填充密度、镂空所占面积比。

为了实现多种材料同时打印，所述步骤5）的3D打印设备选用熔融层积型多喷头打印机，具备至少两个打印喷头，每个打印喷头中添加不同打印材料，每个打印喷头分别控制打印温度。

进一步的，所述打印材料是热塑性塑料、碳纤维增强塑料、橡胶中一种或几种。

为了长期释放远红外线与负离子，促进局部血液循环，防潮杀菌，所述打印材料中添加有远红外粉和/或天然矿石粉，所述远红外粉的添加量是材料总质量的1-5%；所述天然矿石粉的添加量是材料总质量的0.5-5%。

进一步的，所述远红外粉选自能量粉或竹炭纤维粉末。

进一步的，所述天然矿石粉末选自古海岩或海鸥石。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明中骨科外固定支具的制备方法，首先获取精确的三维形态信息，结合患者肢体矫形部位信息和生理解剖结构建立初步三维模型，然后通过有限元分析方法对初步三维模型进行生物力学分析，并对初步三维模型的硬度进行多次调整，因此本实施例的骨科外固定支具与肢体矫形部位吻合程度高。最终三维模型确定后采用3D打印机一体打印成型；所述骨科外固定支具的软硬度可调，根据与患者肢体接触部位的着力点与周围组织的情况，通过改变软硬材料配比、蜂窝结构填充密度、镂空所占面积比，从而改变局部硬度，形成硬度梯度变化，满足校正力学强度，同时不造成软组织损伤。

附图说明

图1为本实施例的骨科外固定支具的3D打印制备方法的流程图；

图2为实施例1中手腕骨折固定支具的结构图；

图3为实施例2中脊柱侧凸矫形支具的结构图。

图中标注：腕部101，前臂部102，脊柱部位201，周边部位202，镂空103和203，搭扣104和204。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细的说明。

本实施例为了满足骨科外固定支具中支撑着力部位所需的材料较硬，而与软组织接触部位所需的材料较软的要求，提供了一种骨科外固定支具的3D打印制备方法，如图1所示，步骤为：

1）获取患者肢体矫形部位信息；

由于患者肢体矫形部位由骨骼及软组织构成，结构复杂，需要使用三维扫描仪准确的获取肢体矫形部位的三维形态信息，例如使用专业的三维激光扫描仪或手持式三维扫描仪等，所述三维扫描仪的扫描精度优于0.1mm，能够在较短的时间内准确获取患者肢体矫形部位信息，便捷而且准确度高；

或者借助患者肢体矫形部位的CT与核磁共振扫描数据提取患者肢体矫形部位信息的三维形态信息。

2）基于患者肢体矫形部位信息，建立骨科外固定支具的初步三维模型；

所述初步三维模型中包括较硬的支撑着力部位、较软的软组织接触部位和镂空结构；开口边缘还设置有方便脱穿的搭扣或自粘带。所述支撑着力部位和软组织接触部位上非镂空的部位（以下简称实体结构）是蜂窝状结构。可以通过改变软硬材料的质量配比，或通过调节镂空结构的面积及分布，或通过改变蜂窝状结构的内部填充结构和填充率，来改变支具上局部位置的硬度。所述支撑着力部位的洛氏硬度为1.8-2.5，软组织接触部位的洛氏硬度为1.4-1.6（皮肤的洛氏硬度为1.5）。

所述初步三维模型用于后续的生物力学分析，在生物力学分析后，三维模型数据需要更新，并最终确定准确的三维模型数据。

3）采用有限元方法建立骨科外固定支具的物理本构模型，进行生物力学分析；

在进行生物力学分析时，根据所用材料、结构、患者体型、患者病情、患者年龄等因素，最终确定骨科外固定支具的硬度、厚度、松紧度、蜂窝状结构填充密度、镂空所占面积比。

4）基于生物力学分析，更新步骤2）中骨科外固定支具的初步三维模型数据；

5）基于骨科外固定支具更新后的三维模型数据，确定骨科外固定支具的最终三维模型，将所述最终三维模型数据输入到3D打印设备中，一体打印成型得到所述骨科外固定支具；

所述3D打印设备选用熔融层积（FDM）型多喷头打印机，具备至少两个打印喷头，每个打印喷头中添加不同材料，每个打印喷头分别控制打印温度，在打印过程中严格控制每个喷头的出料质量和出料速率，从而控制可以实现多种材料同时打印。打印速度为10-50mm/s，喷头直径为0.2mm或0.4mm。

所述骨科外固定支具的材料可以是热塑性塑料、碳纤维增强塑料、橡胶中一种或几种。其中所述热塑性塑料选自聚乙烯（PE ）、聚氯乙烯（PVC）、聚丙烯（PP ）、聚苯乙烯（PS）、丙烯腈－丁二烯－苯乙烯（ABS）、尼龙（Nylon )、聚碳酸酯（PC ）或聚氨酯（PU）。

其中聚乙烯（PE ）打印温度为130℃-140℃，聚氯乙烯（PVC）的打印温度为150℃-200℃，聚丙烯（PP ）的打印温度为150℃-180℃，聚苯乙烯（PS ）的打印温度为160℃-180℃，丙烯腈－丁二烯－苯乙烯（ABS）的打印温度为160℃-180℃、尼龙（Nylon )的打印温度为110℃-130℃、聚碳酸酯（PC ）的打印温度为230℃-250℃、聚氨酯（PU）的打印温度为170℃-190℃。

所述骨科外固定支具的材料中还添加有远红外粉和天然矿石粉，能长期释放波长为2-16μm的远红外线和负离子，远红外发射率高于90%，能够促进血液循环，防潮杀菌，提高了所述骨科外固定支具的抗菌性，能够长时间佩戴。所述远红外粉选自能量粉或竹炭纤维粉末，添加量是材料总质量的1-5%；所述能量粉是托玛琳粉或负离子粉。所述天然矿石粉末选自古海岩或海鸥石，添加量是材料总质量的0.5-5%。

本实施例中骨科外固定支具的制备方法，首先获取精确的三维形态信息，结合患者肢体矫形部位信息和生理解剖结构建立初步三维模型，然后通过有限元分析方法对初步三维模型进行生物力学分析，并对初步三维模型的硬度进行多次调整，因此本实施例的骨科外固定支具与肢体矫形部位吻合程度高。最终三维模型确定后采用3D打印机一体打印成型；所述骨科外固定支具的软硬度可调，根据与患者肢体接触部位的着力点与周围组织的情况，通过改变软硬材料的质量配比，或通过调节镂空结构的面积及分布，或通过改变蜂窝状结构填充密度，改变局部硬度，形成硬度梯度变化，满足校正力学强度，同时不造成软组织损伤。本实施例中骨科外固定支具的制备方法，准确性高，无需反复试制修改，简化了制备步骤，缩短了定制时间，且降低了成本。

本实施例制备得到的骨科外固定支具具有硬度梯度变化、所使用的材料轻便合体、透气性好。添加竹炭纤维与天然矿石粉末，使得矫形器材料能长期释放远红外线与负离子，促进局部血液循环，防潮杀菌。通过设置镂空结构，增强透气性，减轻重量，提高佩戴舒适度；具有搭扣，脱穿自主，方便清洗。

实施例1

如图2所示，为手腕骨折固定支具的结构图，包括具有较高局部硬度的腕部101、较低硬度的前臂部102，支具开口部位设有搭扣104；腕部101处的镂空103占比小，硬度高；前臂部102处的镂空103占比大，硬度低。

经生物力学分析，所需腕部101的洛氏硬度为1.8，前臂部102的洛氏硬度为1.4（皮肤的洛氏硬度为1.5）。本实施例所采用的材料为聚乙烯，通过调整不同部位实体结构的填充结构与材料填充密度改变软硬度，同时设定腕部101镂空所占面积比为20-40%，前臂部镂空所占面积比为40-80%。

所述支具采用的材料中添加了材料总质量2%的竹炭纤维粉末，同时添加了材料总质量2%的海鸥石，能长期释放远红外线与负离子，促进局部血液循环，防潮杀菌。

本实施例的支具采用3D打印完成，聚乙烯打印温度为130℃，打印速度为25 mm/s，喷头直径为0.2mm。

实施例2

如图3所示，为脊柱侧凸矫形支具的结构图，包括具有较高局部硬度的脊柱部位201、较低硬度的周边部位202、支具开口部位设有搭扣204；脊柱部位201没有镂空或仅有小部分镂空；周边部位202布满镂空203，硬度低。通过改变软硬材料配比或蜂窝结构填充率改变硬度，相对周边部位202其硬度高。

经生物力学分析，所需脊柱部位201的洛氏硬度为2.5，周边部位202的洛氏硬度为1.6（皮肤的洛氏硬度为1.5）。本实施例中脊柱部位201采用聚丙烯，周边部位202采用聚氯乙烯，脊柱部位201镂空所占面积比为0-20%，周边部位202镂空所占面积比为30-90%。

所述支具采用的材料中添加了材料总质量5%的托玛琳粉，同时添加了材料总质量5%的古海岩，能长期释放远红外线与负离子，促进局部血液循环，防潮杀菌。

本实施例的支具采用3D打印完成，聚丙烯的打印温度为160℃，聚氯乙烯的打印温度为180℃，打印速度为50 mm/s，喷头直径为0.4mm。

以上实施例仅是本发明若干种优选实施方式中的几种，应当指出，本发明不限于上述实施例；对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种骨科外固定支具的3D打印制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）获取患者肢体矫形部位信息；

2.根据权利要求1所述的一种骨科外固定支具的3D打印制备方法，其特征在于，所述步骤1）中使用三维扫描仪或者借助患者肢体矫形部位的CT与核磁共振扫描数据提取患者肢体矫形部位信息。

3.根据权利要求1所述的一种骨科外固定支具的3D打印制备方法，其特征在于，所述初步三维模型中包括支撑着力部位、软组织接触部位和镂空结构。

4.根据权利要求1所述的一种骨科外固定支具的3D打印制备方法，其特征在于，所述骨科外固定支具的开口边缘设置有搭扣或自粘带。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种骨科外固定支具的3D打印制备方法，其特征在于，所述步骤3）中在进行生物力学分析时，最终需要确定骨科外固定支具的硬度、厚度、松紧度、蜂窝状结构填充密度、镂空所占面积比。

6.根据权利要求5所述的一种骨科外固定支具的3D打印制备方法，其特征在于，所述步骤5）的3D打印设备选用熔融层积型多喷头打印机，具备至少两个打印喷头，每个打印喷头中添加不同打印材料，每个打印喷头分别控制打印温度。

7.根据权利要求6所述的一种骨科外固定支具的3D打印制备方法，其特征在于，所述打印材料是热塑性塑料、碳纤维增强塑料、橡胶中一种或几种。

8.根据权利要求7所述的一种骨科外固定支具的3D打印制备方法，其特征在于，所述打印材料中添加有远红外粉和/或天然矿石粉，所述远红外粉的添加量是材料总质量的1-5%；所述天然矿石粉的添加量是材料总质量的0.5-5%。

9.根据权利要求8所述的一种骨科外固定支具的3D打印制备方法，其特征在于，所述远红外粉选自能量粉或竹炭纤维粉末。

10.根据权利要求8所述的一种骨科外固定支具的3D打印制备方法，其特征在于，所述天然矿石粉末选自古海岩或海鸥石。