CN106491247B - 一种用于人工假体的中空缓冲结构 - Google Patents

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Abstract

一种用于人工假体的中空缓冲结构，包括闭口薄壁部分和其外部的缓冲结构，闭口薄壁部分为封闭中空结构，位于人工假体内部，被缓冲结构包裹；缓冲结构为三维网格状，填充于闭口薄壁部分之外，人工假体外轮廓之内；闭口薄壁部分上设有排出闭口薄壁部分内部残留粉末的小通孔；闭口薄壁部分起到主要承载作用，需满足强度要求，缓冲结构起到促进应力从人工假体向骨的传导的作用，通过增材制造技术一体化制造的中空缓冲结构在满足强度要求的前提下，促进应力向骨传导，避免应力屏蔽引起的骨流失和松动，能够提高人工假体植入后的稳定性和使用寿命。

Description

一种用于人工假体的中空缓冲结构
技术领域
本发明属于人工假体技术领域，具体涉及一种用于人工假体的中空缓冲结构。
背景技术
人工假体是治疗各类骨缺损或严重关节疾病的最终极手段。现有人工假体产品以金属材料为主，植入后要在人体内长期承载。然而金属材料假体的刚度远大于人体骨骼，植入后会造成显著的应力屏蔽效应，假体承担了较多的应力而周围骨承担的应力减少。这种情况下，骨会根据所受应力情况发生改建，应力降低时骨组织会萎缩，引发假体远期松动。假体松动后，翻修手术的实施不仅会给病人带来额外的负担，同时，由于骨质流失引起的剩余骨量缺乏也会增加手术难度。
降低假体的刚度以获得与骨相近的弹性模量是解决远期松动的根本途径。具有多孔结构的假体被认为能够有效降低假体的结构刚度，一定程度解决假体植入后的远期松动问题，同时多孔结构能够为骨组织生长提供空间，实现远期生物固定。但是，假体孔隙率的提高不可避免的会带来强度的降低，因此低模量假体设计面临的核心问题就是假体结构刚度和强度之间的矛盾。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的缺点，本发明的目的在于提供一种用于人工假体的中空缓冲结构，避免人工假体植入后周围骨流失，提高人工假体植入后的稳定性和使用寿命。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种用于人工假体的中空缓冲结构，包括闭口薄壁部分1和其外部的缓冲结构2，闭口薄壁部分1为封闭中空结构，位于人工假体内部，被缓冲结构2包裹；缓冲结构2为三维网格状，填充于闭口薄壁部分1之外，人工假体外轮廓之内；所述的闭口薄壁部分1上设有排出闭口薄壁部分1内部残留粉末的小通孔3。
所述的闭口薄壁部分1的位置和厚度满足安全性要求，选定若干具有不同位置和厚度的闭口薄壁部分1的待选中空缓冲结构，在有限元分析中，根据所采用的材料，为闭口薄壁部分1赋予弹性模量，为缓冲结构2赋予弹性模量为0，通过有限元分析模拟待选中空缓冲结构植入后的应力分布；闭口薄壁部分1所受最大应力σmax满足安全条件：
其中，[σ]为中空缓冲结构所采用的材料的屈服强度，N为安全系数，最小值为1。
所述的缓冲结构2通过通过三维网格结构来构建，三维网格结构的相对密度的变化范围为20-80％，三维网格结构的支柱的截面尺寸的变化范围为0.2mm-5mm，在同一人工假体的缓冲结构2中，三维网格结构的相对密度和支柱的截面尺寸不一定在各处均相同。
所述的缓冲结构2在人工假体最外层形成的孔径范围为100μm-1mm。
所述的缓冲结构2与闭口薄壁部分1接触的三维网格结构的支柱与闭口薄壁部分1的外表面之间有圆角，圆角尺寸不超过该支柱的长度。
所述的小通孔3直径范围为500μm-2mm。
所述的用于人工假体的中空缓冲结构选用的材料包括具有生物相容性的金属材料、陶瓷材料、高分子材料或复合材料，采用增材制造技术一体化制造。
本发明的优点和效果在于：
1.本发明采用的中空薄壁结构能够在相同的截面面积和材料重量的情况下，具有较高的抗弯、抗扭能力。人工假体植入后主要承受三类载荷，即弯曲、压缩和扭转，通过有限元方法校核的中空薄壁结构能够在使用较少材料的情况下，为人工假体提供足够的强度，避免人工假体植入后折断。
2.本发明采用的多孔缓冲结构在植入后能够起到应力传导作用。由于多孔结构造成人工假体与骨接触区域的结构刚度降低，收到冲击后，人工假体可以通过形变来进行能量的传递，把应力通过低弹性模量的缓冲结构2传导到周围骨组织，从而降低对人工假体强度的要求，同时有效避免应力屏蔽导致骨组织的改建和流失。另一方面，多孔结构为骨组织的生长提供空间，加之骨组织受到的力学刺激程度提高，最终在植入后，骨组织可以向多孔部分内向生长，形成坚强的生物固定，更有利于人工假体的长期稳定性。
3.本发明通过中空的闭口薄壁部分1为假体提供有效的强度支撑，通过薄壁连接缓冲结构的设计来引导应力通过人工假体向径向周围骨的传导和后期生物固定的形成，能够解决人工假体的强度要求和结构刚度之间的矛盾，提供兼具安全性和稳定性的人工假体结构设计思路。
本发明通过内部闭口薄壁结构提供有效的强度支撑，外部多孔缓冲结构降低人工假体与骨接触部分的刚度，从而削弱人工假体植入后的应力屏蔽效应，避免人工假体植入后周围骨流失，提高人工假体植入后的稳定性和使用寿命。
附图说明
图1为本发明的示意图。
图2为图1的A-A截面示意图。
图3为图1的I处放大图。
图4为实施例1具有中空缓冲结构的人工髋关节股骨柄示意图。
图5为图4的B-B截面示意图。
图6为实施例2具有中空缓冲结构的胫骨托盘示意图
图7为图6的C-C截面示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述。
如图1和图2所示，一种用于人工假体的中空缓冲结构，包括闭口薄壁部分1和其外部的缓冲结构2，闭口薄壁部分1为封闭中空结构，位于人工假体内部，被缓冲结构2包裹；缓冲结构2为三维网格状，填充于闭口薄壁部分1之外，人工假体外轮廓之内；所述的闭口薄壁部分1上设有排出闭口薄壁部分1内部残留粉末的小通孔3，小通孔3直径范围为500μm-2mm。
所述的闭口薄壁部分1的位置和厚度满足安全性要求，选定若干具有不同位置和厚度的闭口薄壁部分1的待选中空缓冲结构，在有限元分析中，根据所采用的材料，为闭口薄壁部分1赋予弹性模量，为缓冲结构2赋予弹性模量为0，通过有限元分析模拟待选中空缓冲结构植入后的应力分布；闭口薄壁部分1所受最大应力σmax满足安全条件：
其中，[σ]为中空缓冲结构所采用的材料的屈服强度，N为安全系数，最小值为1。
如图3所示，所述的缓冲结构2通过三维网格结构来构建，三维网格结构的相对密度的变化范围为20-80％，三维网格结构的支柱的截面尺寸的变化范围为0.2mm-5mm，在同一人工假体的缓冲结构2中，三维网格结构的相对密度和支柱的截面尺寸不一定在各处均相同。所述的缓冲结构2在人工假体最外层形成的孔径范围为100μm-1mm。所述的缓冲结构2与闭口薄壁部分1接触的三维网格结构的支柱与闭口薄壁部分1的外表面之间有圆角，圆角尺寸不超过该支柱的长度。
所述的用于人工假体的中空缓冲结构选用的材料包括具有生物相容性的金属材料、陶瓷材料、高分子材料或复合材料，采用增材制造技术一体化制造。
下面结合实施例对本发明作详细描述。
实施例1，具有中空缓冲结构的人工髋关节股骨柄：如图4和图5所示，该人工髋关节股骨柄主要包括颈部实体部分4和中空缓冲部分5，其中中空缓冲部分5包括闭口薄壁部分1和缓冲结构2。闭口薄壁部分1为封闭中空结构，位于人工髋关节股骨柄内部，被缓冲结构2包裹；缓冲结构2由三维网格状的多孔结构组成，填充于闭口薄壁部分1之外，人工髋关节股骨柄外轮廓之内。在闭口薄壁部分1的顶端有小通孔3，小通孔3直径为1mm，与人工髋关节股骨柄的定位孔相连，起到排出闭口薄壁部分1内部残留粉末的作用。
在有限元软件ABAQUS(6.12，Simulia，法国)中建立k个(k>1)待选人工髋关节股骨柄模型，编号为1～k，这些待选人工髋关节股骨柄模型的外轮廓完全相同而具有不同形状和厚度的闭口薄壁部分1；在有限元前处理中，为待选人工髋关节股骨柄模型的闭口薄壁部分1赋予弹性模量为110GPa，即医用钛合金的弹性模量，为待选人工髋关节股骨柄模型的缓冲结构2赋予弹性模量为0；将这k个待选人工髋关节股骨柄模型在ABAQUS中与股骨模型装配，形成股骨柄-股骨有限元模型；参照股骨周围的力学环境为股骨柄-股骨有限元模型施加载荷和边界条件，并提交计算；在股骨柄-股骨有限元模型计算得到的计算结果中，根据公式(1)计算第i个(1≤i≤k)待选人工髋关节股骨柄模型的闭口薄壁部分1的安全系数Ni：
其中[σ]＝800MPa，为医用钛合金的屈服强度。在满足Ni>3的待选人工髋关节股骨柄模型中，取安全系数Ni最小的待选人工髋关节股骨柄模型为选定人工髋关节股骨柄模型。
缓冲结构2填充于选定人工髋关节股骨柄模型的闭口薄壁部分1之外，外轮廓之内，通过三维网格结构来构建，缓冲结构2的相对密度从内到外的变化范围为70-30％，缓冲结构2的三维网格结构的支柱的截面尺寸的变化范围为2mm-0.5mm，缓冲结构2在人工髋关节股骨柄最外层形成的孔径范围为200μm-400μm，缓冲结构2和闭口薄壁部分1接触的三维网格结构的支柱与闭口薄壁部分1的外表面之间有圆角，圆角尺寸为1mm。
具有中空缓冲结构的人工髋关节股骨柄选用的材料为医用钛合金材料，采用激光选区熔化技术一体化制造。
实施例2：具有中空缓冲结构的的胫骨托盘：如图6和图7所示，该胫骨托盘包括托盘实体部分6和中空缓冲部分5，其中中空缓冲部分5包括闭口薄壁部分1和缓冲结构2。闭口薄壁部分1为封闭中空结构，位于胫骨托盘下部，被缓冲结构2包裹；缓冲结构2由三维网格状的多孔结构组成，填充于闭口薄壁部分1之外，胫骨托盘外轮廓之内。在闭口薄壁部分1的顶端有小通孔3，小通孔3直径为1mm，位于胫骨托盘底部中心，起到排出闭口薄壁部分1内部残留粉末的作用。
胫骨托盘的闭口薄壁部分1的形貌为沿胫骨托盘中轴线7展开的回转体，胫骨托盘的闭口薄壁部分1的径向厚度t和其内壁与其轴线的距离r的大小通过以下方法确定：
1)具有中空缓冲结构的胫骨托盘的外表面到闭口薄壁部分1的胫骨托盘中轴线7的最小距离为R＝8mm，则闭口薄壁部分1的径向厚度t和其内壁与胫骨托盘中轴线7的距离r取值范围为1～8mm，设取值间隔s为1mm。在0-8mm的范围内，每间隔1mm，为闭口薄壁部分1的径向厚度t和其内壁与胫骨托盘中轴线7的距离r确定待选值；
2)在所有闭口薄壁部分1的径向厚度t和其内壁与胫骨托盘中轴线7的距离r的待选值中，选出所有满足t+r<8mm的组合作为待选组合，待选组合总数为21个，编号为1～21；
3)根据待选组合的值，建立待选胫骨托盘模型，并将其导入有限元软件ABAQUS中，为待选胫骨托盘模型的闭口薄壁部分1赋予弹性模量为110GPa，即钴铬钼合金的弹性模量，为待选人工髋关节股骨柄模型的缓冲结构2赋予弹性模量为0；将这21个待选胫骨托盘模型在ABAQUS中与胫骨模型装配，形成胫骨托盘-胫骨有限元模型；参照膝关节周围的力学环境为胫骨托盘-胫骨有限元模型施加载荷和边界条件，并提交计算；在胫骨托盘-胫骨有限元模型得到的计算结果中，根据公式(1)计算第j个(1≤j≤21)待选胫骨托盘模型的闭口薄壁部分1的安全系数Nj
在满足Nj>3的待选胫骨托盘模型中，取安全系数Nj最小的待选胫骨托盘模型为选定胫骨托盘模型。
缓冲结构2填充于选定胫骨托盘模型的闭口薄壁部分1之外，外轮廓之内，通过三维网格结构来构建，缓冲结构2的相对密度从内到外的变化范围为60-30％，缓冲结构2的三维网格结构的支柱的截面尺寸的变化范围为2mm-0.5mm，缓冲结构2在胫骨托盘最外层形成的孔径范围为200μm-400μm，缓冲结构2和闭口薄壁部分1接触的三维网格结构的支柱与闭口薄壁部分1的外表面之间有圆角，圆角尺寸为1mm。
具有中空缓冲结构的胫骨托盘选用的材料为医用钛合金材料，采用激光选区熔化技术一体化制造。

Claims (6)

1.一种用于人工假体的中空缓冲结构，包括闭口薄壁部分(1)和其外部的缓冲结构(2)，其特征在于：闭口薄壁部分(1)为封闭中空结构，位于人工假体内部，被缓冲结构(2)包裹；缓冲结构(2)为三维网格状，填充于闭口薄壁部分(1)之外，人工假体外轮廓之内；所述的闭口薄壁部分(1)上设有排出闭口薄壁部分(1)内部残留粉末的小通孔(3)；
所述的闭口薄壁部分(1)的位置和厚度满足安全性要求，选定若干具有不同位置和厚度的闭口薄壁部分(1)的待选中空缓冲结构，在有限元分析中，根据所采用的材料，为闭口薄壁部分(1)赋予弹性模量，为缓冲结构(2)赋予弹性模量为0，通过有限元分析模拟待选中空缓冲结构植入后的应力分布；闭口薄壁部分(1)所受最大应力σmax满足安全条件：
<mrow> <msub> <mi>&amp;sigma;</mi> <mrow> <mi>m</mi> <mi>a</mi> <mi>x</mi> </mrow> </msub> <mo>&lt;</mo> <mfrac> <mrow> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mi>&amp;sigma;</mi> <mo>&amp;rsqb;</mo> </mrow> <mi>N</mi> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中，[σ]为中空缓冲结构所采用的材料的屈服强度，N为安全系数，最小值为1。
2.根据权利要求1所述的一种用于人工假体的中空缓冲结构，其特征在于：所述的缓冲结构(2)通过三维网格结构来构建，三维网格结构的相对密度的变化范围为20-80％，三维网格结构的支柱的截面尺寸的变化范围为0.2mm-5mm，在同一人工假体的缓冲结构(2)中，三维网格结构的相对密度和支柱的截面尺寸不一定在各处均相同。
3.根据权利要求1所述的一种用于人工假体的中空缓冲结构，其特征在于：所述的缓冲结构(2)在人工假体最外层形成的孔径范围为100μm-1mm。
4.根据权利要求1所述的一种用于人工假体的中空缓冲结构，其特征在于：所述的缓冲结构(2)与闭口薄壁部分(1)接触的三维网格结构的支柱与闭口薄壁部分(1)的外表面之间有圆角，圆角尺寸不超过该支柱的长度。
5.根据权利要求1所述的一种用于人工假体的中空缓冲结构，其特征在于：所述的小通孔(3)直径范围为500μm-2mm。
6.根据权利要求1所述的一种用于人工假体的中空缓冲结构，其特征在于：所述的用于人工假体的中空缓冲结构选用的材料包括具有生物相容性的金属材料、陶瓷材料、高分子材料或复合材料，采用增材制造技术一体化制造。
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