CN108294849B - 一种可变模量的个性化股骨柄假体及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可变模量的个性化股骨柄假体及制造方法，该个性化股骨柄假体不仅仅在形状上满足个性化股骨髓腔的要求，而且根据其受力分析对其个性化外形主体结构进行拓扑优化，获得空间主体架构，通过梯度自由贯通的多孔结构包络主体架构，外形上与股骨髓腔形状匹配。梯度自由贯通多孔结构的变化依据股骨柄接触面、股骨柄受力及弹性模量匹配等多种约束进行设计，实现空间上可变模量，个性化股骨柄假体采用激光选区熔化方式制备，在清洗消毒后，填充诱导骨生长可降解羟基复合材料，封装消毒备使用。
Description
技术领域
本发明属于金属3D打印个性化髋臼股骨柄假体领域，尤其是涉及到一种可变模量的个性化股骨柄假体及制造方法。
背景技术
目前金属植入体假体，其重量比较重，弹性模量远高于骨本身，且与骨结合相对比较难，易产生微动，因此植入假体多采用骨水泥固定，目前也有部分假体开始采用生物型多孔假体，但是其形式相对比较单一，部分要求上无法满足实际应用要求。
人体中松质骨的弹性模量为1.3GPa，密质骨的弹性模量为18GPa，而股骨柄假体所使用的材料大多为钛及其合金等，它们的弹性模量大致在100GPa～200GPa范围内，远远大于人体骨胳的弹性模量，弹性模量过高会使得股骨柄假体的力学性能无法与骨相互匹配，从而导致股骨柄假体的松动。股骨柄植入人体一段时间后，弹性模量过高的股骨柄假体近端会产生应力屏蔽效应，根据Wolf骨重建定律，股骨会根据应力所处环境再次分布应力，应力的再次分布会导致骨内矿物质密度减少，使得股骨本体近端缺乏有效支撑而造成股骨柄假体的松动，最终影响股骨柄假体的使用寿命。
根据Gibson模型，弹性模量与多孔结构有关，因此，为了避免股骨柄本体假体的松动，可以根据股骨密度分布情况，利用多孔结构设计股骨柄假体，从而减少股骨柄假体的松动，增加其使用寿命。
发明内容
为解决股骨柄假体应力屏蔽效应，本发明提供一种可变模量的个性化股骨柄假体，该个性化股骨柄假体不仅仅在形状上满足个性化股骨髓腔的要求，而且经过个性化外形设计、主体架构受力优化、多孔结构自由填充等设计，使得假体等效股骨弹性模量，且具有防止下沉、松动和扭转的特点。为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明一种可变模量的个性化股骨柄假体，包括股骨柄头部、颈部和仿髓腔体，所述仿髓腔体外部与骨髓腔匹配，内部设有拓扑优化的空间主体架构以及填充空间主体架构的多孔结构，所述可变模量的个性化股骨柄假体通过激光选区熔化方式制备，假体消毒后，填充诱导骨长入可降解羟基复合材料；
根据患者CT/MRI医学影像数据，利用影像灰度值区分进行遮掩，遮掩部分叠层形成三维股骨近端模型，对股骨近端受力分析与骨质分析完成后，设计股骨柄头部、并结合根据医学影像重建颈部三维模型；
利用医学影像重建三维模型，通过布尔运算设计股骨柄仿髓腔体，并根据仿髓腔体受力分析，拓扑优化设计仿髓腔体的空间主体架构；
根据空间主体架构与骨髓腔接触部分不同区域的骨质情况，设计与其弹性模量匹配的多孔结构，并填充对应空间主体架构区域。
在植入前，仿髓腔体中的多孔结构内部可填充羟基磷灰石生物材料以及相应的药物缓释生物材料，促进防止感染同时促进骨细胞长入。
作为优选的技术方案，所述股骨柄整体空间架构是在个性化股骨柄实体模型上，经过受力拓扑优化获得的空间复杂的主体架构。
作为优选的技术方案，所述股骨柄为生物型，采用可变模量的自由贯通多孔结构形成与患者髓腔相匹配的个性化股骨柄外形。
作为优选的技术方案，所述空间主体架构截面中的孔隙最长长度100μm-1000μm。
作为优选的技术方案，多孔结构呈现可连续变化，股骨柄假体近端至股骨远端的多孔结构最小尺寸单元是先逐渐递减再逐渐递增，股骨柄假体近端和远端内侧至外侧的多孔结构最小尺寸单元呈逐渐递增的趋势。
本发明可变模量的个性化股骨柄假体的制造方法，包括下述步骤：
S1、根据患者CT/MRI医学影像数据，利用影像灰度值区分进行遮掩，遮掩部分叠层形成三维股骨近端模型，对股骨近端受力分析与骨质分析完成后，设计股骨柄头部、并结合根据医学影像重建颈部三维模型；
S2、利用医学影像重建三维模型，通过布尔运算设计股骨柄仿髓腔体，并根据仿髓腔体受力分析，拓扑优化设计仿髓腔体的空间主体架构；
S3、根据空间主体架构与骨髓腔接触部分不同区域的骨质情况，设计与该区域弹性模量匹配的多孔结构，并填充对应空间主体架构区域；
S4、经过个性化外形设计、主体架构受力优化、多孔结构自由填充步骤的设计，使股骨柄外形与患者骨髓腔个性化匹配；
S5、股骨假体的多孔结构单元尺寸在一定程度上呈双梯度变化，股骨柄假体内侧至外侧的多孔结构最小单元尺寸逐渐递增，股骨柄仿髓腔体填充的多孔结构从股骨柄颈部到末端其最小单元尺寸先逐渐递减再逐渐递增；
S6、由可变多孔结构结构填充空间主体结构的仿髓腔体、颈部、头部三部分组成的个性化股骨柄假体是利用激光选区熔化3D打印来制备的；
S7、在成型前股骨柄假体的CAD模型经过分层，采用轮廓与层间交错结合的扫描方式，利用激光表面二次扫描方式实现单层打印，最终通过层与层直接冶金结合形成三维实体；
S8、3D打印成型后，先对股骨柄进行清洗消毒，然后在内部填充诱导骨细胞长入、骨接触可降解的羟基复合材料以及具有防感染药物缓释作用的复合材料，封装消毒备使用。
作为优选的技术方案，步骤S6中，利用激光选区熔化3D打印制备时所选材料为生物兼容性金属材料，包括钛合金、CoCr合金或具有超弹性的NiTi合金。
作为优选的技术方案，步骤S8中，填充羟基磷灰石生物材料以及相应的药物缓释生物材料。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明一种可变模量的个性化股骨柄假体改进了实际应用过程中，股骨柄假体的弹性模量远远高于人体骨骼的弹性模量，使得股骨柄假体难以与骨骼良好匹配的问题。
2、常见的Ti6AL4V股骨柄假体的弹性模量为110GPa，而人体骨胳的弹性模量为1～30GPa，假体的弹性模量远远高于骨胳，使得骨胳与假体无法良好匹配。本发明通过多梯度自由贯通的多孔结构来调控个性化股骨柄假体的等效弹性模量，使得股骨柄假体的弹性模量与骨胳吻合，达到假体与骨胳完全匹配的目的。
3、本发明一种可变模量的个性化股骨柄假体经过个性化外形设计、主体架构受力优化、多孔结构自由填充等设计，不仅仅满足个性化股骨髓腔的要求，而且能够更好地防止股骨柄假体下沉、松动问题，使得假体与骨胳完全匹配，增强假体植入体内的稳定性、可靠性。
附图说明
图1为个性化骨髓腔三维重建及股骨头切骨后形貌；
图2为优化后个性化股骨柄假体拓扑与多梯度自由贯通多孔结构的主体结构及组合装配后的一种可变模量的个性化股骨柄假体；
图3为一种可变模量的个性化股骨柄假体；
图4为多孔结构局部放大图；
图5为一种可变模量的个性化股骨柄假体设计流程图。
其中，1-股骨柄头部，2-颈部，3-仿髓腔体，4-主体架构，5-多孔结构，6-骨髓腔。
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(1)中的(a)部分、(b)部分，图2中的(a)部分、(b)部分、(c)部分以及图3所示，本发明一种可变模量的个性化股骨柄假体包括：包括股骨柄头部1、颈部2和仿髓腔体3，所述仿髓腔体外部与骨髓腔6匹配，内部设有拓扑优化的空间主体架构4以及填充空间主体架构的多孔结构5，所述可变模量的个性化股骨柄假体通过激光选区熔化方式制备，假体消毒后，填充诱导骨长入可降解羟基复合材料。
根据患者CT/MRI医学影像数据，利用影像灰度值区分进行遮掩，遮掩部分叠层形成三维股骨近端模型，对股骨近端受力分析与骨质分析完成后，设计股骨柄头部、并结合根据医学影像重建颈部三维模型；
利用医学影像重建三维模型，通过布尔运算设计股骨柄仿髓腔体，并根据仿髓腔体受力分析，拓扑优化设计仿髓腔体的空间主体架构；
根据空间主体架构与骨髓腔接触部分不同区域的骨质情况，设计与其弹性模量匹配的多孔结构，并填充对应空间主体架构区域。
在植入前，仿髓腔体中的多孔结构内部可填充羟基磷灰石生物材料以及相应的药物缓释生物材料，促进防止感染同时促进骨细胞长入。
本实施例假体的外部形体与髓腔匹配自由贯通的多孔结构受细胞可长入、股骨柄受力、与骨接触弹性模量和应变量、激光选区熔化3D打印过程中无支撑悬垂结构等多重约束，多孔结构支柱截面中的孔隙最长长度100μm-1000μm。如图4所示，假体的股骨柄近端和股骨柄远端都为多孔结构，多孔结构呈现可连续变化，股骨柄近端和股骨柄远端内侧至外侧的多孔结构最小单元尺寸逐渐递增，股骨柄近端至股骨柄远端的多孔结构最小单元尺寸先逐渐递减再逐渐递增，在股骨柄远端与近端的交界处达到最小值。
如图5所示，该可变模量的个性化股骨柄假体的设计方法是先根据受力分析，对其个性化的主体进行了拓扑优化，获得空间主体架构，通过梯度自由贯通的多孔结构包络主体架构。经过个性化外形设计、主体架构受力优化、多孔结构自由填充等步骤的设计，不仅仅满足了个性化骨髓腔匹配要求。而且能够很好的与患者骨髓腔个性化匹配。采用可变模量的自由贯通多孔结构形成与患者髓腔相匹配的个性化股骨柄外形。股骨近端和股骨远端都为多孔结构，利用多孔结构来控制股骨假体的弹性模量，使得股骨假体更好的与骨骼相匹配。股骨假体的多孔结构单元尺寸呈双梯度变化，股骨柄假体近端和远端内侧至外侧的多孔结构最小单元尺寸逐渐递增，股骨近端至股骨远端的多孔结构最小单元尺寸先逐渐递减再逐渐递增，在股骨近端与远端交界区域达到最小值。个性化股骨柄假体是利用激光选区熔化技术来制备的，假体的CAD模型经过分层，采用轮廓与层间交错结合的扫描方式，利用激光表面二次去除方式实现单层打印，最终通过层与层直接冶金结合形成三维实体。3D打印成型后，先对股骨柄进行清洗消毒，然后在内部填充诱导骨细胞长入、骨接触可降解的羟基复合材料，封装消毒备使用。一种可变模量的个性化的股骨柄为生物型，它的特点是采用多梯度自由贯通的多孔结构包络股骨柄假体的主体架构，内部填充羟基复合材料，生物相容性好，植入人体后，可诱导骨组织周围细胞长入，此外，多梯度自由贯通的多孔结构不仅仅保证了与骨髓腔的个性化匹配，而且能够防止股骨柄假体的松动。下沉和扭转等。
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)
1.一种可变模量的个性化股骨柄假体，其特征在于，包括股骨柄头部、颈部和仿髓腔体，所述仿髓腔体外部与骨髓腔匹配，内部设有拓扑优化的空间主体架构以及填充空间主体架构的多孔结构，所述可变模量的个性化股骨柄假体通过激光选区熔化方式制备，假体消毒后，填充诱导骨长入可降解羟基复合材料；
根据患者CT/MRI医学影像数据，利用影像灰度值区分进行遮掩，遮掩部分叠层形成三维股骨近端模型，对股骨近端受力分析与骨质分析完成后，设计股骨柄头部、并结合根据医学影像重建颈部三维模型；
利用医学影像重建三维模型，通过布尔运算设计股骨柄仿髓腔体，并根据仿髓腔体受力分析，拓扑优化设计仿髓腔体的空间主体架构；
根据空间主体架构与骨髓腔接触部分不同区域的骨质情况，设计与其弹性模量匹配的多孔结构，并填充对应空间主体架构区域；
在植入前，仿髓腔体中的多孔结构内部填充羟基磷灰石生物材料以及相应的药物缓释生物材料，促进防止感染同时促进骨细胞长入。
2.根据权利要求1所述可变模量的个性化股骨柄假体，其特征在于，所述股骨柄整体空间主体架构是在个性化股骨柄实体模型上，经过受力拓扑优化获得的空间复杂的主体架构。
3.根据权利要求1所述可变模量的个性化股骨柄假体，其特征在于，所述股骨柄假体为生物型，采用可变模量的自由贯通多孔结构形成与患者髓腔相匹配的个性化股骨柄外形。
4.根据权利要求1所述可变模量的个性化股骨柄假体，其特征在于，所述空间主体架构截面中的孔隙最长长度100μm-1000μm。
5.根据权利要求1所述可变模量的个性化股骨柄假体，其特征在于，多孔结构呈现连续变化，股骨柄假体近端至股骨远端的多孔结构最小单元尺寸是先逐渐递减再逐渐递增，股骨柄假体近端和远端内侧至外侧的多孔结构最小单元尺寸呈逐渐递增的趋势。
6.根据权利要求1-5中任一项所述可变模量的个性化股骨柄假体的制造方法，其特征在于，包括下述步骤：
S1、根据患者CT/MRI医学影像数据，利用影像灰度值区分进行遮掩，遮掩部分叠层形成三维股骨近端模型，对股骨近端受力分析与骨质分析完成后，设计股骨柄头部、并结合根据医学影像重建颈部三维模型；
S2、利用医学影像重建三维模型，通过布尔运算设计股骨柄仿髓腔体，并根据仿髓腔体受力分析，拓扑优化设计仿髓腔体的空间主体架构；
S3、根据空间主体架构与骨髓腔接触部分不同区域的骨质情况，设计与该区域弹性模量匹配的多孔结构，并填充对应空间主体架构区域；
S4、经过个性化外形设计、主体架构受力优化、多孔结构自由填充步骤的设计，使股骨柄外形与患者骨髓腔个性化匹配；
S5、股骨假体的多孔结构单元尺寸在一定程度上呈双梯度变化，股骨柄假体内侧至外侧的多孔结构最小单元尺寸逐渐递增，股骨柄仿髓腔体填充的多孔结构从股骨柄颈部到末端其最小单元尺寸先逐渐递减再逐渐递增；
S6、由可变多孔结构结构填充空间主体结构的仿髓腔体、颈部、头部三部分组成的个性化股骨柄假体是利用激光选区熔化3D打印来制备的；
S7、在成型前股骨柄假体的CAD模型经过分层，采用轮廓与层间交错结合的扫描方式，利用激光表面二次扫描方式实现单层打印，最终通过层与层直接冶金结合形成三维实体；
S8、3D打印成型后，先对股骨柄进行清洗消毒，然后在内部填充诱导骨细胞长入、骨接触可降解的羟基复合材料以及具有防感染药物缓释作用的复合材料，封装消毒备使用。
7.根据权利要求6所述可变模量的个性化股骨柄假体的制造方法，其特征在于，步骤S6中，利用激光选区熔化3D打印制备时所选材料为生物兼容性金属材料，包括钛合金、CoCr合金或具有超弹性的NiTi合金。
8.根据权利要求6所述可变模量的个性化股骨柄假体的制造方法，其特征在于，步骤S8中，填充羟基磷灰石生物材料以及相应的药物缓释生物材料。
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