CN108309512A - 一种金属骨小梁及包含所述金属骨小梁的骨骼植入物 - Google Patents

一种金属骨小梁及包含所述金属骨小梁的骨骼植入物 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种金属骨小梁，包括至少三条相交的金属骨小梁支架，所述金属骨小梁还内嵌有微拓扑网格结构，所述微拓扑网格结构与所述金属骨小梁支架至少有三处交点，所述金属骨小梁的部分外表面设有骨小梁涂层。本发明所述骨小梁是由镂空单元结构体在三维空间的规则或者不规则阵列形成的，不仅具有明显的减重效应，而且能同时满足零部件不同区域的刚度和强度，避免应力遮挡，实现高强度和高减重比的良好匹配；此外，人体骨质长入所述骨小梁结构，可与骨骼相融成一体，使得骨小梁假体可以稳固的与骨床相结合，能最大程度上诱导骨骼长入，从而达到假体长期的生物固定。同时，本发明还公开一种包含所述金属骨小梁的骨骼植入物。

Description

一种金属骨小梁及包含所述金属骨小梁的骨骼植入物
技术领域
本发明涉及骨小梁技术领域，尤其是一种金属骨小梁及包含所述金属骨小梁的骨骼植入物。
背景技术
在骨科植入体部分中构造有骨小梁，它们主要用于形成植入体部分的内部的通道，以其优异的孔隙率和骨骼长入特性，近年来在骨科植入物领域得到了广泛的应用。但是，如果金属骨小梁的结构如果只是均匀等径分布，缺少人体真实结构的仿生特性，在植入后实际服役过程中往往由于人体不均等的受力特性，导致其中的某些部位结构强度不足，但其它部位的结构强度又出现过设计现象，如果金属骨小梁的结构缺少与骨骼结合的面最佳状态，会直接影响假体的早期稳定性，进而也会影响骨骼的生长，不利于长期稳定的假体服役。
发明内容
基于此，本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处而提供一种金属骨小梁。
为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：一种金属骨小梁，包括至少三条相交的金属骨小梁支架，所述金属骨小梁还内嵌有微拓扑网格结构，所述微拓扑网格结构与所述金属骨小梁支架至少有三处交点，所述金属骨小梁的部分外表面设有骨小梁涂层。
本发明所述内嵌微拓扑网格的金属骨小梁支架具有人体仿生结构设计，所述骨小梁是由镂空单元结构体在三维空间的规则或者不规则阵列形成的，不仅具有明显的减重效应，而且能同时满足零部件不同区域的刚度和强度，避免应力遮挡，实现高强度和高减重比的良好匹配；此外，人体骨质长入所述骨小梁结构(含微结扑网格)后，可与骨骼相融成一体，使得骨小梁假体可以稳固的与骨床相结合，能最大程度上诱导骨骼长入，从而达到假体长期的生物固定。在部分骨壁外部打上骨小梁涂层，更有效地调节人造骨力学性能和与人骨接合的融合性.
优选地，所述金属骨小梁外表面包裹一层骨壁，所述骨小梁涂层设于所述骨壁的外表面。
更优选地，所述骨壁为实心骨壁。在有需要的部位，打上实心骨壁包裹，更有效地调节人造骨力学性能。
优选地，在所述金属骨小梁支架与微拓扑网格结构的交点处，所述金属骨小梁支架的直径与所述微拓扑网格结构的直径相同。这样可以使金属骨小梁支架和微拓扑网格结构实现无缝连接，进一步满足高强度的要求。
优选地，在所述金属骨小梁支架与微拓扑网格结构未相交处，所述金属骨小梁支架的直径小于所述微拓扑网格结构的直径。这样可以增加孔隙率，进一步起到减重的效果。
优选地，所述微拓扑网格结构为渐变径结构。不等径的渐变结构，具有明显的减重效应。
优选地，所述骨小梁涂层的厚度为200-1000μm。
优选地，所述骨小梁涂层、骨壁、骨小梁的材料相同。本发明所述骨小梁涂层的材料和骨壁、骨小梁一样，是钛合金或者其他生物相容性的金属材料，形状和厚度可根据人体骨骼结构来仿形设计。
优选地，所述金属骨小梁为由镂空网格单元组成的三维结构，所述镂空网格单元由金属骨小梁支架和微拓扑网格结构组成。
更优选地，所述每条金属骨小梁支架的长度为200-2000微米，所述微拓扑网格结构的直径为30-120微米。
这种骨小梁网格结构与骨皮质相连接，在骨髓腔中呈不规则立体网状结构，如丝瓜络样或海绵状，起支持造血组织的作用。
同时，本发明还公开一种包含所述的金属骨小梁的骨骼植入物。所述骨骼植入物为髋臼杯、股骨柄、接骨板、面额骨、椎间融合器等。
此外，本发明还提供一种所述骨骼植入物的制备方法，包括如下步骤：
(1)建立骨骼植入物的电脑三维模型；
(2)将步骤(1)的电脑三维模型沿Z轴方向按相等的层厚分割成一系列二维图形；
(3)将步骤(2)中一系列二维图形生成相应的激光扫描路径；
(4)在增材制造设备加工平台上均匀铺设一层材料粉末，利用高能激光或电子束按步骤(3)中激光扫描路径扫描加工平台上的材料粉末，受所述高能激光或电子束扫描的材料粉末熔化后固结于所述加工平台表面；
(5)在步骤(4)中已经熔结了一层图形的加工平台表面铺设第二层材料粉末；
(6)依次重复步骤(4)、(5)，直至骨骼植入物全部完成；
(7)将熔结于加工平台的骨骼植入物与加工平台一起整体从增材制造设备中移出，清理浮粉，采用线切割的方式将骨骼植入物从加工平台表面分离；
(8)采用特殊设计的工装将工件装夹，利用物理法或化学法抛光方式将工件进行抛光，抛光过程中将骨表面及其内部骨小梁结构上残留的粉末清理干净。
优选地，所述步骤(2)中的层厚为10～100μm。
优选地，所述步骤(4)中，材料粉末的颗粒直径为1～100μm。
优选地，所述增材制造技术包括熔融堆积技术(FDM)、电子束熔融(EBM)、激光近净成形(LENS)、选择性激光烧结(SLS)、直接金属粉末烧结(DMLS)、3D打印(3DP)技术中的一种。
优选地，所述步骤(4)和步骤(5)中，所述材料粉末为钛合金、钴铬钼合金、钽合金以及其他可用于增材制造的金属材料中的一种。
相对于现有技术，本发明的有益效果为：
本发明所述骨小梁是由镂空单元结构体在三维空间的规则或者不规则阵列形成的，其中内嵌微拓扑网络结构，不仅具有明显的减重效应，而且能同时满足零部件不同区域的刚度和强度，避免应力遮挡，实现高强度和高减重比的良好匹配；此外，人体骨质长入所述骨小梁结构(含微结扑网格)后，可与骨骼相融成一体，使得骨小梁假体可以稳固的与骨床相结合，能最大程度上诱导骨骼长入，从而达到假体长期的生物固定。在这基础上，在有需要的部位，打上实心骨壁包裹，更有效地调节人造骨力学性能。在这基础上，在部分骨壁外部打上骨小梁涂层，更有效地调节人造骨力学性能和与人骨接合的融合性。
本发明包含所述金属骨小梁的骨骼植入物等，如髋臼杯、股骨柄、接骨板、面额骨、椎间融合器等，均可通过3D打印实现个性化定制，轻松实现钛合金植入物和表面类骨小梁结构的自由构建，工序简化，大大降低经济成本。
附图说明
图1为本发明所述金属骨小梁的一种平面结构图；
图2为现有实心股骨柄的一种结构图；
图3为本发明所述实心股骨柄的一种结构图；
图4为本发明所述实心股骨柄结构图的一种局部放大图；
其中，1、金属骨小梁支架；2、微拓扑网格结构；3、骨壁；4、骨小梁涂层。
具体实施方式
为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
本发明所述金属骨小梁的一种实施例，本实施例所述金属骨小梁的结构如附图1所示：
所述金属骨小梁为由镂空网格单元组成的三维结构，所述镂空网格单元由金属骨小梁支架1和渐变径微拓扑网格结构2组成，所述金属骨小梁外表面包裹一层骨壁3，骨壁3的部分外表面设有骨小梁涂层4，骨小梁4涂层的厚度为200-1000μm，每条金属骨小梁支架1的长度为200-2000微米，微拓扑网格结构2的直径为30-120微米；金属骨小梁支架1和微拓扑网格结构2至少有三处交点，在金属骨小梁支架1与微拓扑网格结构2的交点处，金属骨小梁支架1的直径与微拓扑网格结构2的直径相同；在金属骨小梁支架1与微拓扑网格结构2未相交处，金属骨小梁支架1的直径小于微拓扑网格结构2的直径。
一种包含所述金属骨小梁的骨骼植入物，所述骨骼植入物为股骨柄，所述股骨柄的制备方法，包括如下步骤：
(1)建立骨骼植入物的电脑三维模型；
(2)将步骤(1)的电脑三维模型沿Z轴方向按相等的层厚10μm分割成一系列二维图形；
(3)将步骤(2)中一系列二维图形生成相应的激光扫描路径；
(4)在增材制造设备加工平台上均匀铺设一层颗粒直径为1～100μm的钛合金材料粉末，利用高能激光或电子束按步骤(3)中激光扫描路径扫描加工平台上的材料粉末，受所述高能激光或电子束扫描的材料粉末熔化后固结于所述加工平台表面；
(5)在步骤(4)中已经熔结了一层图形的加工平台表面铺设第二层颗粒直径为1～100μm的钛合金材料粉末；
(6)依次重复步骤(4)、(5)，直至骨骼植入物全部完成；
(7)将熔结于加工平台的骨骼植入物与加工平台一起整体从增材制造设备中移出，清理浮粉，采用线切割的方式将骨骼植入物从加工平台表面分离；
(8)采用特殊设计的工装将工件装夹，利用物理法或化学法抛光方式将工件进行抛光，抛光过程中将骨表面及其内部骨小梁结构上残留的粉末清理干净。
此外，本实施例中的所述增材制造技术还可以为熔融堆积技术(FDM)、电子束熔融(EBM)、激光近净成形(LENS)、选择性激光烧结(SLS)、直接金属粉末烧结(DMLS)、3D打印(3DP)技术中的一种。
实施例2
本发明所述金属骨小梁的一种实施例，本实施例所述金属骨小梁的结构如附图1所示：
所述金属骨小梁为由镂空网格单元组成的三维结构，所述镂空网格单元由金属骨小梁支架1和渐变径微拓扑网格结构2组成，所述金属骨小梁外表面包裹一层骨壁3，骨壁3的部分外表面设有骨小梁涂层4，骨小梁4涂层的厚度为200-1000μm，每条金属骨小梁支架1的长度为200-2000微米，微拓扑网格结构2的直径为30-120微米；金属骨小梁支架1和微拓扑网格结构2至少有三处交点，在金属骨小梁支架1与微拓扑网格结构2的交点处，金属骨小梁支架1的直径与微拓扑网格结构2的直径相同；在金属骨小梁支架1与微拓扑网格结构2未相交处，金属骨小梁支架1的直径小于微拓扑网格结构2的直径。
一种包含所述金属骨小梁的骨骼植入物，所述骨骼植入物为髋臼杯，所述股骨柄的制备方法，包括如下步骤：
(1)建立骨骼植入物的电脑三维模型；
(2)将步骤(1)的电脑三维模型沿Z轴方向按相等的层厚100μm分割成一系列二维图形；
(3)将步骤(2)中一系列二维图形生成相应的激光扫描路径；
(4)在增材制造设备加工平台上均匀铺设一层颗粒直径为1～100μm的钴铬钼合金材料粉末，利用高能激光或电子束按步骤(3)中激光扫描路径扫描加工平台上的材料粉末，受所述高能激光或电子束扫描的材料粉末熔化后固结于所述加工平台表面；
(5)在步骤(4)中已经熔结了一层图形的加工平台表面铺设第二层颗粒直径为1～100μm的钴铬钼合金材料粉末；
(6)依次重复步骤(4)、(5)，直至骨骼植入物全部完成；
(7)将熔结于加工平台的骨骼植入物与加工平台一起整体从增材制造设备中移出，清理浮粉，采用线切割的方式将骨骼植入物从加工平台表面分离；
(8)采用特殊设计的工装将工件装夹，利用物理法或化学法抛光方式将工件进行抛光，抛光过程中将骨表面及其内部骨小梁结构上残留的粉末清理干净。
此外，本实施例中的所述增材制造技术还可以为熔融堆积技术(FDM)、电子束熔融(EBM)、激光近净成形(LENS)、选择性激光烧结(SLS)、直接金属粉末烧结(DMLS)、3D打印(3DP)技术中的一种。
实施例3
本发明所述金属骨小梁的一种实施例，本实施例所述金属骨小梁的结构如附图1所示：
所述金属骨小梁为由镂空网格单元组成的三维结构，所述镂空网格单元由金属骨小梁支架1和渐变径微拓扑网格结构2组成，所述金属骨小梁外表面包裹一层骨壁3，骨壁3的部分外表面设有骨小梁涂层4，骨小梁4涂层的厚度为200-1000μm，每条金属骨小梁支架1的长度为200-2000微米，微拓扑网格结构2的直径为30-120微米；金属骨小梁支架1和微拓扑网格结构2至少有三处交点，在金属骨小梁支架1与微拓扑网格结构2的交点处，金属骨小梁支架1的直径与微拓扑网格结构2的直径相同；在金属骨小梁支架1与微拓扑网格结构2未相交处，金属骨小梁支架1的直径小于微拓扑网格结构2的直径。
一种包含所述金属骨小梁的骨骼植入物，所述骨骼植入物为面额骨，所述股骨柄的制备方法，包括如下步骤：
(1)建立骨骼植入物的电脑三维模型；
(2)将步骤(1)的电脑三维模型沿Z轴方向按相等的层厚60μm分割成一系列二维图形；
(3)将步骤(2)中一系列二维图形生成相应的激光扫描路径；
(4)在增材制造设备加工平台上均匀铺设一层颗粒直径为1～100μm的钽合金材料粉末，利用高能激光或电子束按步骤(3)中激光扫描路径扫描加工平台上的材料粉末，受所述高能激光或电子束扫描的材料粉末熔化后固结于所述加工平台表面；
(5)在步骤(4)中已经熔结了一层图形的加工平台表面铺设第二层颗粒直径为1～100μm的钽合金材料粉末；
(6)依次重复步骤(4)、(5)，直至骨骼植入物全部完成；
(7)将熔结于加工平台的骨骼植入物与加工平台一起整体从增材制造设备中移出，清理浮粉，采用线切割的方式将骨骼植入物从加工平台表面分离；
(8)采用特殊设计的工装将工件装夹，利用物理法或化学法抛光方式将工件进行抛光，抛光过程中将骨表面及其内部骨小梁结构上残留的粉末清理干净。
此外，本实施例中的所述增材制造技术还可以为熔融堆积技术(FDM)、电子束熔融(EBM)、激光近净成形(LENS)、选择性激光烧结(SLS)、直接金属粉末烧结(DMLS)、3D打印(3DP)技术中的一种。
从附图2和附图3的对比中，可知，与现有技术相比，本发明优化后的3D打印骨小梁结构是由镂空单元结构体在三维空间的规则或者不规则阵列形成的，其中存在不等径的渐变结构，具有明显的减重效应。进一步地，所述镂空单元体，能同时满足零部件不同区域的刚度和强度，避免应力遮挡。进一步地，所述镂空单元体的可调控空间排列，能够实现高强度和高减重比的良好匹配。进一步地，本发明的优化设计结构不影响假体的承力，更有利于骨小梁表面与骨结合，能最大程度上诱导骨骼长入，从而达到假体长期的生物固定。在这基础上，在有需要的部位，打上实心骨壁包裹，更有效地调节人造骨力学性能。在这基础上，在部分骨壁外部打上骨小梁涂层，更有效地调节人造骨力学性能和与人骨接合的融合性。
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种金属骨小梁，其特征在于，包括至少三条相交的金属骨小梁支架，所述金属骨小梁还内嵌有微拓扑网格结构，所述微拓扑网格结构与所述金属骨小梁支架至少有三处交点，所述金属骨小梁的部分外表面设有骨小梁涂层。
2.如权利要求1所述的金属骨小梁，其特征在于，所述金属骨小梁外表面包裹一层骨壁，所述骨小梁涂层设于所述骨壁的外表面。
3.如权利要求1所述的金属骨小梁，其特征在于，在所述金属骨小梁支架与所述微拓扑网格结构的交点处，所述金属骨小梁支架的直径与所述微拓扑网格结构的直径相同。
4.如权利要求1所述的金属骨小梁，其特征在于，在所述金属骨小梁支架与所述微拓扑网格结构未相交处，所述金属骨小梁支架的直径小于所述微拓扑网格结构的直径。
5.如权利要求1所述的金属骨小梁，其特征在于，所述微拓扑网格结构为渐变径结构。
6.如权利要求1所述的金属骨小梁，其特征在于，所述骨小梁涂层的厚度为200-1000μm。
7.如权利要求2所述的金属骨小梁，其特征在于，所述骨小梁涂层、骨壁、骨小梁的材料相同。
8.如权利要求1～7任一项所述的金属骨小梁，其特征在于，所述金属骨小梁为由镂空网格单元组成的三维结构，所述镂空网格单元由金属骨小梁支架和微拓扑网格结构组成。
9.如权利要求8所述的金属骨小梁，其特征在于，所述每条金属骨小梁支架的长度为200-2000微米，所述微拓扑网格结构的直径为30-120微米。
10.一种包含如权利要求1～9任一项所述的金属骨小梁的骨骼植入物。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN108969152A (zh) * 2018-09-06 2018-12-11 北京安颂科技有限公司 一种髋臼假体和人工髋关节
CN112276367A (zh) * 2020-10-15 2021-01-29 江苏科技大学 多孔钛人工骨微结构及其制造方法
CN113840574A (zh) * 2019-03-13 2021-12-24 新加坡国立大学 矫形外科创伤板及其形成方法

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