CN109199644A - 一种仿生设计的肋软骨假体植入物及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种仿生设计的肋软骨假体植入物及其制备方法，该肋软骨假体植入物整体呈条形状，包括中间弹性结构和两端固定结构，该肋软骨假体植入物中间的弹性结构为机械波结构、网状结构或螺旋结构等，通过改变中间弹性结构的参数，使得该肋软骨假体植入物的弹性系数可以根据植入部位不同进行相应的改变；该肋软骨假体植入物两端固定结构与对应肋骨、胸骨的结合位置具有安装固定替代件的结构；本发明提出的肋软骨假体植入物拥有接近真实肋软骨的力学性能，可以与胸肋骨假体配合使用，在个性化胸壁骨重建手术中，提高胸肋骨假体置换后的胸壁生理功能恢复，有效地减少术后出现呼吸功能受到抑制的临床问题，对于病人术后恢复具有积极作用。

Description

一种仿生设计的肋软骨假体植入物及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种人工假体技术领域，具体涉及一种仿生设计的肋软骨假体植入物及其制备方法。
背景技术
胸廓是由脊柱、肋骨、肋软骨、胸骨和肋间肌构成的骨性笼状支架。内有心、肺、气管、支气管、纵膈等重要内脏器官。胸廓的后方为脊柱，肋骨、肋间隙位于两侧，胸骨位于前方。胸廓具有一定的弹性和活动性，起着支持和保护胸腹腔脏器官避免外力损伤的作用。但其主要作用，还在于参与呼吸运动。肋软骨是一种透明软骨，有一定的弹性、强度和柔韧性。肋软骨位于肋的腹侧，由透明软骨构成，前几对肋的肋软骨，直接与胸骨相连称真肋或胸骨肋；其余肋的肋软骨则由结缔组织顺次连接形成肋弓，这种肋成为假肋或弓肋。有的肋的肋软骨末端游离，称为浮肋。肋软骨位于肋骨最前端，在肋间肌的运动下，协助肋骨使胸廓扩张或者放松，从而行成胸廓内正负压力，使肺膨胀和收缩，以完成呼吸运动。
胸壁骨肿瘤是一种较常见的恶性肿瘤，发病率约占全身骨肿瘤的2％—10％，80％位于肋骨及肋软骨处，20％位于胸骨。除了胸壁骨肿瘤，肋骨本身的病变，肺部恶性肿瘤也会侵犯肋骨、肋软骨，而目前的治疗方法只有一种，胸壁肿瘤切除，然后个性化胸壁骨重建。
目前，国内外已经应用3D打印技术，使用钛合金、聚醚醚酮等材料打印出肋骨和胸骨，并且成功实施了胸肋骨置换手术，达到胸壁结构上的修复。然而，在已经成功实施的胸肋骨置换案例中，都没有涉及肋软骨的设计，对胸壁骨重建只是达到结构上的修复，实现了保护和支撑内脏器官的功能，却不能实现生理功能的修复，所以大多数患者在手术完成后会出现呼吸无力，肺活量降低等症状，不利于患者康复。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种仿生设计的肋软骨假体植入物及其制备方法，本发明提出的肋软骨假体植入物拥有接近真实肋软骨的力学性能，可以与胸肋骨假体配合使用，在个性化胸壁骨重建手术中，提高胸肋骨假体置换后的胸壁生理功能恢复，有效地减少术后出现呼吸功能受到抑制的临床问题，对于病人术后恢复具有积极作用。
为了达到上述目的，本发明的技术方案：
一种仿生设计的肋软骨假体植入物，该肋软骨假体植入物整体呈条形状，包括中间弹性结构(1)和两端固定结构(2)，通过改变中间弹性结构(1)的参数，使得该肋软骨假体植入物的弹性系数能够根据植入部位不同进行相应的改变；该肋软骨假体植入物的两端固定结构(2)与对应肋骨、胸骨的结合位置具有安装固定替代件的结构。
所述肋软骨假体植入物总长度为30—90毫米，其中中间弹性结构(1)的长度占总长度的60％，两端固定结构(2)的长度占总长度的40％。
所述中间弹性结构(1)为机械波结构、网状结构或螺旋结构；所述改变中间弹性结构(1)的参数包括机械波结构中的振幅和频率、网状结构中网孔的形状与孔隙率、螺旋结构中直径与有效圈数。
所述肋软骨假体植入物的弹性系数由肋软骨假体植入物中间弹性结构(1)的弹性系数决定，肋软骨假体植入物的弯曲模量与肋软骨假体植入物厚度存在映射关系，在一定范围内，软骨假体植入物的弯曲模量与肋软骨假体植入物的厚度呈正相关性，该肋软骨假体植入物弹性系数变化范围为2-10N/mm，该肋软骨假体植入物弯曲模量变化范围为5-40MPa。
所述肋软骨假体植入物为胸骨、肋骨病变部位的替代件，其两端固定结构(2)能够与对应肋骨、胸骨假体部位安装固定，能够与对应的胸骨、肋骨非病原骨部位安装固定。
所述肋软骨假体植入物两端与对应肋骨、胸骨的安装固定方式包括：肋软骨假体植入物两端与对应肋骨、胸骨的结合位置通过固定替代件的螺孔连接或肋软骨假体植入物与胸、肋骨假体植入物一体成型连接。
所述的一种仿生设计的肋软骨植入物的制备方法，仿生设计的肋软骨假体植入物的原材料为聚醚醚酮、钛合金或医用纤维复合材料植入材料，若是以聚醚醚酮为原材料，则采用熔融沉积或选择性激光烧结3D打印工艺制备，或采用注塑工艺制备；若是以钛合金为原材料，则采用选择性激光熔化或电子束熔融3D打印工艺制备，或采用注塑工艺制备。
若是以聚醚醚酮为原材料，打印温度为400℃-440℃。
与现有技术相比，本发明具备如下优点：
本发明设计的一种仿生肋软骨假体植入物，根据人体真实肋软骨的力学性能进行仿生设计，满足人体肋软骨的强度要求。同时采用波形结构，拥有类似于弹簧的弹性，基本满足人体呼吸时肋软骨需要的弹性模量，采用钛合金和聚醚醚酮等材料进行制备，该肋软骨植入物具有较好的韧性。该肋软骨植入物可以单独置换病原体部位，也可以与胸肋骨假体组配后置换病人体内，当该肋软骨置换入病人体内后，伴随着病人胸廓的扩张或收缩，进行相应的拉伸、回弹、弯曲，使置换于病人体内的肋骨假体不再约束胸廓和肺叶的运动，在满足胸肋骨解剖学功能修复的同时，把对其生理功能的影响降到最低，装有该肋软骨的胸肋骨假体更接近与人体肋骨，且活动性更好，对病人的呼吸功能影响更小，提高术后病人的体能和生活质量。
附图说明
图1为本发明实施例提出的肋软骨假体植入物结构示意图。
图2为本发明实施例提出的肋软骨植入物与肋骨假体装配示意图。
图3为本发明实施例提出的肋软骨植入物置换示意图。
具体实施方式
为了理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述、附图中给出了本发明的首选实施案例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的内容更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被认为是“设置”或“连接”在另一个元件上，它可以是直接设置或连接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。除非另有定义，本文中所使用的所有的技术和科学术语与本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。
如图1所示，为本发明提出的肋软骨假体植入物结构示意图，包括波形的中间弹性结构(1)和两端固定结构(2)，该肋软骨假体植入物采用3D打印机制备，打印材料为聚醚醚酮(PEEK)；本发明实施案例中的肋软骨为人体第2、3、4根肋软骨的仿生设计，该肋软骨植入物整体长度分别为50mm、60mm、70mm，波形的中间弹性结构(1)长度大约为20mm、30mm、40mm，两端固定结构(2)长度各约为15mm，该肋软骨假体植入物两端与对应肋骨、胸骨的结合位置开有安装固定替代件的螺孔的直径为3mm，本发明实施案例中肋软骨植入物的横截面为5mm*5mm，弹性系数分别为2N/mm、3N/mm、5N/mm。
如图2所示，肋软骨假体植入物与肋骨假体通过固定螺纹孔相连，肋骨假体另一端也有固定螺孔，螺孔直径为3mm。如图3所示，肋软骨假体植入物一端与胸骨原骨通过螺孔安装固定，另一端与第2、3、4根肋骨假体固定后再通过肋骨假体的螺孔与肋骨原骨安装固定。
本发明实施案例打印的材料优选采用两种：聚醚醚酮(PEEK)和钛合金。如果选用PEEK作为打印原材料，可以选用熔融沉积(FDM)型打印机作为3D打印设备，也可以采用选择性激光烧结(SLS)型打印，相比较FDM打印，速度更快，成本较高；如果选用钛合金作为原材料。可以采用选择性激光熔化(SLM)、电子束熔融(EBM)型打印机作为3D打印设备。PEEK的打印温度为400℃-440℃。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的设计理念和原则之内，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 (8)

1.一种仿生设计的肋软骨假体植入物，其特征在于，该肋软骨假体植入物整体呈条形状，包括中间弹性结构(1)和两端固定结构(2)，通过改变中间弹性结构(1)的参数，使得该肋软骨假体植入物的弹性系数能够根据植入部位不同进行相应的改变；该肋软骨假体植入物的两端固定结构(2)与对应肋骨、胸骨的结合位置具有安装固定替代件的结构。
2.根据权利要求1所述的一种仿生设计的肋软骨假体植入物，其特征在于，所述肋软骨假体植入物总长度为30—90毫米，其中中间弹性结构(1)的长度占总长度的60％，两端固定结构(2)的长度占总长度的40％。
3.根据权利要求1所述的一种仿生设计的肋软骨植入物，其特征在于，所述中间弹性结构(1)为机械波结构、网状结构或螺旋结构；所述改变中间弹性结构(1)的参数包括机械波结构中的振幅和频率、网状结构中网孔的形状与孔隙率、螺旋结构中直径与有效圈数。
4.根据权利要求1所述的一种仿生设计的肋软骨假体植入物，其特征在于，所述肋软骨假体植入物的弹性系数由肋软骨假体植入物中间弹性结构(1)的弹性系数决定，肋软骨假体植入物的弯曲模量与肋软骨假体植入物厚度存在映射关系，在一定范围内，软骨假体植入物的弯曲模量与肋软骨假体植入物的厚度呈正相关性，该肋软骨假体植入物弹性系数变化范围为2-10N/mm，该肋软骨假体植入物弯曲模量变化范围为5-40MPa。
5.根据权利要求1所述的一种仿生设计的肋软骨假体植入物，其特征在于，所述肋软骨假体植入物为胸骨、肋骨病变部位的替代件，其两端固定结构(2)能够与对应肋骨、胸骨假体部位安装固定，能够与对应的胸骨、肋骨非病原骨部位安装固定。
6.根据权利要求1所述的一种仿生设计的肋软骨假体植入物，其特征在于，所述肋软骨假体植入物两端与对应肋骨、胸骨的安装固定方式包括：肋软骨假体植入物两端与对应肋骨、胸骨的结合位置通过固定替代件的螺孔连接或肋软骨假体植入物与胸、肋骨假体植入物一体成型连接。
7.权利要求1-6任一项所述的一种仿生设计的肋软骨植入物的制备方法，其特征在于，仿生设计的肋软骨假体植入物的原材料为聚醚醚酮、钛合金或医用纤维复合植入材料，若是以聚醚醚酮为原材料，则采用熔融沉积或选择性激光烧结3D打印工艺制备，或采用注塑工艺制备；若是以钛合金为原材料，则采用选择性激光熔化或电子束熔融3D打印工艺制备，或采用注塑工艺制备。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，若是以聚醚醚酮为原材料，其3D打印温度为400℃-440℃。
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