CN109938888B - 一种生物型膝关节分区骨小梁胫骨平台 - Google Patents
一种生物型膝关节分区骨小梁胫骨平台 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种生物型膝关节分区骨小梁胫骨平台，包括肾形平台托，肾形平台托下表面的中部设置有柄，肾形平台托下表面除连接柄以外的其它部分设置有骨小梁，肾形平台托划分为内侧区、中间区和外侧区；内侧区骨小梁的孔径和孔隙率依次大于外侧区和中间区的孔径和孔隙率。本发明的分区骨小梁胫骨平台，采用钛合金3D打印一体成型，在胫骨平台的下表面不同的区设置的骨小梁其孔径、孔隙率不同。实验证明，本发明生物型膝关节胫骨平台骨小梁的分区设置，使在胫骨受力不均的真实情况下，实现均匀骨长入，增加生物型胫骨平台的长期稳定性。本发明通过3D打印，使整个部件表面较粗糙，加大平台与胫骨之间的摩擦力，增加平台的初始稳定性。
Description
技术领域
本发明属于医疗器材技术领域，尤其涉及一种生物型膝关节分区骨小梁胫骨平台。
背景技术
膝关节置换手术可以有效解决病患的膝关节病症，减轻病人的痛苦，一定程度上恢复病人的膝关节功能。膝关节假体结构包括：股骨髁、胫骨平台、胫骨平台垫、髌骨和附件。随着医疗器械技术的飞速发展和人们对膝关节假体安全、有效要求的不断提高，膝关节假体技术更加成熟完善，不同种类膝关节假体陆续出现。
目前，根据不同的固定方式，膝关节假体可分为骨水泥固定型和生物固定型(非骨水泥型)两大类。其中，骨水泥固定型膝关节假体被称为全膝关节置换术(TKA)的“金标准”，广泛应用于临床。骨水泥单体聚合膨胀渗透至骨小梁中，可加固松质骨，进而扩大应力传导范围，从而提高对医师技术偏差和骨质的容忍度。然而，骨水泥对于人体而言是一种惰性材料,其与骨组织或关节假体只能形成机械性结合,这必然面临老化、碎裂及磨损颗粒等问题。临床实践发现骨水泥型膝关节假体会出现一系列并发症，如骨水泥植入综合症(BCIS)、骨水泥聚合放热造成假体周围组织损伤、术后局部感染、患处感觉或功能障碍和假体早期松动等，影响手术成功率及假体长期稳定性。
生物型膝关节假体是通过骨与假体的直接骨长入而达到生物学固定的目的，其克服了骨水泥型假体机械性结合的缺点，促进假体与骨组织整合，提高假体的长期稳定性，且更便于后期翻修，具有广泛的应用前景。目前，生物型膝关节假体主要采用过盈压配的固定方式，将人工胫骨平台固定在胫骨上，获得一定的初始稳定性。而在获得初始稳定性的基础上，早期促进骨长入，提高假体的骨整合强度，实现稳定的生物固定,才能在最大程度上避免骨溶解和松动，从而获得长期稳定性。传统的生物固定型假体表面虽经过了生物性修饰，但仍属实心假体，其弹性模量显著高于人皮质骨，弹性模量的增大导致假体应力遮挡效应的增加，而应力遮挡效应的增加可减少新生骨痂生成，最终导致假体松动，降低其长期稳定性。改进假体表面形态和增加多孔孔隙率以促进骨长入，是改善生物型膝关节假体长期稳定性的有效方法。多孔金属骨小梁假体的表观弹性模量可随多孔结构的孔径、孔隙率等参数的增加而下降，降低假体产生的应力遮挡效应，且多孔金属骨小梁材料具有连通性好、高孔隙率等特点，有利于材料内部更多的营养物质、气体的交换，可促进新生的骨细胞向孔隙内部发生更多的迁移，并诱导更多的新生骨组织在孔隙更深处长入，从而实现生物型膝关节假体的长期稳定性。因此，基于人体胫骨骨小梁的生物学形态，设计适宜的多孔金属骨小梁胫骨平台，对于提高生物膝关节假体的长期稳定性将具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种能使胫骨平台与胫骨界面处受力均匀，实现均匀骨长入，增加生物型膝关节胫骨平台的长期稳定性的生物型膝关节分区骨小梁胫骨平台。
本发明的技术方案概述如下：
一种生物型膝关节分区骨小梁胫骨平台，包括肾形平台托1，在肾形平台托内向弯处的上表面设置有燕尾形凸块3，在燕尾形凸块3的两个斜向枝的外侧面设置有后凹槽5，在肾形平台托1与相对于燕尾形凸块3的外向弯处的上表面设置有弧形凸块2，在弧形凸块2的内侧面设置有前凹槽6，肾形平台托下表面的中部设置有柄4，肾形平台托下表面除连接柄4以外的其它部分设置有骨小梁9，肾形平台托的横径10被第一标注点11和第二标注点12划分为第一段25、第二段26和第三段27，第一段、第二段和第三段的长依次为肾形平台托横径的25％-38％:24％-50％:25％-38％：第一分区线13过第一标注点11，第二分区线14过第二标注点12；第一分区线13和第二分区线14为直线或弧线并将肾形平台托划分为内侧区15、中间区16和外侧区17；内侧区15骨小梁的孔径和孔隙率依次大于外侧区17和中间区16的孔径和孔隙率。
优选地，第一分区线13和第二分区线14为直线时呈平行设置或呈八字形设置；第一分区线13与肾形平台托横径10的夹角18的度数为80°-120°，第二分区线14与肾形平台托横径(10)的夹角19的度数为80°-120°。
优选地，内侧区骨小梁的孔径为0.36-0.50mm，孔隙率为76–85％，通孔率为100％；中间区骨小梁孔径为0.18-0.27mm，孔隙率为55-65％，通孔率为100％；外侧区骨小梁孔径为0.28-0.35mm，孔隙率为66％-75％，通孔率为100％。
优选地，柄为连接有支撑板的底部封闭的变径管、十字形筋板或弯曲十字形筋板。
本发明的优点：
本发明的一种生物型膝关节分区骨小梁胫骨平台，采用钛合金3D打印一体成型，在胫骨平台的下表面不同的区设置的骨小梁其孔径不同、孔隙率不同。实验证明，本发明生物型膝关节胫骨平台骨小梁的分区设置，使在胫骨受力不均的真实情况下，实现均匀骨长入，增加生物型膝关节胫骨平台的长期稳定性。
附图说明
图1为一种生物型膝关节分区骨小梁胫骨平台立体示意图。
图2为胫骨平台下表面骨小梁分区划分示意图。
图3为一种生物型膝关节分区骨小梁胫骨平台(柄为弯曲十字形筋板)仰视图。
图4为一种生物型膝关节分区骨小梁胫骨平台沿前后径剖视图。
图5为一种生物型膝关节分区骨小梁胫骨平台(柄为底部封闭的变径管)示意图。
图6为一种生物型膝关节曲线分区骨小梁胫骨平台第一分区线13和第二分区线14为弧线示意图。
图7为一种生物型膝关节曲线分区骨小梁胫骨平台第一分区线13和第二分区线14为直线呈八字形设置示意图。
图8为对照例1胫骨平台下表面无骨小梁仿真应力分析。
图9为对照例2骨小梁胫骨平台下表面均匀设置骨小梁仿真应力分析。
图10为实施例1的一种生物型膝关节曲线分区骨小梁胫骨平台第一分区线13和第二分区线14为直线平行且与横径(胫骨平台的长)的夹角为90度时分区骨小梁仿真应力分析。
图11为实施例2的一种生物型膝关节曲线分区骨小梁胫骨平台第一分区线13和第二分区线14为直线呈八字形分区骨小梁仿真应力分析。
图12为实施例3的一种生物型膝关节曲线分区骨小梁胫骨平台第一分区线13和第二分区线14呈弧线分区骨小梁仿真应力分析。
图13为一种生物型膝关节曲线分区骨小梁胫骨平台分区骨小梁(实施例1)、均匀骨小梁(对照例2)、无骨小梁胫骨平台(对照例1)应力分析图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
实施例1
一种生物型膝关节分区骨小梁胫骨平台，见图1，图4，包括肾形平台托1，在肾形平台托内向弯处的上表面设置有燕尾形凸块3，在燕尾形凸块3的两个斜向枝的外侧面设置有后凹槽5，在肾形平台托1与相对于燕尾形凸块3的外向弯处的上表面设置有弧形凸块2，在弧形凸块2的内侧面设置有前凹槽6(前凹槽6和后凹槽5可有效地将胫骨平台垫固定在胫骨平台上)，肾形平台托下表面的中部设置有柄4，肾形平台托下表面除连接柄4以外的其它部分设置有骨小梁9，肾形平台托的横径10(胫骨平台的长)被第一标注点11和第二标注点12划分为第一段25、第二段26和第三段27，第一段、第二段和第三段的长依次为肾形平台托横径的30％:40％:30％：第一分区线13过第一标注点11，第二分区线14过第二标注点12；第一分区线13和第二分区线14为直线并将肾形平台托划分为内侧区15、中间区16和外侧区17(内外的定义是根据人体胫骨内外的位置定义的)；内侧区15骨小梁的孔径和孔隙率依次大于外侧区17和中间区16的孔径和孔隙率，见图2。
第一分区线13和第二分区线14为直线时呈平行设置，第一分区线13与肾形平台托横径10的夹角18的度数为90°，第二分区线14与肾形平台托横径10的夹角19的度数为90°。
内侧区骨小梁的孔径为0.43mm，孔隙率为80％，通孔率为100％；中间区骨小梁孔径为0.24mm，孔隙率为50％，通孔率为100％；外侧区骨小梁孔径为0.32mm，孔隙率为70％，通孔率为100％。
柄为十字形筋板(筋板的厚度从上到下逐渐减小)。
实施例2
一种生物型膝关节分区骨小梁胫骨平台，包括肾形平台托1，在肾形平台托内向弯处的上表面设置有燕尾形凸块3，在燕尾形凸块3的两个斜向枝的外侧面设置有后凹槽5，在肾形平台托1与相对于燕尾形凸块3的外向弯处的上表面设置有弧形凸块2，在弧形凸块2的内侧面设置有前凹槽6，肾形平台托下表面的中部设置有柄4，肾形平台托下表面除连接柄4以外的其它部分设置有骨小梁9，肾形平台托的横径10(胫骨平台的长)被第一标注点11和第二标注点12划分为第一段25、第二段26和第三段27，第一段、第二段和第三段的长依次为肾形平台托横径的30％:40％:30％：第一分区线13过第一标注点11，第二分区线14过第二标注点12；第一分区线13和第二分区线14为直线并将肾形平台托划分为内侧区15、中间区16和外侧区17；内侧区15骨小梁的孔径和孔隙率依次大于外侧区17和中间区16的孔径和孔隙率。
第一分区线13和第二分区线14为直线时呈八字形设置，见图7，第一分区线13与肾形平台托横径10的夹角18的度数为80°，第二分区线14与肾形平台托横径10的夹角19的度数为80°。
内侧区骨小梁的孔径为0.43mm，孔隙率为80％，通孔率为100％；中间区骨小梁孔径为0.24mm，孔隙率为50％，通孔率为100％；外侧区骨小梁孔径为0.32mm，孔隙率为70％，通孔率为100％。
柄为十字形筋板(筋板的厚度从上到下逐渐减小)。
实施例3
一种生物型膝关节分区骨小梁胫骨平台，包括肾形平台托1，在肾形平台托内向弯处的上表面设置有燕尾形凸块3，在燕尾形凸块3的两个斜向枝的外侧面设置有后凹槽5，在肾形平台托1与相对于燕尾形凸块3的外向弯处的上表面设置有弧形凸块2，在弧形凸块2的内侧面设置有前凹槽6，肾形平台托下表面的中部设置有柄4，肾形平台托下表面除连接柄4以外的其它部分设置有骨小梁9，肾形平台托的横径10(胫骨平台的长)被第一标注点11和第二标注点12划分为第一段25、第二段26和第三段27，第一段、第二段和第三段的长依次为肾形平台托横径的30％:40％:30％：第一分区线13过第一标注点11，第二分区线14过第二标注点12；第一分区线13和第二分区线14为弧线并将肾形平台托划分为内侧区15、中间区16和外侧区17；内侧区15骨小梁的孔径和孔隙率依次大于外侧区17和中间区16的孔径和孔隙率。
内侧区骨小梁的孔径为0.43mm，孔隙率为80％，通孔率为100％；中间区骨小梁孔径为0.24mm，孔隙率为50％，通孔率为100％；外侧区骨小梁孔径为0.32mm，孔隙率为70％，通孔率为100％。
柄为十字形筋板(筋板的厚度从上到下逐渐减小)。
对照例1
胫骨平台，包括肾形平台托，在肾形平台托内向弯处的上表面设置有燕尾形凸块，在燕尾形凸块的两个斜向枝的外侧面设置有后凹槽，在肾形平台托与相对于燕尾形凸块3的外向弯处的上表面设置有弧形凸块，在弧形凸块的内侧面设置有前凹槽，肾形平台托下表面的中部设置有柄，
柄为十字形筋板(筋板的厚度从上到下逐渐减小)。
对照例2
均匀骨小梁胫骨平台，包括肾形平台托，在肾形平台托内向弯处的上表面设置有燕尾形凸块，在燕尾形凸块3的两个斜向枝的外侧面设置有后凹槽，在肾形平台托与相对于燕尾形凸块的外向弯处的上表面设置有弧形凸块，在弧形凸块2的内侧面设置有前凹槽，肾形平台托下表面的中部设置有柄，肾形平台托下表面除连接柄以外的其它部分设置有骨小梁。
骨小梁的孔径为0.32mm，孔隙率为72％，通孔率为100％；
柄为十字形筋板(筋板的厚度从上到下逐渐减小)。
实施例1、2、3和对照例1、2的肾形平台托的尺寸、大小相同。
实施例4
一种生物型膝关节分区骨小梁胫骨平台，包括肾形平台托1，在肾形平台托内向弯处的上表面设置有燕尾形凸块3，在燕尾形凸块3的两个斜向枝的外侧面设置有后凹槽5，在肾形平台托1与相对于燕尾形凸块3的外向弯处的上表面设置有弧形凸块2，在弧形凸块2的内侧面设置有前凹槽6，肾形平台托下表面的中部设置有柄4，肾形平台托下表面除连接柄4以外的其它部分设置有骨小梁9，肾形平台托的横径10被第一标注点11和第二标注点12划分为第一段25、第二段26和第三段27，第一段、第二段和第三段的长依次为肾形平台托横径的25％:50％:25％：第一分区线13过第一标注点11，第二分区线14过第二标注点12；第一分区线13和第二分区线14为直线并将肾形平台托划分为内侧区15、中间区16和外侧区17；内侧区15骨小梁的孔径和孔隙率依次大于外侧区17和中间区16的孔径和孔隙率。
第一分区线13和第二分区线14为直线时呈八字形设置，第一分区线13与肾形平台托横径10的夹角18的度数为120°，第二分区线14与肾形平台托横径10的夹角19的度数为120°。
内侧区骨小梁的孔径为0.36mm，孔隙率为76％，通孔率为100％；中间区骨小梁孔径为0.18mm，孔隙率为55％，通孔率为100％；外侧区骨小梁孔径为0.28mm，孔隙率为66％，通孔率为100％。
柄为弯曲十字形筋板，见图3(筋板的厚度从上到下逐渐减小)。
实施例5
一种生物型膝关节分区骨小梁胫骨平台，包括肾形平台托1，在肾形平台托内向弯处的上表面设置有燕尾形凸块3，在燕尾形凸块3的两个斜向枝的外侧面设置有后凹槽5，在肾形平台托1与相对于燕尾形凸块3的外向弯处的上表面设置有弧形凸块2，在弧形凸块2的内侧面设置有前凹槽6，肾形平台托下表面的中部设置有柄4，肾形平台托下表面除连接柄4以外的其它部分设置有骨小梁9，肾形平台托的横径10被第一标注点11和第二标注点12划分为第一段25、第二段26和第三段27，第一段、第二段和第三段的长依次为肾形平台托横径的38％:24％:38％：第一分区线13过第一标注点11，第二分区线14过第二标注点12；第一分区线13和第二分区线14为弧线(图6)并将肾形平台托划分为内侧区15、中间区16和外侧区17；内侧区15骨小梁的孔径和孔隙率依次大于外侧区17和中间区16的孔径和孔隙率。
内侧区骨小梁的孔径为0.50mm，孔隙率为85％，通孔率为100％；中间区骨小梁孔径为0.27mm，孔隙率为65％，通孔率为100％；外侧区骨小梁孔径为0.35mm，孔隙率为75％，通孔率为100％。
柄为连接有支撑板的底部封闭的变径管，见图5。
实验证明：实施例4和5的生物型膝关节胫骨平台骨小梁的分区设置，使在胫骨受力不均的真实情况下，实现均匀骨长入，增加生物型膝关节胫骨平台的长期稳定性。
实验
为验证本发明在胫骨平台与胫骨界面应力均一性，采用尺寸形状相同的胫骨平台，包括：胫骨平台(对照例1)、均匀骨小梁胫骨平台(对照例2)、一种生物型膝关节分区骨小梁胫骨平台(实施例1)、一种生物型膝关节分区骨小梁胫骨平台(实施例2)和一种生物型膝关节分区骨小梁胫骨平台(实施例3)进行仿真应力分析，见图8，图9，图10，图11，图12。
结果显示无骨小梁胫骨平台和均匀骨小梁胫骨平台在胫骨平台与胫骨界面处应力分布明显不均一，在胫骨平台下方两侧应力明显大于其他区域。分区骨小梁胫骨平台在胫骨平台与胫骨界面处应力均一。结果表明分区骨小梁可进行多种形状分区，在胫骨平台与胫骨界面处应力均一，利于骨整合，可获得长期稳定性。
为验证本发明在胫骨平台与胫骨界面应力均一性，对无骨小梁胫骨平台、均匀骨小梁胫骨平台和本发明平行线分区骨小梁胫骨平台进行接触应力测试实验，见图13。无骨小梁胫骨平台接触应力分布有几处比较集中；均匀骨小梁胫骨平台的接触应力集中现象不明显且接触应力分布较均匀；分区骨小梁胫骨平台接触应力分布范围最大且均匀，因此得出本发明分区骨小梁胫骨平台与胫骨界面的应力分布最均匀。
Claims (3)
1.一种生物型膝关节分区骨小梁胫骨平台，包括肾形平台托(1)，其特征是在肾形平台托内向弯处的上表面设置有燕尾形凸块(3)，在燕尾形凸块(3)的两个斜向枝的外侧面设置有后凹槽(5)，在肾形平台托(1)与相对于燕尾形凸块(3)的外向弯处的上表面设置有弧形凸块(2)，在弧形凸块(2)的内侧面设置有前凹槽(6)，肾形平台托下表面的中部设置有柄(4)，肾形平台托下表面除连接柄(4)以外的其它部分设置有骨小梁(9)，肾形平台托的横径(10)被第一标注点(11)和第二标注点(12)划分为第一段(25)、第二段(26)和第三段(27)，第一段、第二段和第三段的长依次为肾形平台托横径的25％-38％，24％-50％，25％-38％，第一分区线(13)过第一标注点(11)，第二分区线(14)过第二标注点(12)；第一分区线(13)和第二分区线(14)为直线并将肾形平台托划分为内侧区(15)、中间区(16)和外侧区(17)；
所述第一分区线(13)和第二分区线(14)呈平行设置或呈八字形设置；第一分区线(13)与肾形平台托横径(10)的夹角(18)的度数为80°-120°，第二分区线(14)与肾形平台托横径(10)的夹角(19)的度数为80°-120°；
所述内侧区的骨小梁的孔径为0.36-0.50mm，孔隙率为76–85％，通孔率为100％；中间区的骨小梁孔径为0.18-0.27mm，孔隙率为55-65％，通孔率为100％；外侧区的骨小梁孔径为0.28-0.35mm，孔隙率为66％-75％，通孔率为100％。
2.根据权利要求1所述的一种生物型膝关节分区骨小梁胫骨平台，其特征是所述柄为连接有支撑板的底部封闭的变径管或十字形筋板。
3.根据权利要求1所述的一种生物型膝关节分区骨小梁胫骨平台，其特征是所述柄为弯曲十字形筋板。
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