CN110169846A - 一种应激诱导骨生长植入体的结构及其使用方法 - Google Patents

一种应激诱导骨生长植入体的结构及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种应激诱导骨生长植入体的结构及其使用方法，所述结构包括单胞结构，单胞结构能够沿水平、垂直方向生长，单胞结构包括第一边、第二边、第一曲边、第二曲边、第三曲边和第四曲边，第一边和第二边平行，第一曲边和第四曲边向单胞结构内侧凹陷，第二曲边和第三曲边向单胞结构外侧凸出。所述方法包括获得患者病患处骨骼系列连续CT片层数据，导入软件进行曲面修补，构建三维模型；对骨植入体进行受力分析，进行双向阵列填充与多孔化，从而形成应激诱导骨生长功能性植入体。本发明依据人工骨植入体的性能需求，构建了负泊松比材料制成的单胞结构，能实现双相拉/压作用力，明显刺激与诱导故生长，提高骨愈合能力。

Description

一种应激诱导骨生长植入体的结构及其使用方法
技术领域
本发明属于骨置换装置及其使用方法，具体为一种应激诱导骨生长植入体的结构及其使用方法。
背景技术
近年来，我国社会老龄化程度日益加剧、意外交通事故率居高不下等诸多因素导致骨创伤疾病患者人数急剧增加。据统计，我国每年骨缺损和损伤患者近300万，给患者带来身心的痛苦，甚至因其无法有效治愈导致残疾而丧失基本生活能力，目前临床多数需通过骨置换手术治疗。当前，钛合金、镁合金、不锈钢等生物相容性金属材料因自身综合的力学性能正成为骨植入体制造的首选材料。临床实验表明，考虑到高刚度固定物或植入体与人骨间弹性模量的差异引起“应力遮挡”效应而导致骨折愈合或骨的生长缺乏应力刺激而导致骨重建负平衡，故学术界和工业界通过植入体的多孔化以实现其低模化。如刘云峰等(CN109172049A)公开了一种分层片状杆连接的多孔网状修复植入体，通过在每层设计不同孔径大小的多孔结构，且相邻上下两层通过连杆连接，将每层面结构组成整体结构，降低植入体的弹性模量。闫春泽等(CN109622958A)，利用隐函数方程，在植入体内建立极小曲面，构建多孔结构构件植入体，避免了点阵结构中的杆间的急转及节点处的应力集中。赵国瑞等(CN109513050A)结合患者骨结构的特点对患者骨的三维模型进行镂空结构设计并引入渐变梯度多孔钽植入体结构，避免了非梯度结构孔隙率突然转变处引起的应力集中。尽管多孔结构一定程度上降低植入体“应力遮挡”效应，但在患者日常行走过程中，上述多孔结构径向受拉应力作用和正泊松比，且多孔结构弹性模量低(即，刚度低)，在拉应力作用下极易发生断裂和失效；另一方面，多孔结构虽能促进骨组织长入，但在拉应力作用下其作用有限。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明目的是提供一种提高骨愈合能力的应激诱导骨生长植入体的结构，本发明的另一目的是提供一种准确高效的应激诱导骨生长植入体的结构的使用方法。
技术方案：本发明所述一种应激诱导骨生长植入体的结构，包括单胞结构，单胞结构能够沿水平、垂直方向生长，单胞结构包括第一边、第二边、第一曲边、第二曲边、第三曲边和第四曲边，第一边和第二边平行，第一曲边和第四曲边向单胞结构内侧凹陷，第二曲边和第三曲边向单胞结构外侧凸出。
第一边、第二边、第一曲边、第二曲边围合而成的形状为内凹正六边形，第一边、第二边、第二曲边、第三曲边围合而成的形状为正六边形，第一边、第二边、第三曲边、第四曲边围合而成的形状为内凹正六边形。正六边形的边长为0.4～5mm。
单胞结构通过连接杆沿水平方向生长。单胞结构和连接杆均为负泊松比结构。负泊松比材料为医用纯钛、钛合金、镁合金、纯钛/羟基磷灰石复合材料、镁合金/磷酸三钙复合材料或不锈钢/磷酸钙复合材料。负泊松比材料采用选区激光熔化成形工艺，实现高性能应激诱导骨生长植入体结构的精密制造，无需复杂的成形工艺，大幅提升制造效率。
上述应激诱导骨生长植入体的结构的使用方法，包括以下步骤：
a、采用多排螺旋CT机扫描获得患者病患处骨骼系列连续CT片层数据，将其导入到Minics软件中，对病变缺损处进行曲面修补，构建完整的人工替代植入体三维模型；
b、对骨植入体进行受力分析，将该结构沿平行骨植入体受力方向和垂直受力方向对植入体三维模型进行双向阵列填充与多孔化，形成双向拉/压应力交互作用刺激，从而形成应激诱导骨生长功能性植入体。
工作原理：第一边或第二边受载情况下，中间正六边形呈受拉态，而相邻第一曲边、第四曲边呈双向呈受压态，形成双向拉/压交互作用，显著刺激多孔结构内骨组织诱导生长能力；同时侧向无变形位移增强植入体与骨组织间结合能力，且相邻双向压应力明显避免多孔结构的失稳和失效。
有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著性特点：
1、依据人工骨植入体的性能需求，构建了负泊松比材料制成的单胞结构，人体正常活动中，正六边形与其相邻负泊松比结构分别呈受拉态与双向呈受压态，形成的双向拉/压交互作用力显著刺激多孔结构内骨组织诱导生长能力，相比于单一的多孔结构，能实现双相拉/压作用力，明显刺激与诱导故生长，提高骨愈合能力；
2、本发明设计的中间各向同性的正六边形与相邻两侧负泊松比结构组成的单胞结构在受载时，双向外侧呈受压态，能有效避免多孔结构的失稳和失效，且侧向无应变位移量，增强骨组织与植入体间界面结合能力，相比于前述的受拉态多孔结构而言，本发明的结构能明显避免多孔结构的提前失效，显著延长植入体的服役寿命；
3、单一负泊松比结构仅能产生侧向压应力，无法进一步刺激多孔结构内骨组织生长动力，另一方面，正六面体结构也仅能产生侧向拉应力，极易引起多孔结构失效，同时对刺激诱导多孔结构内骨组织生长能力有限，本发明能在产生双向拉/压应力，能有效刺激和诱导骨生长能力。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明单胞结构(1)的结构示意图。
图3是本发明单胞结构(1)在高载荷条件下应变云图。
图4是本发明单胞结构(1)在低载荷条件下应变云图。
具体实施方式
以说明书附图中所示的方向为上下左右。
如图1～2所示，单胞结构1沿水平方向通过连接杆2与另一个单胞结构1相连，沿垂直方向平行生长，整体形成一个应激诱导骨生长植入体的结构。单胞结构1的第一边101和第二边102平行，第一曲边103和第四曲边106向单胞结构1内侧凹陷，第二曲边104和第三曲边105向单胞结构1外侧凸出，第一边101、第二边102、第一曲边103、第二曲边104、第三曲边105、第四曲边106围合而成的形状自左向右依次为内凹正六边形、正六边形、内凹正六边形。
如图3～4，应激诱导骨生长植入体的结构在侧向上无应变位移，且变形主要集中在中间区域，即在负泊松比结构(第一曲边103、第四曲边106)上产生侧向均匀的压应力及压应变，而正六边形结构(第二曲边104、第三曲边105)上产生侧向均匀的拉应力及拉应变。在应激诱导骨生长植入体的结构单胞中形成拉/压的复合受力状态，有利于刺激与诱导多孔结构内骨组织的生长能力。还可以通过改变载荷实现不同拉/压的复合受力大小的调控，有效刺激骨组织生长，满足不同患者人群的需求。
该结构的使用方法，包括以下步骤：
a、采用多排螺旋CT机扫描获得患者病患处骨骼系列连续CT片层数据，将其导入到Minics软件中，Minics软件是现有的，对病变缺损处进行曲面修补，构建完整的人工替代植入体三维模型；
b、对骨植入体进行受力分析，将该结构沿平行骨植入体受力方向和垂直受力方向对植入体三维模型进行双向阵列填充与多孔化，形成双向拉/压应力交互作用刺激，从而形成应激诱导骨生长功能性植入体。

Claims (8)

1.一种应激诱导骨生长植入体的结构，其特征在于：包括单胞结构(1)，所述单胞结构(1)能够沿水平、垂直方向生长，所述单胞结构(1)包括第一边(101)、第二边(102)、第一曲边(103)、第二曲边(104)、第三曲边(105)和第四曲边(106)，所述第一边(101)和第二边(102)平行，所述第一曲边(103)和第四曲边(106)向单胞结构(1)内侧凹陷，所述第二曲边(104)和第三曲边(105)向单胞结构(1)外侧凸出。
2.根据权利要求1所述的一种应激诱导骨生长植入体的结构，其特征在于：所述第一边(101)、第二边(102)、第一曲边(103)、第二曲边(104)围合而成的形状为内凹正六边形，所述第一边(101)、第二边(102)、第二曲边(104)、第三曲边(105)围合而成的形状为正六边形，所述第一边(101)、第二边(102)、第三曲边(105)、第四曲边(106)围合而成的形状为内凹正六边形。
3.根据权利要求2所述的一种应激诱导骨生长植入体的结构，其特征在于：所述正六边形的边长为0.4～5mm。
4.根据权利要求1所述的一种应激诱导骨生长植入体的结构，其特征在于：所述单胞结构(1)通过连接杆(2)沿水平方向生长。
5.根据权利要求4所述的一种应激诱导骨生长植入体的结构，其特征在于：所述单胞结构(1)和连接杆(2)均为负泊松比结构。
6.根据权利要求5所述的一种应激诱导骨生长植入体的结构，其特征在于：所述负泊松比结构为医用纯钛、钛合金、镁合金、不锈钢、纯钛/羟基磷灰石复合材料、镁合金/磷酸三钙复合材料或不锈钢/磷酸钙复合材料。
7.一种应激诱导骨生长植入体的结构的成形方法，其特征在于，其特征在于：采用负泊松比材料通过选区激光熔化或选区激光烧结工艺成形。
8.一种应激诱导骨生长植入体的结构的使用方法，其特征在于包括以下步骤：
(a)采用多排螺旋CT机扫描获得患者病患处骨骼系列连续CT片层数据，将其导入到Minics软件中，对病变缺损处进行曲面修补，构建完整的人工替代植入体三维模型；
(b)对骨植入体进行受力分析，将该结构沿平行骨植入体受力方向和垂直受力方向对植入体三维模型进行双向阵列填充与多孔化，形成双向拉/压应力交互作用刺激，从而形成应激诱导骨生长功能性植入体。
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