CN110464514B - 蜂窝夹芯结构在椎体植入物中的应用及植入物的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及人体脊柱椎体植入物相关技术领域，具体是蜂窝夹芯结构在椎体植入物中的应用及植入物的制备方法，旨在解决现有椎体植入物有效性差、可控性差、安全性差的技术问题。制备方法如下：1）根据椎体需植入区域的几何尺寸建立蜂窝夹芯结构的初步有限元模型；2）给蜂窝夹芯结构赋松质骨材料属性，采用蒙板厚度A、蜂壁厚度B、蜂格边长C、蜂窝高度D四个参数进行正交实验，以压应力最小、质量最轻为目标，建立蜂窝夹芯结构的最终有限元模型；3）选择对人体细胞组织没有毒性、且与松质骨材料的力学性能相同的材料，用3D打印机将蜂窝夹芯结构的最终有限元模型打印出来，得到蜂窝夹芯结构的椎体植入物，作为人体脊柱椎体植入物。

Description

蜂窝夹芯结构在椎体植入物中的应用及植入物的制备方法

技术领域

本发明涉及人体脊柱椎体植入物相关技术领域，具体是蜂窝夹芯结构在椎体植入物中的应用及植入物的制备方法。

背景技术

脊柱是人体重要的器官，具有连接四肢、承受上半身体重，保护内脏器官，减轻外来震荡等作用。生产生活中因脊柱受力而导致的椎体坍塌等脊柱压缩性损伤较为常见，影响患者生活质量的同时，也为家庭和社会带来经济负担。目前临床中常见的治疗椎体坍塌的手术方案，是使用骨水泥进行填充。但使用骨水泥进行填充存在以下三个主要缺点： 1）由于骨水泥自身的特性，在聚合时会产生热量，可能会引起周围神经的损伤，同时也可能降低周围组织的抗感染能力，间接促进感染发生；2）部分患者在使用骨水泥后出现休克、肺栓塞等严重过敏反应，虽然发生率不高，但危害极大；3）注射骨水泥的用量多依赖于医生经验，缺乏生物力学依据，也有临床病例报道，一个椎体填充骨水泥后，相邻椎体也发生了坍塌。为了实现椎体植入物的实用性、安全性和有效性，在临床医学中急需一种具有质量轻、结构稳定、力学性能好、无毒副作用、使用寿命长等优良特性的椎体植入物。

发明内容

本发明旨在解决现有椎体植入物有效性差、可控性差、安全性差的技术问题。为此，本发明提出蜂窝夹芯结构在椎体植入物中的应用及一种人体脊柱椎体植入物的制备方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

蜂窝夹芯结构在人体脊柱椎体植入物中的应用，所述的蜂窝夹芯结构由上蒙板、下蒙板及位于之间的蜂窝夹芯组成。

一种人体脊柱椎体植入物的制备方法，包括以下制备步骤：

I、扫描患者发生损伤的脊柱椎体，根据所述脊柱椎体需植入区域的几何尺寸确定蜂窝夹芯结构的蒙板厚度A、蜂壁厚度B、蜂格边长C、蜂窝高度D的取值范围，并分别赋初值，建立蜂窝夹芯结构的初步有限元模型；

II、对步骤I建立的蜂窝夹芯结构的初步有限元模型赋松质骨材料属性，限制所述下蒙板的6个自由度，在所述上蒙板的上表面施加垂直于上蒙板的生理载荷，计算蜂窝夹芯结构的压应力分布情况，并采用蒙板厚度A、蜂壁厚度B、蜂格边长C、蜂窝高度D四个参数在步骤I确定的取值范围内进行正交实验，以压应力最小为目标，得到多组预选参数，然后再将多组预选参数进行对比，综合考虑质量轻、压应力小两个因素选出最优的四个参数值a、b、c、d，建立蜂窝夹芯结构的最终有限元模型；

III、选择对人体细胞组织没有毒性、且与松质骨材料的力学性能相同的材料，用3D打印机将步骤II中建立的蜂窝夹芯结构的最终有限元模型打印，得到蜂窝夹芯结构的椎体植入物，作为人体脊柱椎体植入物。

本发明的有益效果是：

本发明首次提出将蜂窝夹芯结构应用在人体脊柱椎体植入物中，相对于现有骨水泥填充技术，是先在人体外制作植入物，将植入物成型后直接嵌入至椎体损伤部位，不存在散热损伤周围组织的现象，过敏率更低，安全性更高，并且由于在体外进行制作，植入物的大小也便于控制；另外，利用蜂窝夹芯结构的力学特性，结构更加稳定，质量也更轻，更加符合椎体植入物的要求。

本发明还提出一种椎体植入物的制备方法，依据患者的椎体几何尺寸，在有限元软件中采用正交实验，结合质量较轻、应力较小原则，设计出植入物的最终有限元模型，然后通过3D打印机打印出来。整个方法精确度高，植入物的各个参数通过有限元数据模拟试验确定，可靠性高，操作简单方便，效率更高。

附图说明

图1是Mimics中建立人体脊柱腰椎（L₄）椎体的有限元模型；

图2是蜂窝夹芯结构的初步有限元模型；

图3是原L₄椎体内部应力云图；

图4是嵌入蜂窝夹芯结构椎体植入物的椎体整体应力云图；

图5是嵌入蜂窝夹芯结构椎体植入物的椎体内部应力云图；

图6是嵌入的内部蜂窝夹芯结构的应力云图。

具体实施方式

蜂窝夹芯结构在人体脊柱椎体植入物中的应用，所述的蜂窝夹芯结构由上蒙板、下蒙板及位于之间的蜂窝夹芯组成。20世纪初期，研究者们首次提出“上蒙板-蜂窝夹芯-下蒙板”这种中间采用轻质材料、上下板采用实体材料的结构，夹芯部分仿照蜜蜂巢穴的结构，由多个几何外形相同、蜂壁贴合的空心蜂格组成。蜂格横截面形状可以为三边形、四边形、钻石形、正六边形等。这种结构具有重量轻、用材少、成本低和力学性能好等优良特点。上下蒙板的主要功能是承受垂直方向的载荷及剪切应力，同时可承担边界的约束及荷载；夹芯结构的主要用途是加固面板的稳定性和抵抗沿厚度方向的破环力，由不同尺寸的蜂窝夹芯结构所设计出的产品会具有不同的力学性能。蜂窝夹芯结构已在航空业、车辆业、建筑业等领域都得到广泛的应用。本发明创造性的将该蜂窝夹芯结构应用到了人体脊柱椎体的植入物制备上，利用蜂窝夹芯结构固有性质，不但提高了植入物的力学性能，质量更轻，而且由于是成型之后嵌入至椎体中，也不会出现现有骨水泥散热损伤周围组织的现象，无毒副作用，安全性更高。

下面结合一种具体的实施例，对人体脊柱椎体植入物的制备方法进行详细的说明。包括以下步骤：

1）使用CT机，扫描患者已经发生压缩性损伤的脊柱椎体L₄，在医学图像处理软件Mimics中，建立此椎体的几何模型，如图1所示。

2）根据椎体需要填充区域的长、宽、高等几何尺寸确定蜂窝夹芯结构的蒙板厚度A、蜂壁厚度B、蜂格边长C、蜂窝高度D的取值范围，A：0.8—1 mm，B：0.28—0.7 mm，C：1—3mm，D：6—12 mm，并分别赋初值，建立蜂窝夹芯结构的初步有限元模型。蜂窝夹芯结构主要有三部分组成：上蒙板、下蒙板及中间的蜂窝夹芯。蜂窝夹芯仿照蜂窝巢穴的结构，由多个几何外形相同、蜂壁贴合的空心蜂格组成；上蒙板的底面与蜂格上侧顶面固定在一起，下蒙板的顶面与蜂格下侧底面固定在一起；蜂格横截面形状可以为三边形、四边形、钻石形、正六边形等。蜂窝夹芯结构植入物的主要几何参数有A：上下两蒙板的面板厚，B：蜂壁厚度，C：蜂格边长；D：蜂窝高度，以5芯蜂窝结构为例，如图2所示。

3）对步骤1）建立的蜂窝夹芯结构的初步有限元模型赋松质骨材料属性，选择密度：1.70×102 kg/m3，弹性模量E：291 Mpa，泊松比μ:0.25；限制所述下蒙板的6个自由度，在所述上蒙板的上表面施加垂直于上蒙板的生理载荷0.324MPa，计算蜂窝夹芯结构的压应力分布情况，并采用蒙板厚度A、蜂壁厚度B、蜂格边长C、蜂窝高度D四个参数在步骤2）确定的范围内进行正交实验，改变四个参数的数值，以压应力最小为目标，得到多组预选参数，然后再将多组预选参数进行对比，综合考虑质量轻、压应力小两个因素选出最优的四个参数值a、b、c、d，建立蜂窝夹芯结构的最终有限元模型。

4）建立1）中椎体的有限元模型，给该模型赋与3）相同的松质骨材料属性，下侧约束6个自由度，在椎体上侧施加压力竖直方向的生理载荷0.324MPa，计算椎体的内部应力，获得最大应力的数值F₁=1.18587，如图3所示。

5）将步骤3）得到的蜂窝夹芯结构的最终有限元模型，嵌入到步骤4）中赋完松质骨材料属性后的脊柱椎体的有限元模型的损伤位置处，限制脊柱椎体下侧的6个自由度，在脊柱椎体上侧施加竖直方向的且与步骤4）相等的生理载荷，计算脊柱椎体的内部应力分布，获得最大应力的数值F₂=0.781078，如图5所示。

6）、比较步骤5）与步骤4）中脊柱椎体的压应力分布情况，并比较F₂与F₁的大小关系，确认蜂窝夹芯结构的椎体植入物的可行性。结果显示，F₂＜F₁，且步骤5）中的应力分布相对于步骤4）而言，偏差不大，如图3-图6所示。

7）选择对人体细胞组织没有毒性、且与松质骨材料的力学性能相同的材料，用3D打印机将步骤II中建立的蜂窝夹芯结构的最终有限元模型打印，得到蜂窝夹芯结构的椎体植入物，作为人体脊柱椎体植入物。这里的材料选用本领域人员公知的已经验证的对人体无害且可应用于人体骨质移植治疗上的材料即可，如聚丙烯酰胺或自体骨膜或聚乙烯醇或聚乳酸等。

以上具体结构和尺寸数据是对本发明的较佳实施例进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (2)

1.一种人体脊柱椎体植入物的制备方法，其特征在于，脊柱椎体植入物采用蜂窝夹芯结构制成，蜂窝夹芯结构由上蒙板、下蒙板及位于之间的蜂窝夹芯组成，具体包括以下制备步骤：

、扫描患者发生损伤的脊柱椎体，根据所述脊柱椎体需植入区域的几何尺寸确定蜂窝夹芯结构的蒙板厚度A、蜂壁厚度B、蜂格边长C、蜂窝高度D的取值范围，并分别赋初值，建立蜂窝夹芯结构的初步有限元模型；

、对步骤

建立的蜂窝夹芯结构的初步有限元模型赋松质骨材料属性，限制所述下蒙板的6个自由度，在所述上蒙板的上表面施加垂直于上蒙板的生理载荷，计算蜂窝夹芯结构的压应力分布情况，并采用蒙板厚度A、蜂壁厚度B、蜂格边长C、蜂窝高度D四个参数在步骤

确定的取值范围内取值进行正交实验，以压应力最小为目标，得到多组预选参数，然后再将多组预选参数进行对比，综合考虑质量轻、压应力小两个因素选出最优蒙板厚度a、最优蜂壁厚度b、最优蜂格边长c和最优蜂窝高度d，建立蜂窝夹芯结构的最终有限元模型；

、建立步骤

中的脊柱椎体的有限元模型；

、对步骤Ⅲ建立的脊柱椎体的有限元模型赋与步骤

相同的松质骨材料属性，限制脊柱椎体下侧的6个自由度，在脊柱椎体上侧施加竖直方向的生理载荷，计算脊柱椎体的内部应力分布，获得最大应力的数值F₁；

、将步骤

得到的蜂窝夹芯结构的最终有限元模型，嵌入到步骤

中赋完松质骨材料属性后的脊柱椎体的有限元模型的损伤位置处，限制脊柱椎体下侧的6个自由度，在脊柱椎体上侧施加竖直方向的且与步骤

相等的生理载荷，计算脊柱椎体的内部应力分布，获得最大应力的数值F₂；

、比较步骤

与步骤

中脊柱椎体的压应力分布情况，并比较F₂与F₁的大小关系，确认蜂窝夹芯结构的椎体植入物的可行性；

、选择对人体细胞组织没有毒性、且与松质骨材料的力学性能相同的材料，用3D打印机将步骤

中建立的蜂窝夹芯结构的最终有限元模型打印，得到蜂窝夹芯结构的椎体植入物，作为人体脊柱椎体植入物。

2.根据权利要求1所述的一种人体脊柱椎体植入物的制备方法，其特征在于：所述步骤

在步骤

中完成。

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