CN110542632B - 3d打印钛合金骨小梁结构袖套通孔率的测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了3D打印钛合金骨小梁结构袖套通孔率的测量方法,根据骨小梁结构袖套的特点,将骨小梁结构袖套分成12个区域;创建用晶体结构骨小梁或有利于骨长入骨小梁构成的骨小梁结构袖套理论模型,获得骨小梁结构袖套理论模型表面和内部骨小梁结构形态的图形;采用牙托粉灌注3D打印钛合金骨小梁结构袖套,获得3D打印钛合金骨小梁结构袖套在表面和内部骨小梁结构的形态图形;利用数字相关技术采集到3D打印钛合金骨小梁结构袖套表面和内部的骨小梁结构形态图形的清晰图像;采用比较法确定3D打印钛合金骨小梁结构袖套的表面、内部通孔率,本方法目的在于准确的检验3D打印机打印钛合金骨小梁结构袖套的通孔率。
Description
技术领域
本发明涉及3D打印钛合金骨小梁结构袖套通孔率的测量方法,属于医疗器械金属植入物设计和制造技术领域。
背景技术
目前,国内外已经有一些关于3D打印钛合金骨小梁假体设计和应用的报道,但是对于影响钛合金骨小梁细胞生长和骨长入性能重要指标的通孔率还没有相应的测试方法。刘屹等人公布了采用平型光检测陶瓷载体通孔率的装置,201120211275.1,蒋大成公布了采用平行光和毛玻璃测量汽车尾气过滤器通孔率的方法,201410086862.0。用此种方法检测钛合金用骨小梁构成的多层多孔结构,会因为多层多孔材料的相互遮挡造成检测的误差。采用滴液法测量骨小梁的通孔率无法确定骨小梁内部孔洞堵塞的位置与数量。
而钛合金骨小梁结构袖套,是用于骨关节炎导致的初次及翻修髋关节置换手术的关键部件,通过初期压配固定在股骨髓腔,其长期稳定性依靠骨小梁的细胞生长和骨长入性能;但袖套的三角形设计,锥度锁定,表面为阶梯状处理,使得钛合金骨小梁结构袖套表面及内部结构相对复杂,增加了骨小梁结构通孔率测量的困难程度。
发明内容
本发明提出了3D打印钛合金骨小梁结构袖套通孔率的测量方法,目的在于检验用3D打印机打印的钛合金骨小梁结构袖套的通孔性能。
本发明是通过以下技术方案予以实现:
根据骨小梁结构袖套的特点,将骨小梁结构袖套分成12个区域,其中壶嘴部分分成3个区域,锥体部分分成9个区域,共12个区域,这12个区域的骨小梁可以代表袖套的骨小梁结构;创建用晶体结构骨小梁或有利于骨长入骨小梁构成的骨小梁结构袖套理论模型,获得骨小梁结构袖套理论模型表面和内部骨小梁结构理论形态图形;采用自凝牙托水和牙托粉混合搅拌后填充3D打印钛合金骨小梁结构袖套,固结钛合金的骨小梁丝,保证进行机械加工时,阻止被切断的骨小梁丝掉入骨小梁结构内部,进而获得3D打印钛合金骨小梁结构袖套在表面和内部骨小梁结构的实际形态图形;利用数字图像相关技术采集3D打印钛合金骨小梁结构袖套表面和内部的骨小梁结构形态图形的清晰图像;采用比较法确定3D打印钛合金骨小梁结构袖套表面、内部的通孔率,即比较给定表面和内部3D打印钛合金骨小梁结构袖套的骨小梁实际形态图形和骨小梁结构袖套理论模型骨小梁理论形态图形中孔的个数,计算确定3D打印钛合金骨小梁结构袖套结构的通孔率,取3D打印钛合金骨小梁结构袖套的表面和内部骨小梁通孔率的最小值作为3D打印钛合金骨小梁结构袖套的通孔率。
3D打印钛合金骨小梁结构袖套的通孔测量实验实施结果表明,本发明提出的3D打印钛合金骨小梁结构袖套通孔率的测量方法可行。
本发明的有益效果
本发明根据袖套的结构特点,将骨小梁结构袖套分成12个区域,其中壶嘴部分分成3个区域,锥体部分分成9个区域,将复杂结构的袖套分成12个区域,12个区域的骨小梁可以代表袖套的骨小梁结构,使骨小梁袖套通孔率的检测方法更简便有效。
采用晶体结构骨小梁或任何有利于骨长入的骨小梁结构制备了3D打印钛合金骨小梁结构袖套的骨小梁,促进骨组织在袖套的骨长入。
按照袖套的尺寸和规格,用晶体结构骨小梁或任何有利于骨长入的骨小梁结构经过拓扑扩展形成能够包含骨小梁结构袖套体积的理论模型。用袖套表面和深入袖套表面一定厚度的面切割骨小梁的体积模型,得到骨小梁结构袖套理论模型表面和内部骨小梁结构的理论形态图形。采用与实际切割相同的理论方法获得骨小梁结构袖套理论模型表面和内部骨小梁结构的形态图形,保证对比法确定3D打印钛合金骨小梁结构袖套的表面、内部通孔率的可靠性和有效性。
将自凝牙托水和牙托粉混合搅拌后,填充3D打印钛合金骨小梁结构袖套。经填充后的3D打印钛合金骨小梁结构袖套,在去除钛合金骨小梁材料时可以阻止被切断的钛合金骨小梁丝掉入骨小梁结构内部。
获得3D打印钛合金骨小梁结构袖套表面与内部骨小梁结构实际形态图形的方法。采用精密铣床,精度为0.01-0.05mm和专用夹具(已经另行申请发明专利)去除袖套表面的高分子材料,获得3D打印钛合金骨小梁结构袖套表面的骨小梁的实际形态图形,切割后的试件采用高目水砂纸打磨,清除刀痕;采用精密铣床和专用夹具,去除一定厚度的骨小梁和高分子填充物,获得3D打印钛合金骨小梁结构袖套内部的骨小梁结构实际形态图形。该方法解决了目前骨小梁图像采集方法不能获得3D打印钛合金骨小梁结构袖套表面和内部骨小梁实际形态图形的问题。该方法获得的骨小梁图像清晰,优于MICRO CT图像。
用数字图像相关技术采集3D打印钛合金骨小梁结构袖套表面和内部的骨小梁实际形态图形,该方法具有放大倍数高(30-50倍),采集图像方便和图像清晰的优点。
骨小梁结构袖套理论模型是用骨小梁的最小单元经拓扑扩展后得到,且骨小梁结构袖套理论模型通孔率为100%,所以在骨小梁结构袖套理论模型的任一个测试面,无论骨小梁的形态如何,其所在测试面的通孔率也是100%。对比3D打印钛合金骨小梁结构袖套在表面和内部骨小梁实际形态图形和骨小梁结构袖套理论模型在表面和内部的骨小梁理论形态图形,根据骨小梁结构袖套理论和实际形态图形中孔洞的数量,计算确定3D打印钛合金骨小梁结构袖套表面和内部的通孔率。如果3D打印钛合金骨小梁结构袖套在指定测试面的骨小梁实际形态图形的孔洞堵塞数为ms,骨小梁结构袖套理论模型骨小梁理论形态图形的孔洞数为mt,则在该测试面3D打印钛合金骨小梁结构袖套的通孔率为:
P=((mt-ms)/mt)*100% (1)
量化骨小梁结构袖套理论模型与3D打印钛合金骨小梁结构袖套表面和内部指定测试面的骨小梁形态图形的孔洞数,计算该测试面的通孔率,然后取表面和内部通孔率的最小值作为3D打印钛合金骨小梁袖套的通孔率,可以真实准确地反映3D打印钛合金骨小梁袖套的通孔率。
附图说明
图1 3D打印钛合金骨小梁结构袖套及其通孔率测量数字图像相关技术测量方法的设备。
1.3D打印钛合金骨小梁结构袖套,2.光源,3.CCD摄像机,4.控制计算机和屏幕。
图2骨小梁结构袖套的理论图形。
图3 3D打印钛合金骨小梁结构袖套的分区图。
13为1区,14为2区,15为3区,16为4区,17为5区,18为6区,19为7区,20为8区,21为9区,22为10区,23为11区,24为12区。
图4骨小梁结构袖套理论模型9区表面图形,5为钛合金骨小梁,6为孔洞。
图5骨小梁结构袖套理论模型9区内部图形,7为钛合金骨小梁,8为孔洞。
图6 3D打印钛合金骨小梁结构9区表面骨小梁,9为钛合金骨小梁,10为填充物。
图7 3D打印钛合金骨小梁结构9区深层骨小梁,11为钛合金骨小梁,12为填充物。
具体实施方式
首先根据骨小梁结构袖套的特点,将骨小梁结构袖套分成12个区域(如图3),其中壶嘴部分分成3个区域,锥体部分分成9个区域,共12个区域,12各区域的骨小梁可以代表袖套的骨小梁结构。
获得钛合金试件骨小梁理论模型不同位置骨小梁形态图形的方法为,按照袖套的尺寸和规格,用晶体结构骨小梁或任何有利于骨长入的骨小梁结构经过拓扑扩展形成能够包含骨小梁结构袖套体积的理论模型(如图2)。用袖套表面和深入袖套表面一定厚度的面切割骨小梁结构袖套的体积模型,得到骨小梁结构袖套理论模型表面和内部骨小梁结构的理论形态图形。
取一定比例的自凝水和牙托粉,倒入容器进行混合,充分搅拌后均匀填充3D打印钛合金骨小梁结构袖套,保证表面和内部填充均匀,室温条件为20度,在室温条件下干燥。
将干燥后的3D打印钛合金骨小梁结构袖套放置于精密铣床进行加工,铣床精度0.01-0.05mm,对袖套每个区域逐步去除3D打印钛合金骨小梁结构袖套表面的高分子材料,获得3D打印钛合金骨小梁结构袖套表面的骨小梁实际形态图形;采用铣床继续去除3D打印钛合金骨小梁结构袖套的骨小梁和填充材料,获得3D打印钛合金骨小梁结构袖套内部的骨小梁实际形态图形。采用高目水砂纸打磨试件,去除3D打印钛合金骨小梁结构袖套加工面的加工痕迹。机加工与图像采集的顺序为,首先进行机加工和打磨获得袖套表面骨小梁实际形态图形,完成袖套表面骨小梁实际形态图形的采集以后,继续进行铣削加工和打磨,获得袖套内部骨小梁的实际形态图形,再进行图像采集。
采用数字图像相关技术采集3D打印钛合金骨小梁结构袖套表面和内部的骨小梁实际形态图形。首先进行放大倍数标定,标定采用钢板尺,放大倍数为30-50。调整上下,左右和前后旋钮保证数字图像相关技术设备的图像采集区位于试件分区边缘的中间,保证图像清晰(如图1)。
确定3D打印钛合金骨小梁结构袖套通孔率的方法包括确定3D打印钛合金骨小梁结构袖套表面和内部的通孔率以及3D打印钛合金骨小梁结构袖套的通孔率。在得到3D打印钛合金骨小梁结构袖套表面的骨小梁实际形态图形(如图6)和内部的骨小梁实际形态图形(如图7)以后,与骨小梁结构袖套理论模型表面的骨小梁理论形态图形(如图4)和内部的骨小梁理论形态图形(如图5)比较。如果3D打印钛合金骨小梁结构袖套实际形态图形的孔洞数与骨小梁结构袖套理论形态图形的孔洞数相同,则通孔率为100%,如果3D打印钛合金骨小梁结构袖套的实际形态图形孔洞数小于骨小梁结构袖套理论形态图形的孔洞数,则按照计数的孔洞数由(1)式计算该测试面的通孔率。确定了3D打印钛合金骨小梁结构袖套表面和内部骨小梁的通孔率以后,取通孔率的最小值作为3D打印钛合金骨小梁结构袖套的通孔率。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,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 (7)
1.一种3D打印钛合金骨小梁结构袖套通孔率的测量方法,包括如下步骤:
提供3D打印钛合金骨小梁结构袖套;
以晶体结构骨小梁或有利于骨长入骨小梁构成的骨小梁结构经过拓扑扩展形成能够包含3D打印钛合金骨小梁结构袖套体积的理论模型,以袖套表面和深入袖套表面一定厚度的面切割所述理论模型,获得3D打印钛合金骨小梁结构袖套理论模型表面和内部骨小梁结构的理论形态图形;
采用自凝牙托水和牙托粉按照一定比例倒入容器,混合搅拌后填充3D打印钛合金骨小梁结构袖套,以保证3D打印钛合金骨小梁结构袖套的表面和内部填充均匀;
对3D打印钛合金骨小梁结构袖套进行机械加工,并利用数字图像相关技术设备采集3D打印钛合金骨小梁结构袖套表面和内部骨小梁结构的实际形态图形,获得清晰的图像,统计实际形态图形中孔的个数;
将骨小梁结构袖套的各表面和内部的实际形态图形中的孔数与骨小梁结构袖套理论模型的对应表面和内部的理论形态图形中孔的个数的比值确定为通孔率;
将各表面和内部的通孔率的最小值作为该3D打印钛合金骨小梁结构袖套的通孔率。
2.根据权利要求1所述的3D打印钛合金骨小梁结构袖套通孔率的测量方法,其中,将骨小梁结构袖套分成12个区域,获得每个区域的骨小梁的实际形态图形,其中,骨小梁结构袖套的壶嘴部分分成3个区域,骨小梁结构袖套的锥体部分分成9个区域。
3.根据权利要求1所述的3D打印钛合金骨小梁结构袖套通孔率的测量方法,其中,所述自凝牙托水和牙托粉在20度的室温条件下混合搅拌后填充3D打印钛合金骨小梁结构袖套,保证表面和内部填充均匀,在室温条件下干燥。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的3D打印钛合金骨小梁结构袖套通孔率的测量方法,其中,采用精密铣床和夹具,以0.01-0.05mm的精度去除表面的高分子材料,获得3D打印钛合金骨小梁结构袖套表面的骨小梁结构的实际形态图形,切割后的试件采用高目水砂纸打磨,清除刀痕。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的3D打印钛合金骨小梁结构袖套通孔率的测量方法,其中,采用精密铣床和夹具,去除一定厚度的骨小梁和高分子填充物,获得3D打印钛合金骨小梁结构袖套内部的骨小梁结构的实际形态图形,切割后的试件采用高目水砂纸打磨,清除刀痕。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的3D打印钛合金骨小梁结构袖套通孔率的测量方法,其中,所述数字图像相关技术设备包括能够调节放大倍数的高倍照像机、数字图像相关技术的测试软件和计算机处理系统。
7.根据权利要求6所述的3D打印钛合金骨小梁结构袖套通孔率的测量方法,其中,所述高倍照像机的放大倍数为30-50倍。
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