CN112057207A - 一种人工关节涂层结构及其人工关节 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及3D打印技术领域，尤其涉及一种人工关节涂层结构。所述涂层本体呈立体网状结构，所述立体网状结构包括结点及连接在相邻结点之间的网丝；所述立体网状结构由相互连接的多个单位体构成，所述单位体的外轮廓呈六面框结构，所述六面框结构包括12条棱线和8个顶点，所述网丝包括由所述单位体棱线形成的外网丝，所述结点包括由所述单位体的顶点形成的外结点，相邻所述单位体的对应面的外结点以及外网丝重合。本发明还公开了一种人工关节。本发明的有益效果是；获得的涂层结构具有宏观上结构均匀、微观上具有结构差异性，孔隙率类似真实人体骨骼，强度高、与人体组织融合性好的特点；本发明的建模方法，便于利用金属激光3D打印形成。
Description
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，尤其涉及一种人工关节涂层结构及其人工关节。
背景技术
目前，在临床上已经广泛采用置换人工关节假体的方式，来治疗肩、髋等关节骨性关节炎、骨折、骨损伤、骨头缺血性坏死等疾病。现有的人工关节假体结构设计多样，而人工关节表面多孔涂层对于假体置换的效果至关重要，其决定了假体与人体组织之间的生物相容性与耐久度问题。
目前制造人工关节中的表面多孔涂层采用的技术多为金属微珠烧结、金属细丝编织、等离子喷涂。更先进的技术如化学蒸汽沉积和电弧离子镀低温沉积也被用于制造人工关节的表面涂层。这些技术受限于其制造原理和较低的分辨率，在制造过程中难以精确控制涂层中孔结构的几何形状，难以满足人体骨组织良好得生长进入涂层结构的要求。这直接导致了人工关节植入物与人体本身骨骼的相容性较低，耐久度差，一般来讲每隔十年甚至数年就因为关节植入物的性能下降而需要再次进行对病人身心造成巨大痛苦的人工关节置换手术。因此对于年龄较小的病人，植入物与人体的相容性和长期稳定性尤为重要
近几年发展迅速的激光金属3D打印技术因具有高分辨率和精确控制打印部件结构的特性，可成型极度复杂形状的零件，在工业制造、科学研究和医疗领域得到了越来越广泛的应用。这为人工假体涂层的制造工艺带来了更大的结构设计自由度，使得比较理想的人工假体结构得以实现。
然而，3D打印技术极为依赖计算机辅助设计，尤其是在设计多孔结构的计算机算法和打印机数据准备上。因此，如何设计与人体骨组织之间生物相容性与耐久度高的人工关节涂层结构是将激光金属3D打印成功运用于制造高性能人工关节涂层的关键问题。
发明内容
本发明针对上述现有人工关节多孔涂层制造技术的不足，提供一种能显著提高假体质量的人工关节涂层结构。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种人工关节涂层结构，包括涂层本体，其特征在于，所述涂层本体呈立体网状结构，所述立体网状结构包括结点及连接在相邻结点之间的网丝。所述立体网状结构由相互连接的多个单位体构成，所述单位体的外轮廓呈六面框结构，所述六面框结构包括12条棱线和8个顶点，所述网丝包括由所述单位体棱线形成的外网丝，所述结点包括由所述单位体的顶点形成的外结点，相邻所述单位体的对应面的外结点以及外网丝重合。
本发明的有益效果是：采用立体网状结构可以根据所制作植入物的具体要求，通过灵活的设定网丝粗细以及网丝连接结点之间的距离，能较好的保证植入物具有与真实骨结构相似的微观结构、高孔隙率相比较于传统的骨增长涂层结构能够让骨组织更深的生长进人工涂层从而提供更高的结合强度。同时，不同的参数产生的不同微观结构提供了针对不同个体的定制化可能。所述单位体的外轮廓呈六面框结构，能充分保证涂层结构的相对密度低、重量轻、渗透性好等性能。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述结点还包括设于所述单位体内的内结点，所述网丝还包括所述单位体的各个所述外结点与所述内结点连接形成的内网丝。
采用上述进一步方案的有益效果是：通过六面框结构的各个外结点在六面框内部连接为一点，即内结点，在保证相对密度低的同时进一步提高了涂层的支撑强度。由于内结点与外结点的连接，使所有的网丝都可以归纳到某个三角形的一个边，因此使本发明的立体网状结构具备了三角形的稳定性即高的支撑强度。
进一步，所述内结点的位置由经过随机函数运算得出的偏移量确定。
采用上述进一步方案的有益效果是：所述内结点的位置的随机移动，其移动范围在六面框内或外，这样从涂层整体结构讲具有均匀性，而单位体结构具有相对不同性，这样更接近于人体骨骼特点，进而促进了生物相容性。
进一步，所述单位体的外轮廓呈平行六面框结构或不平行六面框结构。所述不平行六面框结构由将所述平行六面框结构的一个或多个外结点经过随机函数运算得出偏移量并移动位置后形成。
采用上述进一步方案的有益效果是：也可以经过对平行六面框结构结构采用外结点随机移动的方式形成不平行六面框结构。这种结构既保留了整体涂层结构的均匀性，也具有单位体自身形状的相对不同性，与人体骨骼不规整结构的特点更适配，进而促进了生物相容性。
进一步，所述平行六面框结构包括正六面框结构。
采用上述进一步方案的有益效果是：正六面框结构在构建模型时容易表示，为后期的随机化过程减少计算量。
本发明还公开了一种人工关节，其特征在于，包括基体，还包括如上所述的涂层，所述涂层利用3D激光打印成型于所述基体上。
本发明的有益效果是：将人工关节与人体的结合面采用涂层结构，既保证了与人体结构的融合性，又降低了成本。
附图说明
图1为本发明一种人工关节涂层结构示意图；
图2为本发明的单位体(平行六面框结构)结构示意图；
图3为图2中外结点经过位置变换后的结构示意图；
图4为本发明的带有内网丝的单位体结构示意图；
图5为图4中经过内结点位置变换后的单位体结构示意图；
图6为图5中经过外结点位置变换后的单位体结构示意图；
图7为发明中所述关节涂层本体的3D打印数据模型生成过程
示意图(平面)；
图8为按本发明的一个正方体三维模型组织结构示意图；
图9为图8的局部放大图；
图10为本发明的一种人工关节结构示意图。
图中，1、三维模型S；2、外接矩形框SBB；3、单位体；3-1、外网丝；3-2、内网丝；3-3、外结点；3-4、内结点；01、基体；02、涂层。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1-图6所示，一种人工关节涂层结构，包括涂层本体，所述涂层本体02呈立体网状结构，所述立体网状结构包括结点及连接在相邻结点之间的网丝。
所述立体网状结构由相互连接的多个单位体3构成，所述单位体3的外轮廓呈六面框结构，所述六面框结构包括12条棱线和8个顶点，所述网丝包括由所述单位体棱线形成的外网丝3-1，所述结点包括由所述单位体3的顶点形成的外结点3-3，相邻所述单位体3的对应面的外结点3-3以及外网丝3-4重合。
所述结点还包括设于所述单位体3内的内结点3-4，所述网丝还包括所述单位体3的各个所述外结点3-3与所述内结点3-4连接形成的内网丝3-2。
所述内结点3-4的位置由经过随机函数运算得出的偏移量确定。
所述单位体3的外轮廓呈平行六面框结构或不平行六面框结构。所述不平行六面框结构由将所述平行六面框结构的一个或多个外结点3-3经过随机函数运算得出偏移量并按偏移量移动位置后形成。当外结点3-3坐标变化时，相应的外网丝随之变化，进而形成一个不平行六面框结构。
所述平行六面框结构包括正六面框结构。
具体随机函数运算时，对偏移百分比给出限定(偏移百分比可取为单位体边长的-60％到+60％)。例如，最大偏移量为单位体边长的正负60％，即每个顶点各维度坐标数值的增加或减小最大为单位体边长的60％。
如图7所示，本发明的所述关节涂层本体的3D打印数据模型生成步骤如下；为了便于理解，其中假设涂层本体为球形，并采用平面图以便于清晰观察。
1)、根据所述涂层本体结构在电脑中建立三维模型S1；该三维模型轮廓即是需要形成的涂层轮廓。
2)、计算所述三维模型S1的外接矩形框SBB2(S Bounding Box)；
3)、体素化所述三维模型S的外接矩形框SBB；所述体素化即将所述外接矩形框SBB分成若干个呈立体分布的平行六面框，每个六面框为一个所述单位体3，每个所述单位体3包括12条棱线、8个外结点3-3及1个内结点3-4，每个所述单位体3的棱线以及外结点与内结点的连线形成所述网丝，所述外接矩形框SBB内部呈现出所述立体网状结构；
4)、剪裁：修剪所述外接矩形框SBB，、即去除所述三维模型S1外部的所述结点及网丝，形成与所述三维模型S1轮廓相适配的三维结构；
5)、将裁剪后的各个所述外结点、内结点及网丝的位置坐标存储并形成建模数据，即完成所述3D打印数据模型的构建。
当通过3D打印人工关节涂层时，只需要将该建模数据作为三维立体模型，并按平面分层处理，然后3D打印机就能分层打印形成立体网状结构的假体涂层02。
如图8和图9所示，为按本发明的一个正方体三维模型组织结构示意图；
如图10所示，为本发明还公开了一种人工关节结构示意图，其包括基体01，还包括如上所述的涂层02，所述涂层02利用3D激光打印成型于所述基体上。
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 (6)
1.一种人工关节涂层结构，包括涂层本体，其特征在于，所述涂层本体呈立体网状结构，所述立体网状结构包括结点及连接在相邻结点之间的网丝；
所述立体网状结构由相互连接的多个单位体构成，所述单位体的外轮廓呈六面框结构，所述六面框结构包括12条棱线和8个顶点，所述网丝包括由所述单位体棱线形成的外网丝，所述结点包括由所述单位体的顶点形成的外结点，相邻所述单位体的对应面的外结点以及外网丝重合。
2.根据权利要求1所述的人工关节涂层结构，其特征在于，所述结点还包括设于所述单位体内的内结点，所述网丝还包括所述单位体的各个所述外结点与所述内结点连接形成的内网丝。
3.根据权利要求2所述的人工关节涂层结构，其特征在于，所述内结点的位置由经过随机函数运算得出的偏移量确定。
4.根据权利要求2或3所述的人工关节涂层结构，其特征在于，所述单位体的外轮廓呈平行六面框结构或不平行六面框结构；所述不平行六面框结构由将所述平行六面框结构的一个或多个外结点经过随机函数运算得出偏移量并移动位置后形成。
5.根据权利要求4所述的人工关节涂层结构，其特征在于，所述平行六面框结构为正六面框结构。
6.一种人工关节，其特征在于包括基体，还包括如权利要求1～5任一项所述的涂层，所述涂层利用3D激光打印成型于所述基体上。
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