CN113069245A - 一种新型髌骨假体及其设计与制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型髌骨假体及其设计与制备方法，综合考虑3D打印成型技术与注塑成型技术的工艺约束，通过基于髌骨几何结构的模具设计方法，使得髌骨具有所述内侧关节面和所述外侧关节面，对3D成型制备的髌骨模具进行具有针对性的3D成型基准面的选择及模具分型面的设计，模具包括上层模具和下层模具，并在上层模具上制作由上浇注口，下层模具上制作下浇注口，并在下层模具上具有分型面，从而保证髌骨假体的注塑质量及便于取出。
Description
技术领域
本发明涉及医学领域，尤其涉及一种新型髌骨假体及其设计与制备方法。
背景技术
目前髌骨骨折是临床常见的一种骨折类型，其发生率较高。常由于直接暴力、间接暴力和混合性暴力所致，骨折后主要使伸膝活动受到显著影响，髌骨骨折后应尽量恢复关节面的平整，因为髌骨与股骨内外髁的前方形成髌股关节，这样可以减少创伤性髌股关节炎的发生，防止膝关节屈曲挛缩等。如果处理不当可以造成骨折不愈合、关节炎粘连、创伤性关节炎、骨感染等并发症。手术治疗适用于Ⅱ型、Ⅲ型髌骨骨折，此二型骨折影响到髌骨的关节面，日后创伤性关节炎的风险极大，因此需要对髌骨关节面的平整性注重关注。因此髌骨置换术主要针对髌骨骨折、髌骨坏死、髌骨软骨缺失或病变等适应症。相对于钢丝、钛缆环扎内固定，张力带内固定，镍钛聚髌器内固定，Cable-Pin内固定系统，髌骨复位固定器，髌骨外固定与关节镜的结合等手术方式，采用髌骨假体置换的方法，可以有效保证髌骨的力学特征。
髌骨是股四头肌肌腱中形成的一块籽骨，也是全身最大的籽骨，呈扁粟状，位于皮下，该骨上宽为底，尖向下，前面粗糙，后面光滑；能上、下、左、右移动，对膝关节起保护作用。髌骨后面光滑覆有软骨与股骨髌面相接，前面粗糙，有股四头肌肌腱通过。髌骨生物学特点表现：髌骨伸膝装置的中间结构，能够把股四头肌产生的拉力传向髌腱；髌骨增加对膝关节屈伸轴点的杠杆力臂，使股四头肌的力矩增大。髌骨位置表浅，外力直接打击可造成粉碎性骨折；间接暴力而引起横形骨折。在髌骨骨折时，受股四头肌的牵拉，骨折端容易产生移位。髌骨骨折属关节内骨折。髌骨是全膝关节的组成部分，针对全膝关节病变，主要采用全膝置换的手术方式，专利CN201410081734公布了一种全膝关节置换假体的个性化设计和制造系统及方法，针对的主要适应症如下：退化性膝关节骨关节炎、类风湿性关节炎和强直性脊柱炎的膝关节晚期病变、创伤性骨关节炎、大面积的膝关节软骨坏死、涉及膝关节面肿瘤切除后无法获得良好关节功能的重建、感染性关节炎后遗的关节破坏、其他非感染性关节炎引起的膝关节病变等。在没有伤及他膝关节的前提下，显然没有必要针对髌骨本身的病变，进行全膝置换。。因此有必要采用髌骨假体植入，保证全腕关节的功能性。髌骨假体的制备方法主要包括，注塑成型、压铸成型、3D打印等，注塑、压铸等传统制备方法存在假体模具设计与制备困难的问题，目前的3D打印方法(SLM\SLS\FDM\SLA等)又存在假体成型件力学强度低、成型精度低的问题。因此，结合新老技术，采用3D打印制备注塑模具+注塑成型的成型策略，制备关节假体成型件，具有综合优势，从而保证髌骨假体的功能性，力学强度、关节面的表面粗糙度等，与股骨匹配。该成型策略的关键在于模具的设计，需要综合考虑3D打印与注塑工艺的约束条件，例如3D打印模具的约束(3D打印基准面选择、位置、成型方向等)，注塑工艺的约束(假体分型、浇注口、交流道位置与设计等)。然而目前的髌骨制备工艺中3D打印工艺难以做出髌骨的分型面，而注塑工艺中难以对模具进行分离。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型髌骨假体及其设计与制备方法，旨在解决现有技术中的采用3D打印制备注塑模具+注塑成型的成型策略，制备关节假体成型件，然而目前的制备工艺中3D打印工艺难以做出髌骨的分型面，而注塑工艺中难以对模具进行分离的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用的一种新型髌骨假体，包括髌骨，
所述髌骨具有髌底和髌尖，所述髌底和所述髌尖分别位于所述髌骨的顶部，所述髌底和所述髌尖分别相向设置在所述髌骨的前后两侧；
所述髌骨还具有内侧关节面和外侧关节面，所述内侧关节面位于所述髌骨的底部，所述外侧关节面也位于所述髌骨的底部，所述内侧关节面和所述外侧关节面分别相向设置在所述髌骨底部的左右两侧。
一种新型髌骨设计方法，包括如下步骤，
3D成型基准面设计，所述髌骨内侧关节面和所述外侧关节面放置的水平面为基准平面；
髌骨模具分型面设计，沿所述髌骨的轮廓边界形成的闭环面为模具分型面；
髌骨模具浇注系统设计，髌骨浇注口位于所述髌骨月面中部的非关节面位置，可以是所述髌尖也可是所述髌底。
其中，在“髌骨模具分型面设计，沿所述髌骨的轮廓边界形成的闭环面为模具分型面”中，
所述分型面可以是一个平面也可以是一截曲面，或者两者的结合。
一种新型髌骨制作方法，包括如下步骤，
制作患者髌骨CT图；
制作髌骨的三维模型图；
基于髌骨关节面结构的模具设计；
3D打印制备髌骨的模具；
通过注塑工艺制备髌骨假体。
其中，在“基于髌骨关节面结构的模具设计”中，
制作上层模具和下层模具，并所述上层模具和所述下层模具的连接位置分别制作上浇注口和下浇注口。
其中，在“制作上层模具和下层模具”中，
所述下层模具靠近所述上层模具的一侧制作有分型面。
本发明的一种新型髌骨假体及其设计与制备方法，综合考虑3D打印成型技术与注塑成型技术的工艺约束，通过基于髌骨几何结构的模具设计方法，使得髌骨具有所述内侧关节面和所述外侧关节面，对3D成型制备的髌骨模具进行具有针对性的3D成型基准面的选择、注塑成型的模具分型面选择、及浇注系统的设计在非关节面的选择策略，成型基准面以最大投影面的内侧关节面和外侧关节面为基准，减少打印支撑对模具关节面的影响，提高成型精度；模具包括上层模具和下层模具，并在上层模具上制作由上浇注口，下层模具上制作下浇注口，并在下层模具上具有分型面，从而保证髌骨假体的注塑质量及便于取出。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的髌骨的顶部结构示意图。
图2是本发明的髌骨的底部结构示意图。
图3是本发明的髌骨假体的结构示意图。
图4是本发明的髌骨假体模具的结构示意图。
图5是本发明的新型髌骨设计方法的流程图。
图6是本发明的新型髌骨制作方法的流程图。
图中：1-上层模具、2-上浇注口、3-分型面、4-下浇注口、5-下层模具、6-髌骨、61-髌底、62-髌尖、63-内侧关节面、64-外侧关节面、65-分型线、66-髌骨浇注口、67-关节面。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
请参阅图1，本发明提供了一种新型髌骨假体，包括髌骨，
所述髌骨具有髌底和髌尖，所述髌底和所述髌尖分别位于所述髌骨的顶部，所述髌底和所述髌尖分别相向设置在所述髌骨的前后两侧；
所述髌骨还具有内侧关节面和外侧关节面，所述内侧关节面位于所述髌骨的底部，所述外侧关节面也位于所述髌骨的底部，所述内侧关节面和所述外侧关节面分别相向设置在所述髌骨底部的左右两侧。
请参阅图5，一种新型髌骨设计方法，包括如下步骤，
3D成型基准面设计，所述髌骨内侧关节面和所述外侧关节面放置的水平面为基准平面；
髌骨模具分型面设计，沿所述髌骨的轮廓边界形成的闭环面为模具分型面，所述分型面可以是一个平面也可以是一截曲面，或者两者的结合；
髌骨模具浇注系统设计，髌骨浇注口位于所述髌骨月面中部的非关节面位置，可以是所述髌尖也可是所述髌底。
请参阅图6，一种新型髌骨制作方法，包括如下步骤，
制作患者髌骨CT图；
制作髌骨的三维模型图；
基于髌骨关节面结构的模具设计，制作上层模具和下层模具，并所述上层模具和所述下层模具的连接位置分别制作上浇注口和下浇注口，所述下层模具靠近所述上层模具的一侧制作有分型面；
3D打印制备髌骨的模具；
通过注塑工艺制备髌骨假体。
在本实施方式中，请参阅图1至图4，髌骨假体的内外侧关节面的设计很重要，关节面的平整度、光洁度高，可以大大减少术后创伤性关节炎发生概率。一般创伤引起关节内的软骨挫伤、剥脱，或者是关节面的骨折出现台阶分离塌陷导致关节面不平整，长时间活动之后就会引起软骨的退变，炎症反应刺激关节滑膜增生，软骨剥脱之后就会导致关节面的骨性结构直接摩擦引起关节错动、疼痛，骨性增生越来越严重。
3D打印髌骨模具+挤出注塑成型髌骨假体；基于髌骨几何结构的模具设计方法：髌骨有2个关节面(内/外侧关节面)，为了保证髌骨假体的注塑质量及便于取出，需要对3D成型制备的髌骨模具进行具有针对性的3D成型基准面的选择及模具分型面的设计。1，3D成型基准面设计：髌骨关节面放置的水平面为基准平面。2，髌骨模具分型面设计：沿髌骨的轮廓边界形成的闭环面为模具分型面；分型面可以是一个平面也可以是一截曲面，或者两者的结合；3，髌骨模具浇注系统设计：浇注口位于髌骨月面中部的非关节面位置，可以是髌尖也可是髌底。
具体实施方式：基于髌骨关节面结构的模具设计：1，3D成型基准面设计：髌骨最大的凹面头月关节面放置的水平面为基准平面。2，髌骨模具分型面设计：沿髌骨的轮廓边界形成的闭环面为模具分型面；分型面可以是一个曲面；3，髌骨模具浇注系统设计：浇注口位于髌骨髌尖位置。
3D打印制备髌骨模具：3D打印方式为SLM，打印设备为RenishawAM250，模具材料是英国AP&C的进口316L不锈钢粉末，打印参数表1：
表1：打印功率和速度及其能量密度
注塑工艺制备髌骨假体：
髌骨假体材料为PEEK，注塑机为瑞鸣科技SZS30，注塑温度420℃，注塑压力20MPa,合模力6T，模具温度200℃
假体模具的3D成型基准面设计→假体模具的分型面设计→假体模具的浇注系统设计。
其中，假体模具的3D成型基准面设计包括：综合考虑大关节面、凸凹曲面结构及复杂几何构造，首要考虑将更大投影面与复杂结构的凹凸曲面，作为成型的基准面。
有助于减少打印支撑、提高成型效率、减少成型应力，提高成品率。
假体模具的分型面设计：确定好模具成型基准面后，综合考虑植入体几何对称结构、关节面轮廓曲面，自下而上设计分型面。分型面分层按照凹凸结构设计，即采用投影法找出凸面极值面作为分型层下底面，采用投影法找到凹面极值面作为分型层上表面；分型层数由凹凸结构决定。分型面按照关节面轮廓曲面设计，即采用裙边法找出更大关节轮廓线，得到可以是平面或非平面的曲面作为分型面。
有助于关节假体可以从模具中顺利取出，减少浇注痕对骨关节面的影响，从而保证骨关节面的功能性；便于从分型面排气，提高熔体流动，从而保证假体制造精度。
假体模具的浇注系统设计：浇注口尽量设计在对称结构的中心，且设计在非关节面处。
有助于减少浇筑口物料的去除对骨假体尤其是关节面的影响(因为浇注口处的物料会和成型件一体，需要后期进行加工处理去除)，从而保证骨关节面的功能性；便于熔体从浇注流道进入型腔。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。
Claims (6)
1.一种新型髌骨假体，其特征在于，包括髌骨，
所述髌骨具有髌底和髌尖，所述髌底和所述髌尖分别位于所述髌骨的顶部，所述髌底和所述髌尖分别相向设置在所述髌骨的前后两侧；
所述髌骨还具有内侧关节面和外侧关节面，所述内侧关节面位于所述髌骨的底部，所述外侧关节面也位于所述髌骨的底部，所述内侧关节面和所述外侧关节面分别相向设置在所述髌骨底部的左右两侧。
2.一种新型髌骨设计方法，同时基于3D打印成型技术与注塑成型技术的工艺约束，用于设计如权利要求1所述的新型髌骨假体，其特征在于，包括如下步骤，
3D成型基准面设计，所述髌骨内侧关节面和所述外侧关节面放置的水平面为基准平面；
髌骨模具分型面设计，沿所述髌骨的轮廓边界形成的闭环面为模具分型面；
髌骨模具浇注系统设计，髌骨浇注口位于所述髌骨月面中部的非关节面位置，可以是所述髌尖也可是所述髌底。
3.如权利要求2所述的新型髌骨设计方法，其特征在于，在“髌骨模具分型面设计，沿所述髌骨的轮廓边界形成的闭环面为模具分型面”中，
所述分型面可以是一个平面也可以是一截曲面，或者两者的结合。
4.一种新型髌骨制作方法，其特征在于，包括如下步骤，
制作患者髌骨CT图；
制作髌骨的三维模型图；
基于髌骨关节面结构的模具设计；
3D打印制备髌骨的模具；
通过注塑工艺制备髌骨假体。
5.如权利要求4所述的新型髌骨制作方法，其特征在于，在“基于髌骨关节面结构的模具设计”中，
制作上层模具和下层模具，并所述上层模具和所述下层模具的连接位置分别制作上浇注口和下浇注口。
6.如权利要求5所述的新型髌骨制作方法，其特征在于，在“制作上层模具和下层模具”中，
所述下层模具靠近所述上层模具的一侧制作有分型面。
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|---|---|---|---|
| CN202110290505.6A CN113069245A (zh) | 2021-03-18 | 2021-03-18 | 一种新型髌骨假体及其设计与制备方法 |
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| CN113069245A true CN113069245A (zh) | 2021-07-06 |
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Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN210872252U (zh) * | 2019-09-27 | 2020-06-30 | 刘跃辉 | 全髌骨置换及髌韧带重建型假体 |
-
2021
- 2021-03-18 CN CN202110290505.6A patent/CN113069245A/zh active Pending
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