CN114259326A - 具有梯度孔隙率的合金骨小梁髋臼杯及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有梯度孔隙率的合金骨小梁髋臼杯及其制作方法。髋臼杯表面骨小梁层根据其应力区间划分区域，各区域根据抗压强度的要求选择不同孔隙率的骨小梁结构填充；骨小梁结构的孔隙率由其支杆直径控制。制作方法包括仿真髋臼杯表面骨小梁层应力分布图、划分髋臼杯表面骨小梁层区域、确定表面骨小梁层各区域的安全系数、测试骨小梁结构合金压缩试件的抗压强度与骨小梁结构的孔隙率的对应关系、用骨小梁结构对髋臼杯表面骨小梁层进行填充。本发明根据髋臼杯表面骨小梁层应力需要使用相应孔隙率的骨小梁结构分区域对骨小梁层进行填充，使髋臼杯将高力学性能和高生物性能有机结合在一起。
Description
技术领域
本发明涉及一种合金骨小梁髋臼杯及其制作方法，尤其涉及一种具有梯度孔隙率的合金骨小梁髋臼杯及其制作方法，属于增材制造骨科植入体技术领域。
背景技术
髋关节是连接人体下肢与躯干的杵臼关节，是人体最大的关节之一。然而人体髋关节的病变率较高，许多疾病如股骨头坏死、骨性关节炎、髋关节发育不良以及股骨颈骨折等，人体无法自愈，患者需要接受全髋关节置换术，使用人工髋关节假体代替人体髋关节。髋臼杯是全髋关节假体的重要组成部分，由于髋臼杯直接影响到患者术后的生活质量，因此其力学性能、生物性能至关重要。传统实体金属髋臼杯表面为致密金属，不利于骨组织的长入。并且传统实体金属髋臼杯在植入人体后会产生应力遮挡效应，导致人体骨承受较少的载荷。根据Wolff定律，应力与骨组织之间是一种生理平衡的状态，应力遮挡效应使髋臼骨所处的应力环境小于适合自身生长的应力范围，导致骨质再吸收、骨量流失，密质骨逐渐变薄，最终引发假体松动。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种具有梯度孔隙率的合金骨小梁髋臼杯及其制作方法。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案一是：
一种具有梯度孔隙率的合金骨小梁髋臼杯，包括覆盖髋臼杯表面的骨小梁层，骨小梁层根据其抗压强度的要求划分区域，各区域选择相应孔隙率的骨小梁结构阵列填充；骨小梁结构阵列由1个以上骨小梁结构组成；骨小梁结构的孔隙率由其支杆直径控制。
进一步，骨小梁结构采用Ti6Al4V合金，骨小梁结构的支杆直径在125~250μm之间，可在60%~90%范围内调整其孔隙率。
本发明所采取的技术方案二是：
一种具有梯度孔隙率的合金骨小梁髋臼杯的制作方法，包括以下步骤：
步骤1：仿真骨小梁层应力分布图：建立全髋关节假体模型，在一个完整步态周期下对1个以上瞬态的载荷进行有限元仿真；获得各瞬态的应力云图；叠加各瞬态的应力云图得到骨小梁层应力分布图；
步骤2：划分骨小梁层区域：由骨小梁层应力分布图获取骨小梁层应力区间，并根据应力区间对骨小梁层进行区域划分；
步骤3：确定骨小梁层各区域的安全系数：根据骨小梁层最大应力和人体皮质骨的抗压强度，确定骨小梁层各区域的安全系数；
步骤4：测试骨小梁结构合金压缩试件的抗压强度与骨小梁结构的孔隙率的对应关系：建立骨小梁结构模型，并依据骨小梁结构模型采用选区激光熔融技术成型骨小梁结构合金压缩试件，骨小梁结构合金压缩试件由1个以上骨小梁结构排列而成；骨小梁结构的孔隙率由其支杆直径控制；采用电子万能试验机对骨小梁结构合金压缩试件的压缩性能进行测试，获得其抗压强度；
步骤5：用骨小梁结构对骨小梁层进行填充：根据各区域的要求设定骨小梁结构的孔隙率，用相应支杆直径的骨小梁结构填充髋臼杯表面骨小梁层；各区域的要求为其安全系数与应力乘积后的应力范围。
进一步，髋臼杯采用Ti6Al4V合金，骨小梁结构为菱形十二面体结构，其支杆直径为125~250μm，可在60%~90%范围内调整其孔隙率。
进一步：骨小梁结构合金压缩试件采用单个骨小梁结构在三维空间阵列成为10×10×10个，成型工艺参数为激光功率200W、扫描速度1200mm/s、扫描间距140μm、铺粉层厚30μm，且成型过程中以99.99%纯度的氩气作为保护气体，保持成型仓内的氧含量低于1000ppm。
进一步，步骤4中电子万能试验机的测试压缩速度为1 mm/min，对每种试件测试1次以上，结果取平均值。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
（1）本发明根据髋臼杯表面骨小梁层应力使用相对应孔隙率的骨小梁结构对骨小梁层进行填充，可以使骨小梁结构的力学性能与受力大小更相匹配，并减少应力遮挡。
（2）本发明可以在保证力学性能的前提下，提高髋臼杯表面骨小梁层的总孔隙率，更有利于骨组织的长入，使髋臼杯将高力学性能和高生物性能有机结合在一起。
（3）本发明使用梯度孔隙率骨小梁结构对骨小梁层进行填充，可以进一步减少骨小梁层的总体积，降低髋臼杯的重量，提高植入后患者的舒适度。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明实施例1的菱形十二面体骨小梁结构示意图；
图3是本发明实施例2的32个瞬态下髋关节载荷曲线。
具体实施方式
实施例1：
如图1所示，一种具有梯度孔隙率的合金骨小梁髋臼杯，包括髋臼杯表面骨小梁层分区域填充的骨小梁结构阵列；骨小梁结构阵列由1个以上骨小梁结构组成；髋臼杯表面骨小梁层根据其应力区间划分区域，各区域根据抗压强度的要求选择相应孔隙率的骨小梁结构填充；骨小梁结构的孔隙率由其支杆直径控制。髋臼杯表面骨小梁结构采用Ti6Al4V合金，骨小梁结构的支杆直径在125~250μm之间，可在60%~90%范围内调整其孔隙率。
髋臼杯表面的骨小梁结构的孔隙率根据应力呈梯度分布。
实施例2：
一种具有梯度孔隙率的合金骨小梁髋臼杯的制作方法，包括以下步骤：
步骤1：仿真髋臼杯表面骨小梁层应力分布图：建立全髋关节假体模型，在一个完整步态周期下对1个以上瞬态的载荷进行有限元仿真；获得各瞬态的应力云图；叠加各瞬态的应力云图得到骨小梁层应力分布图；
步骤2：划分骨小梁层区域：由骨小梁层应力分布图获取骨小梁层应力区间，并根据应力区间对骨小梁层进行区域划分；
步骤3：确定骨小梁层各区域的安全系数：根据骨小梁层最大应力和人体皮质骨的抗压强度，确定骨小梁层各区域的安全系数；
步骤4：测试骨小梁结构合金压缩试件的抗压强度与骨小梁结构的孔隙率的对应关系：骨小梁结构合金压缩试件由1个以上骨小梁结构排列而成；骨小梁结构的孔隙率由其支杆直径控制；建立骨小梁结构模型，并依据骨小梁结构模型采用选区激光熔融技术成型骨小梁结构合金压缩试件，采用电子万能试验机对骨小梁结构合金压缩试件的压缩性能进行测试，获得其抗压强度；
步骤5：用骨小梁结构对骨小梁层进行填充：根据骨小梁层各区域的要求设定骨小梁结构的孔隙率，用相应支杆直径的骨小梁结构填充骨小梁层；骨小梁层各区域的要求为其安全系数与应力乘积后的应力范围。
髋臼杯采用Ti6Al4V合金，骨小梁结构为菱形十二面体结构，其支杆直径为125~250μm，可在60%~90%范围内调整其孔隙率。
骨小梁结构合金压缩试件采用单个骨小梁结构在三维空间阵列成为10×10×10个，成型工艺参数为激光功率200W、扫描速度1200mm/s、扫描间距140μm、铺粉层厚30μm，且成型过程中以99.99%纯度的氩气作为保护气体，保持成型仓内的氧含量低于1000ppm。
步骤4中电子万能试验机的测试压缩速度为1 mm/min，对每种试件测试1次以上，结果取平均值。
本实施例使用UG软件建立全髋关节假体模型，并转换成为x_t格式；将x_t格式模型导入Workbench软件，设置材料属性见表1，并根据人体在一个完整步态周期下32个瞬态的载荷进行有限元仿真，获得每个瞬态的应力云图。
将32个瞬态云图的应力标尺统一设置为应力最大瞬态的标尺，此时不同瞬态云图间相同颜色的区域应力大小相同；将同一标尺下32个瞬态的云图进行叠加，叠加后的云图为一个完整步态运动下骨小梁层应力分布，可获取骨小梁层应力区间，并根据应力区间对表面骨小梁层进行区域划分；根据骨小梁层最大应力和人体皮质骨的抗压强度100~230MPa，可对骨小梁层各区域确定一个安全系数，将应力区间放大至接近皮质骨抗压强度，在保证强度的同时使其与人体皮质骨的力学性能更加接近，可减少应力遮挡现象。
本实施例使用UG软件建立菱形十二面体骨小梁结构模型，通过改变结构的支杆直径，可控制其孔隙率在满足人体骨组织长入的需求的范围内。根据安全系数放大后的区间，使用不同孔隙率的菱形十二面体骨小梁结构对髋臼杯表面骨小梁层进行填充，使其在满足力学性能的情况下具有更优的生物性能，以促进骨组织的长入。
本实施例获得骨小梁层的应力区间在0.312~1.827MPa之间，划分为a~f 6个区域，最大应力为1.827MPa，安全系数为120，将应力区间放大至37.44~219.24MPa，各区域应力及放大后应力数值见表2；改变菱形十二面体骨小梁结构的支杆直径在125~250μm之间，使其孔隙率在60%~90%范围内，对每种试件测试3次，结果取平均值，获得其抗压强度在78.16~242.94MPa范围内，具体数值见表3；对a~f区域分别使用孔隙率为70.71%、76.21%、81.28%、85.88、89.94%、89.94%的菱形十二面体骨小梁结构进行填充。
表1
| 模型 | 材料 | 弹性模量（Gpa） | 泊松比 |
| 髋臼骨 | 皮质骨 | 20 | 0.3 |
| 骨小梁髋臼杯 | Ti6Al4V合金 | 113 | 0.342 |
| 内衬 | UHMWPE | 1 | 0.45 |
| 股骨柄 | Ti6Al4V合金 | 113 | 0.342 |
表2
| 区域 | a | b | c | d | e | f |
| 应力（MPa） | 1.827 | 1.402 | 1.130 | 0.857 | 0.584 | 0.312 |
| 放大后应力（MPa） | 219.24 | 168.24 | 135.60 | 102.84 | 70.08 | 37.44 |
表3
| 支杆直径（μm） | 125 | 150 | 175 | 200 | 225 | 250 |
| 孔隙率（%） | 89.94 | 85.88 | 81.28 | 76.21 | 70.71 | 64.86 |
| 抗压强度（MPa） | 78.16 | 118.65 | 154.32 | 185.42 | 221.08 | 242.94 |
Claims (6)
1.一种具有梯度孔隙率的合金骨小梁髋臼杯，其特征在于：包括覆盖髋臼杯表面的骨小梁层，骨小梁层根据其抗压强度要求划分区域，各区域选择相应孔隙率的骨小梁结构阵列填充；骨小梁结构阵列由1个以上骨小梁结构组成；骨小梁结构的孔隙率由其支杆直径控制。
2.根据权利要求1所述的具有梯度孔隙率的合金骨小梁髋臼杯，其特征在于：骨小梁结构采用Ti6Al4V合金，骨小梁结构为菱形十二面体结构，其支杆直径为125~250μm，可在60%~90%范围内调整其孔隙率。
3.一种权利要求1所述的具有梯度孔隙率的合金骨小梁髋臼杯的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：仿真骨小梁层应力分布图：建立全髋关节假体模型，在一个完整步态周期下对1个以上瞬态的载荷进行有限元仿真；获得各瞬态的应力云图；叠加各瞬态的应力云图得到骨小梁层的应力分布图；
步骤2：划分骨小梁层区域：由骨小梁层的应力分布图获取骨小梁层的应力区间，并根据应力区间对骨小梁层进行区域划分；
步骤3：确定骨小梁层各区域的安全系数：根据骨小梁层最大应力和人体皮质骨的抗压强度，确定骨小梁层各区域的安全系数；
步骤4：测试骨小梁结构合金压缩试件的抗压强度与骨小梁结构的孔隙率的对应关系：建立骨小梁结构模型，并依据骨小梁结构模型采用选区激光熔融技术成型骨小梁结构合金压缩试件，骨小梁结构合金压缩试件由1个以上骨小梁结构排列而成；骨小梁结构的孔隙率由其支杆直径控制；采用电子万能试验机对骨小梁结构合金压缩试件的压缩性能进行测试，获得其抗压强度；
步骤5：用骨小梁结构对骨小梁层进行填充：根据各区域的要求设定骨小梁结构的孔隙率，用相应支杆直径的骨小梁结构填充骨小梁层；骨小梁层各区域的要求为其安全系数与应力乘积后的应力范围。
4.根据权利要求3所述的具有梯度孔隙率的合金骨小梁髋臼杯的制作方法，其特征在于：髋臼杯采用Ti6Al4V合金，骨小梁结构的支杆直径在125~250μm之间，可在60%~90%范围内调整其孔隙率。
5.根据权利要求3所述的具有梯度孔隙率的合金骨小梁髋臼杯的制作方法，其特征在于：骨小梁结构合金压缩试件采用单个骨小梁结构在三维空间阵列成为10×10×10个，成型工艺参数为激光功率200W、扫描速度1200mm/s、扫描间距140μm、铺粉层厚30μm，且成型过程中以99.99%纯度的氩气作为保护气体，保持成型仓内的氧含量低于1000ppm。
6.根据权利要求3所述的具有梯度孔隙率的合金骨小梁髋臼杯的制作方法，其特征在于：步骤4中电子万能试验机的测试压缩速度为1 mm/min，对每种试件测试1次以上，结果取平均值。
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