CN115568929B - 一种定制化可降解金属骨板及其增材制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种定制化可降解金属骨板及其增材制造方法，涉及医学材料制备领域。该定制化可降解金属骨板及其增材制造方法，具体包括以下步骤：S1.骨折部位扫描，通过X光检测仪对患者的骨折部位进行扫描，确定患者骨折部位的基本情况及形状，将扫描结果制成电子图像文件进行保存S2.三维重构，S3.定制化接骨板结构设计，S4.原材料选择，S5.原材料干燥，S6.接骨板增材制造，S7.接骨板成品打磨抛光。本发明提供了一种定制化可降解金属骨板及其增材制造方法，通过多孔结构的位置和骨骼直接接触，有利于新骨长入，可以提高骨板植入后的稳定性，避免了接骨板与骨骼接触面积大不利于营养物质吸收的问题，提升患者的使用后的恢复速度。
Description
技术领域
本发明涉及医学材料制备领域，具体为一种定制化可降解金属骨板及其增材制造方法。
背景技术
当前骨折患者多采用骨折内固定技术治疗，是用金属螺钉、钢板、髓内针、钢丝或骨板等物直接在断骨内或外面将断骨连接固定起来的手术，因此被称为内固定术，这种手术多用于骨折切开复位术及切骨术，以保持折端的复位，内固定术在对骨骼进行固定时需要用到金属骨板，金属骨板是根据人体骨骼的形状，按照仿生的设计而成的一种医疗器械，目的在于尽可能减小由于骨板预折弯造成的产品应力的破坏，同时，根据产品所用的不同部位，预定螺钉孔间距和孔径，根据部位的承重需要，确定所用材料。
现有的金属骨板大多采用钛合金，不锈钢或其他惰性金属制成，其弹性模量高，不可降解，并且易造成应力遮蔽及二次手术取出的风险，如果使用不当或使用者使用时运动姿势的不正确，都可能会造成骨板的偏移甚至断裂，这种情况会对患者造成二次伤害，影响使用者的康复，甚至可能加重患者的病情，同时现有的骨板大多直接贴附到患者的骨骼上，营养难以透过接骨板直达患处，也会导致患者的康复过程变慢，因此，如何提供一种定制化可降解金属骨板及其增材制造方法在当前的环境中显得尤为重要。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种定制化可降解金属骨板及其增材制造方法，解决了现有的金属骨板其弹性模量高，不可降解，易造成应力遮蔽及二次手术取出风险，需要临床医生现场塑形，难以精准贴合骨表面问题。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种定制化可降解金属骨板，包括连接骨板、随形骨板和骨钉，所述连接骨板包括连接实体结构和连接多孔结构，所述连接实体结构和连接多孔结构表面均开设有连接固定孔，所述随形骨板包括随形实体结构，所述随形实体结构和随形多孔结构表面开设有随形固定孔，所述随形实体结构和随形多孔结构边缘开设有随形槽；
所述骨钉包括钉帽，所述钉帽底面中心处固定连接有钉体，所述钉帽上表面中心处开设有十字孔，所述骨钉固定设置在连接固定孔和随形固定孔内。
一种定制化可降解金属骨板增材制造方法，具体包括以下步骤：
S1.骨折部位扫描
通过X光检测仪对患者的骨折部位进行扫描，确定患者骨折部位的基本情况及形状，将扫描结果制成电子图像文件进行保存；
S2.三维重构
根据X光检测仪的检测结果，配合电子图像文件，利用三维建模软件对患者的骨折部位进行建模重构；
S3.定制化接骨板结构设计
根据患者骨折部位的重构三维模型，对接骨板结构进行定制化设计，利用三维制图软件设计接骨板成品的三维模型，并以STL格式保存三维模型；
S4.原材料选择
选择并准备可降解的金属粉末材料分别作为该接骨板的实体结构和多孔结构，金属粉末材料为镁基金属、锌基金属或钼基金属中的一种；
S5.原材料干燥
将所选用的金属粉末材料放置到真空干燥箱中进行加热干燥；
S6.接骨板增材制造
对打印机基板进行预加热处理，将STL格式的接骨板实体及多孔结构三维模型导入分层软件中，添加支撑并进行切片处理，设置好接骨板的实体结构和多孔结构的各项模型参数，将打印文件传输至激光粉末床，设置激光粉末床的熔融打印参数，在打印机的基板上进行打印；
S7.接骨板成品打磨抛光
将打印完成的接骨板成品去除支撑，利用车床及铣床去除成品毛边，将成品表面打磨光滑，采用盐酸和硝酸的酒精溶液对成品进行抛光处理，完成定制化接骨板的成品制备。
优选的，所述S3中对接骨板结构进行定制化设计时需按照医师诊断进行或有患者医师参与设计。
优选的，所述S4中接骨板实体结构和接骨板多孔结构需采用同种可降解的金属粉末材料。
优选的，所述S5中的加热干燥温度为60-150℃，干燥时间为3-6个小时。
优选的，所述S6中激光粉末床的熔融打印参数为，激光光斑直径为20-100μm，激光功率为40-200W，激光扫描速率为100-2000mm/s，熔池宽度为激光光斑直径的50％-80％，铺粉厚度为20-80μm，相邻铺粉层之间激光扫描方向的夹角为45-90°。
优选的，所述S6中对基板的预加热处理的温度为50-500℃。
优选的，所述S6增材制造过程中，如采用镁基金属作为原材料需控制打印机添加保护气，确保氧含量低于30ppm。
优选的，所述S7中盐酸和硝酸在酒精中各自的体积浓度范围为1％-5％，盐酸和硝酸的体积比为1。
(三)有益效果
本发明提供了一种定制化可降解金属骨板及其增材制造方法。具备以下有益效果：
1、本发明提供了一种定制化可降解金属骨板及其增材制造方法，相较于现有的金属骨板，该金属骨板采用了实体结构和多孔结构结合的方式，多孔结构的设置有利于降低接骨板安装后所产生的应力，避免接骨板在患者体内断裂对患者造成二次伤害，同时，多孔结构的位置和骨骼直接接触，有利于新骨长入，可以提高骨板植入后的稳定性，避免了接骨板与骨骼接触面积大不利于营养物质吸收的问题，提升患者的使用后的恢复速度。
2、本发明提供了一种定制化可降解金属骨板及其增材制造方法，相较于现有的金属骨板，该金属骨板采用了镁基金属、锌基金属或钼基金属这种可降解的金属材料制作，该金属骨板在保持了传统接骨板高强度和高延伸率的基础上，降低了金属骨板的弹性模量，同时，该金属骨板所选用的金属材料和人体具有更好的适应性，无毒，不引起变态反应和异常新陈代谢，对组织无刺激性，确保了金属骨板可以在人体内自然降解，避免造成应力遮蔽及二次手术取出的风险，提升使用者的使用体验。
3、本发明提供了一种定制化可降解金属骨板及其增材制造方法，相较于现有的金属骨板，该金属骨板采用增材制造的方式，针对不同的患者采用定制化接骨板结构设计，避免了传统工艺加工的接骨板需要临床医生现场塑形的问题，使该接骨板可以精准贴合骨表面，降低医生在手术过程中的操作难度，提升手术的成功率和术后恢复效果。
附图说明
图1为本发明的连接骨板的轴测示意图；
图2为本发明的随形骨板的轴测示意图；
图3为本发明的骨钉的正视示意图；
图4为本发明的骨钉的俯视示意图；
图5为本发明的连接骨板及随形骨板的打印成品示意图。
其中，1、连接骨板；2、随形骨板；3、骨钉；1001、连接实体结构；1002、连接多孔结构；1003、连接固定孔；2001、随形实体结构；2002、随形连接结构；2003、随形固定孔；2004、随形槽；3001、钉帽；3002、钉体；3003、十字孔。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例：
如图1-5所示，本发明实施例提供一种定制化可降解金属骨板，包括连接骨板1、随形骨板2和骨钉3，连接骨板1包括连接实体结构1001和连接多孔结构1002，有利于新骨长入，可以提高骨板植入后的稳定性，连接实体结构1001和连接多孔结构1002表面均开设有连接固定孔1003，有利于使用者将骨板进行安装，随形骨板2包括随形实体结构2001和随形多孔结构2002，避免了接骨板与骨骼接触面积大不利于营养物质吸收的问题，提升患者的使用后的恢复速度，随形实体结构2001和随形多孔结构2002表面开设有随形固定孔2003，随形实体结构2001和随形多孔结构2002边缘开设有随形槽2004，有利于根据患者的不同情况，制作不同的随形骨板2；
骨钉3包括钉帽3001，钉帽3001底面中心处固定连接有钉体3002，钉帽3001上表面中心处开设有十字孔3003，骨钉3固定设置在连接固定孔1003和随形固定孔2003内，有利于将骨板和患者骨骼之间进行连接，提升接骨板固定的稳定性，便于医生将接骨板固定安装到患者骨骼内。
一种定制化可降解金属骨板增材制造方法，具体包括以下步骤：
S1.骨折部位扫描
通过X光检测仪对患者的骨折部位进行扫描，X光检测仪参数为像素间距140um，最大间距200-1000mm，A/D转换16BITS，空间分辨率4.0LP/mm，确定患者骨折部位的基本情况及形状，将扫描结果制成电子图像文件进行保存，有利于后续对接骨板进行定制化做准备，便于后续对患者进行进一步治疗；
S2.三维重构
根据X光检测仪的检测结果，配合电子图像文件，利用三维建模软件对患者的骨折部位进行建模重构，三维建模软件可选择ZX Spectrum-Emulator，3matic，mimics，magics，Super Level Loader Snapshot和K-Meleon Browser Settings中的一种，有利于降低对接骨板进行定制化设计的难度，便于医生和制作者进行对接；
S3.定制化接骨板结构设计
根据患者骨折部位的重构三维模型，对接骨板结构进行定制化设计，利用三维制图软件ZX Spectrum-Emulator，nTopology，3matic，Rhino-Grasshopper，Super LevelLoader Snapshot和K-Meleon Browser Settings中的一种，设计接骨板成品的三维模型，并以STL格式保存三维模型，有利于为后续进行增材打印做准备，便于将模型直接作为蓝本进行打印；
S4.原材料选择
选择并准备可降解的金属粉末材料分别作为该接骨板的实体结构和多孔结构，金属粉末材料为镁基金属、锌基金属或钼基金属中的一种，镁基金属熔化温度为650℃，锌基金属熔化温度为419.5℃，钼基金属熔化温度为2620℃，使用者需根据实际情况进行选择，有利于在保证接骨板的强度和延伸性的基础上，降低其弹性模量，确保其可以在人体内降解；
S5.原材料干燥
将所选用的金属粉末材料放置到真空干燥箱中进行加热干燥，真空干燥箱可选型号包括DZF-6020、DZF-6050、DZF-6090、DZF-3020S、DZF-3050S、DZF-3090S、DZF-5020S、DZF-5050S、DZF-5090S，功率为0.8～2.4kW，控温范围为50-200℃，精确度为±0.5℃，真空度应小于133Pa，有利于去除金属粉末中的水分，避免打印时在成品内留有气孔，影响接骨板结构的稳定性，避免接骨板在使用过程中断裂对患者造成二次损伤；
S6.接骨板增材制造
对打印机基板进行预加热处理，将STL格式的接骨板实体及多孔结构三维模型导入分层软件中，添加支撑并进行切片处理，设置好接骨板的实体结构和多孔结构的各项模型参数，将打印文件传输至激光粉末床，设置激光粉末床的熔融打印参数，打印参数为激光光斑直径为20-100μm，激光功率为40-200W，激光扫描速率为100-2000mm/s，熔池宽度为激光光斑直径的50％-80％，铺粉厚度为20-80μm，相邻铺粉层之间激光扫描方向的夹角为45-90°，在打印机的基板上进行打印，有利于将接骨板的多孔结构和实体结构直接结合，避免两个结构之间留有加工缝而导致接骨板成品的结构不稳定；
S7.接骨板成品打磨抛光
将打印完成的接骨板成品去除支撑，利用车床及铣床去除成品毛边，将成品表面打磨光滑，确保成品的表面光洁度等级高于12级，采用盐酸和硝酸的酒精溶液对成品进行抛光处理，硝酸50g/L，盐酸8Og/L，混合温度65℃，完成定制化接骨板的成品制备，有利于提升接骨板在人体内的生物相性，提升使用者的使用体验。
S3中对接骨板结构进行定制化设计时需按照医师诊断进行或有患者医师参与设计，确保定制化接骨板可以满足患者的治疗使用需求，避免因形状不符造成治疗风险，S4中接骨板实体结构和接骨板多孔结构需采用同种可降解的金属粉末材料，有利于确保两个结构之间连接的稳定性，S5中的加热干燥温度为60-150℃，干燥时间为3-6个小时，有利于完全去除金属粉末原材料中的水分，提升成品质量，S6中激光粉末床的熔融打印参数为，激光光斑直径为20-100μm，激光功率为40-200W，激光扫描速率为100-2000mm/s，熔池宽度为激光光斑直径的50％-80％，铺粉厚度为20-80μm，相邻铺粉层之间激光扫描方向的夹角为45-90°，有利于确保增材制造的效果，
S6中对接骨板实体结构的预加热处理的温度为50-500℃，有利于提升金属粉末原材料之间的融合效果，S6增材制造过程中，如采用镁基金属作为原材料需控制打印机添加保护气，确保氧含量低于30ppm，避免镁基金属在高温下和氧气发生反应，导致打印失败，S7中盐酸和硝酸在酒精中各自的体积浓度范围为1％-5％，盐酸和硝酸的体积比为1，有利于对接骨板成品表面进行彻底抛光，提升其与人体的适应性，避免产生排异反应。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种定制化可降解金属骨板，包括连接骨板(1)、随形骨板(2)和骨钉(3)，其特征在于：所述连接骨板(1)包括连接实体结构(1001)和连接多孔结构(1002)，所述连接实体结构(1001)和连接多孔结构(1002)表面均开设有连接固定孔(1003)，所述随形骨板(2)包括随形实体结构(2001)和随形多孔结构(2002)，所述随形实体结构(2001)和随形多孔结构(2002)表面开设有随形固定孔(2003)，所述随形实体结构(2001)和随形多孔结构(2002)边缘开设有随形槽(2004)；所述骨板(1)厚度0.4-1.25mm；
所述骨钉(3)包括钉帽(3001)，所述钉帽(3001)底面中心处固定连接有钉体(3002)，所述钉帽(3001)上表面中心处开设有十字孔(3003)，所述骨钉(3)固定设置在连接固定孔(1003)和随形固定孔(2003)内，所述连接骨板(1)、随形骨板(2)和骨钉(3)为镁基金属、锌基金属或钼基金属中的一种；
所述定制化可降解金属骨板的增材制造方法，具体包括以下步骤：
S1.骨折部位扫描
通过X光检测仪对患者的骨折部位进行扫描，确定患者骨折部位的基本情况及形状，将扫描结果制成电子图像文件进行保存；
S2.三维重构
根据X光检测仪的检测结果，配合电子图像文件，利用三维建模软件对患者的骨折部位进行建模重构；
S3.定制化接骨板结构设计
根据患者骨折部位的重构三维模型，对接骨板结构进行定制化设计，利用三维制图软件设计接骨板成品的三维模型，并以STL格式保存三维模型；
S4.原材料选择
选择并准备可降解的金属粉末材料分别作为该接骨板的实体结构和多孔结构，金属粉末材料为镁基金属、锌基金属或钼基金属中的一种；
S5.原材料干燥
将所选用的金属粉末材料放置到真空干燥箱中进行加热干燥；
S6.接骨板增材制造
对打印机基板进行预加热处理，将STL格式的接骨板实体及多孔结构三维模型导入分层软件中，添加支撑并进行切片处理，设置好接骨板的实体结构和多孔结构的各项模型参数，将打印文件传输至激光粉末床，设置激光粉末床的熔融打印参数，在打印机的基板上进行打印；激光粉末床的熔融打印参数为，激光光斑直径为20-100μm，激光功率为40-200W，激光扫描速率为100-2000mm/s，熔池宽度为激光光斑直径的50％-80％，铺粉厚度为20-80μm，相邻铺粉层之间激光扫描方向的夹角为45-90°；
S7.接骨板成品打磨抛光
将打印完成的接骨板成品去除支撑，利用车床及铣床去除成品毛边，将成品表面打磨光滑，采用盐酸和硝酸的酒精溶液对成品进行抛光处理，完成定制化接骨板的成品制备。
2.一种定制化可降解金属骨板增材制造方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1.骨折部位扫描
通过X光检测仪对患者的骨折部位进行扫描，确定患者骨折部位的基本情况及形状，将扫描结果制成电子图像文件进行保存；
S2.三维重构
根据X光检测仪的检测结果，配合电子图像文件，利用三维建模软件对患者的骨折部位进行建模重构；
S3.定制化接骨板结构设计
根据患者骨折部位的重构三维模型，对接骨板结构进行定制化设计，利用三维制图软件设计接骨板成品的三维模型，并以STL格式保存三维模型；
S4.原材料选择
选择并准备可降解的金属粉末材料分别作为该接骨板的实体结构和多孔结构，金属粉末材料为镁基金属、锌基金属或钼基金属中的一种；
S5.原材料干燥
将所选用的金属粉末材料放置到真空干燥箱中进行加热干燥；
S6.接骨板增材制造
对打印机基板进行预加热处理，将STL格式的接骨板实体及多孔结构三维模型导入分层软件中，添加支撑并进行切片处理，设置好接骨板的实体结构和多孔结构的各项模型参数，将打印文件传输至激光粉末床，设置激光粉末床的熔融打印参数，在打印机的基板上进行打印；激光粉末床的熔融打印参数为，激光光斑直径为20-100μm，激光功率为40-200W，激光扫描速率为100-2000mm/s，熔池宽度为激光光斑直径的50％-80％，铺粉厚度为20-80μm，相邻铺粉层之间激光扫描方向的夹角为45-90°；
S7.接骨板成品打磨抛光
将打印完成的接骨板成品去除支撑，利用车床及铣床去除成品毛边，将成品表面打磨光滑，采用盐酸和硝酸的酒精溶液对成品进行抛光处理，完成定制化接骨板的成品制备。
3.根据权利要求2所述的一种定制化可降解金属骨板增材制造方法，其特征在于：所述S3中对接骨板结构进行定制化设计时需按照医师诊断进行或有患者医师参与设计。
4.根据权利要求2所述的一种定制化可降解金属骨板增材制造方法，其特征在于：所述S4中接骨板实体结构和接骨板多孔结构需采用同种可降解的金属粉末材料。
5.根据权利要求2所述的一种定制化可降解金属骨板增材制造方法，其特征在于：所述S5中的加热干燥温度为60-150℃，干燥时间为3-6个小时。
6.根据权利要求2所述的一种定制化可降解金属骨板增材制造方法，其特征在于：所述S6中对基板的预加热处理的温度为50-500℃。
7.根据权利要求2所述的一种定制化可降解金属骨板增材制造方法，其特征在于：所述S6增材制造过程中，如采用镁基金属作为原材料需控制打印机添加保护气，确保氧含量低于30ppm。
8.根据权利要求2所述的一种定制化可降解金属骨板增材制造方法，其特征在于：所述S7中盐酸和硝酸在酒精中各自的体积浓度范围为1％-5％，盐酸和硝酸的体积比为1。
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