CN115813615B - 一种表面多孔的髋臼杯假体分区设计及成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于骨科医疗器械相关技术领域，并公开了一种表面多孔的髋臼杯假体分区设计及成型方法，其包括：髋臼杯球形壳体的建模；髋臼杯球壳壳体的等分分区切割；多孔层在分区髋臼杯假体表面的一体化设计；分区髋臼杯假体的重组；半球形髋臼杯假体的构建；以及髋臼杯假体的3D打印制造。通过本发明，所形成的多孔层垂直于髋臼杯表面，因此其具有优异的力学性能；其具有完全互联的枝杆结构且不存在孤立的杆，避免了术后长期活动的过程中孤立杆的脱落引发的炎症甚至是重新翻修。此外，该多孔层可以是任意形状的多孔结构且非常便利地成形到髋臼杯表面上，可针对促进骨长入的孔径和孔隙率进行设计，并满足长寿命、高生物相容性髋臼杯假体植入物的需求。

Description

一种表面多孔的髋臼杯假体分区设计及成型方法

技术领域

本发明属于骨科医疗器械相关技术领域，更具体地，涉及一种表面多孔的髋臼杯假体分区设计及成型方法。

背景技术

髋关节是人体下肢和躯干的桥梁。然而，由于股骨头坏死、髋关节炎以及先天髋关节发育不良等疾病，患者的行动受到严重影响甚至失去生活自理能力。因此，患者需要进行全髋关节置换手术，从而重建髋关节的功能。目前，髋关节置换术已经成为医疗外科中常见的一种手术。在全髋关节手术中，股骨柄和髋臼杯是影响患者术后生活质量的关键。特别的，对于髋臼杯而言，传统工艺制造髋臼杯有铸造实体部件和表面涂层组成。尽管表面涂层提高了髋臼杯表面的粗糙度，然而人体组织往往难以长入表面涂层，因此，在患者的长期活动中，全固态髋臼杯存在较大的脱落风险，从而进行二次手术，给患者带来翻修过程中的疼痛和额外的医疗支出。

现有技术中的一种常规解决方案是，通过在髋臼杯表面设计多孔结构，能够在植入后促进新骨长入，提高骨-植入物界面强度，降低脱落的风险。目前髋臼杯表面的多孔结构设计主要分为两种。一种是通过在髋臼杯表面施加无序化多孔结构(例如专利“CN108814773 A髋臼杯骨小梁结构的三维模型的生成方法及相关部件”)。但实际上，在SLM制造过程中，大量无序化的杆成形精度低，甚至一些倾斜角度低或者垂悬的杆无法成形，力学性能难以得到保证。

另一种是在整个半球形表面规则阵列多孔结构单胞(例如专利“CN111449808 A一种增材制造多孔钽金属髋臼外杯及其制备方法”)。然而，由于圆周阵列的半径不同，许多相邻单胞之间没有实现完全的连接，导致出现大量孤立的杆。在患者术后长期的活动过程中，这些孤立的杆可能会脱落，脱落的金属颗粒和杆会引发炎症，严重者可能需要二次手术。

因此，本领域亟需对此作出进一步的研究改进，以便获得获得更为安全可靠的髋臼杯假体产品。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或需求，本发明的目的在于提供一种表面多孔的髋臼杯假体分区设计及成型方法，其中通过对整个设计及成型过程进行调整并对关键步骤作出优化，相应与现有技术相比能够有效避免在髋臼杯半球表面设计多孔层时出现孤立的杆或者单胞，显著提高了髋臼杯假体的3D打印成形精度，同时可避免杆脱落引发的炎症，从而进一步提高髋臼杯假体的使用寿命。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种表面多孔的髋臼杯假体分区设计及成型方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

步骤一、髋臼杯球形壳体的建模

建立一个球形壳体的模型，该球形壳体对应于髋臼杯植入物的实体部分；

步骤二、髋臼杯球形壳体的等分切割

采用多个基准平面对所述球形壳体进行等分切割，并获得等分切割后的弧面壳体；

步骤三、多孔层在分区髋臼杯假体表面的一体化设计

将预先选定的单胞沿着同一平面的XYZ三轴方向按照一定间距阵列排列，并将这些单胞组合形成对应的多孔层；接着，将该多孔层贴合到所述等分切割后的弧面壳体的外表面，由此形成弧面髋臼杯假体模型；

步骤四、分区髋臼杯假体的重组

将所述弧面髋臼杯假体模型沿着侧面进行镜像处理，由此重组形成球形髋臼杯假体模型；

步骤五、半球形髋臼杯假体的构建

对所述球形髋臼杯假体模型继续进行二等分切割并加强边缘，由此获得半球形髋臼杯假体模型；

步骤六、髋臼杯假体的3D打印制造

在所述半球形髋臼杯假体模型中设置定位孔和固定孔，然后基于该半球形髋臼杯假体模型来执行3D打印，从而获得所需的表面多孔的髋臼杯假体产品。

作为进一步优选地，在步骤(一)中，所述球形壳体的厚度根据临床需求而设计。

作为进一步优选地，在步骤(二)中，所述等分切割的过程优选设计如下：首先在所述球形壳体的表面上采8个或32个或128个均匀分布的点，选择可构成四边形的相邻四个点且将其连线形成一个矩形；

分别以该矩形的四条边以及各个所述点来建立四个基准面，然后以这四个基准面来切割所述球形壳体，由此获得等分切割后的弧面壳体。

作为进一步优选地，在步骤(二)中，所述等分切割优选为6等分、24等分或96等分，并且所述弧形壳体优选由四个侧面和内外两个弧面共同构成。

作为进一步优选地，在步骤(三)中，所述多孔单胞可以是任意形状、或者多种类型单胞的自由组合，所形成的多孔层可以是任意复杂形状的多孔层。

作为进一步优选地，在步骤(三)中，所述弧面髋臼杯假体由所述等分切割后的弧面壳体和位于该弧面壳体外表面的所述多孔层共同构成。

作为进一步优选地，在步骤(五)中，所述加强边缘的方式优选设计为：在所述二等分切割的轮廓边缘设置加厚层，并且该加厚层的厚度等于所述半球形髋臼杯假体的弧面壳体厚度与所述多孔层厚度之和。

作为进一步优选地，在步骤(六)中，所述定位孔和固定孔优选为螺孔，并且该螺孔贯穿于所述半球形髋臼杯假体的弧面壳体。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下技术优点：

(1)本发明所提出的髋臼杯假体是由髋臼杯杯体和表面紧密结合的多孔结构共同组成的，其中通过对半球形髋臼杯的表面经过独特的分区设计，多孔结构首先阵列到平面上，然后再“流动”到分区的髋臼杯半球形表面，以此方式能够以便于操控、高效高质的方式获得所需的表面多孔的髋臼杯假体；

(2)本发明所提出的方案是一种可解决当前髋臼杯表面多孔结构设计的通用方法，其分区设计和成型方法适用于全部的多孔结构；与一般的无序化或者在整个半球形表面阵列的多孔结构相比，该髋臼杯表面分区设计的多孔结构的优势在于多孔结构可以是任意复杂、任意形状的多孔结构，任何能够基于平面建模的多孔结构都能很好地成形到该髋臼杯表面，相应消除了孤立的单胞和杆的存在，避免了因为患者术后长期活动导致多孔结构脱落而引发进一步的炎症风险；

(3)此外，本发明经过分区设计的多孔结构单胞的法向垂直于髋臼杯表面，因此具备优异的力学性能，且具有简单、任意可调的孔径的孔隙率，能够显著提高骨长入性能，能够延长髋臼杯假体的寿命，因而在全髋关节置换手术中具有重大的意义。

附图说明

图1是按照本发明的髋臼杯假体分区设计及成型方法的整体工艺流程图；

图2是用于示范性显示按照本发明所建模的球形壳体的示意图；

图3是按照本发明的一个优选实施方式、在球形壳体表面建立四个基准面的示意图；

图4是用于示范性显示采用基准面等分切割球形壳体的示意图；

图5是用于示范性显示等分切割后所获得的弧形壳体的示意图；

图6是按照本发明的一个优选实施方式所获得的1/6弧面壳体的示意图；

图7是按照本发明的一个优选实施方式、所选用的一种负泊松比单胞的示意图；

图8是用于示范性显示将多孔层贴合到弧面壳体表面后，所形成的弧面髋臼杯假体的示意图；

图9是用于示范性显示经过重组后所获得的球形髋臼杯假体的示意图；

图10是用于示范性显示最终所构建的半球形髋臼杯假体的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。

图1是按照本发明的髋臼杯假体分区设计及成型方法的整体工艺流程图。下面将结合图1来更为具体地解释本发明。

首先，是髋臼杯球形壳体的建模步骤。

在此步骤中，建立一个球形壳体的模型，该球形壳体对应于髋臼杯植入物的实体部分。

更具体地，可参看图2，譬如可采用三维建模软件建立一个球形壳体，该球形壳体将作为髋臼杯植入物的实体部分。

接着，是髋臼杯球形壳体的等分切割步骤。

在此步骤中，采用多个基准平面对所述球形壳体进行等分切割，并获得等分切割后的弧面壳体。

更具体地，可参看图3至图6，按照本发明的一个优选实施例，譬如可以在球形壳体表面选取8个均匀分布的点，然后选择构成四边形的相邻的四个点，并以四个点连线成一个矩形。接着分别以矩形的四条边和点建立四个基准面，以四个基准面切割球形壳体。经过切割后获得带有上述定位点的6等分切割后的弧面壳体可参看图5所示。进一步地，将该6等分切割后的弧面壳体进行处理，切割掉定位平台，可以获得如图6所示的6等分弧面壳体.

接着，是多孔层在分区髋臼杯假体表面的一体化设计步骤。

在此步骤中，将预先选定的单胞沿着同一平面的XYZ三轴方向按照一定间距阵列排列，并将这些单胞组合形成对应的多孔层；接着，将该多孔层贴合到所述等分切割后的弧面壳体的外表面，由此形成弧面髋臼杯假体模型。

更具体地，如图7所示，该单胞可以是一种负泊松比单胞，但也可以是任意复杂、任意形状的多孔结构，任何能够基于平面建模的多孔结构都能很好地成形到该髋臼杯表面，相应消除了孤立的单胞和杆的存在，避免了因为患者术后长期活动导致多孔结构脱落而引发进一步的炎症风险。

接着，是分区髋臼杯假体的重组步骤。

在此步骤中，如图8所示，可以将所述弧面髋臼杯假体模型沿着侧面进行镜像处理，由此重组形成球形髋臼杯假体模型。

接着，是半球形髋臼杯假体的构建步骤。

在此步骤中，如图9中所示，可以对所述球形髋臼杯假体模型继续进行二等分切割并加强边缘，由此获得半球形髋臼杯假体模型。

最后，是髋臼杯假体的3D打印制造步骤。

在此步骤中，如图10所示，在所述半球形髋臼杯假体模型中设置定位孔和固定孔，然后基于该半球形髋臼杯假体模型来执行3D打印，从而获得所需的表面多孔的髋臼杯假体产品。

综上，本发明通过对整个制备工艺及核心步骤进行设计，所获得的表面多孔髋臼杯的多孔层垂直于髋臼杯表面，因此其具有优异的力学性能；其还具有完全互联的枝杆结构，不存在孤立的杆，避免了术后长期活动的过程中孤立杆的脱落引发的炎症甚至是重新翻修。此外，该多孔层的多孔结构可以是任意复杂、任意形状的多孔结构，任何能够基于平面建模的多孔结构都能很好地成形到该髋臼杯表面，可以针对促进骨长入的孔径和孔隙率进行设计，可满足长寿命、高生物相容性髋臼杯假体植入物的需求，因而具备广阔的应用前景。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种表面多孔的髋臼杯假体分区设计及成型方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

步骤一、髋臼杯球形壳体的建模

建立一个球形壳体的模型，该球形壳体对应于髋臼杯植入物的实体部分；

步骤二、髋臼杯球形壳体的等分切割

采用多个基准平面对所述球形壳体进行等分切割，并获得等分切割后的弧面壳体；

步骤三、多孔层在分区髋臼杯假体表面的一体化设计

将预先选定的单胞沿着同一平面的XYZ三轴方向按照一定间距阵列排列，并将这些单胞组合形成对应的多孔层；接着，将该多孔层贴合到所述等分切割后的弧面壳体的外表面，由此形成弧面髋臼杯假体模型；

步骤四、分区髋臼杯假体的重组

将所述弧面髋臼杯假体模型沿着侧面进行镜像处理，由此重组形成球形髋臼杯假体模型；

步骤五、半球形髋臼杯假体的构建

对所述球形髋臼杯假体模型继续进行二等分切割并加强边缘，由此获得半球形髋臼杯假体模型；

步骤六、髋臼杯假体的3D打印制造

在所述半球形髋臼杯假体模型中设置定位孔和固定孔，然后基于该半球形髋臼杯假体模型来执行3D打印，从而获得所需的表面多孔的髋臼杯假体产品。

2.如权利要求1所述的髋臼杯假体分区设计及成型方法，其特征在于，在步骤(一)中，所述球形壳体的厚度根据临床需求而设计。

3.如权利要求2所述的髋臼杯假体分区设计及成型方法，其特征在于，在步骤(二)中，所述等分切割的过程设计如下：首先在所述球形壳体的表面上采8个或32个或128个均匀分布的点，选择可构成四边形的相邻四个点且将其连线形成一个矩形；分别以该矩形的四条边以及各个所述点来建立四个基准面，然后以这四个基准面来切割所述球形壳体，由此获得等分切割后的弧面壳体。

4.如权利要求3所述的髋臼杯假体分区设计及成型方法，其特征在于，在步骤(二)中，所述等分切割为6等分、24等分或96等分，并且所述弧面壳体由四个侧面和内外两个弧面共同构成。

5.如权利要求1-4任意一项所述的髋臼杯假体分区设计及成型方法，其特征在于，在步骤(三)中，所述单胞是任意形状、或者多种类型单胞的自由组合，所形成的多孔层是任意复杂形状的多孔层。

6.如权利要求1-4任意一项所述的髋臼杯假体分区设计及成型方法，其特征在于，在步骤(三)中，所述弧面髋臼杯假体由所述等分切割后的弧面壳体和位于该弧面壳体外表面的所述多孔层共同构成。

7.如权利要求1-4任意一项所述的髋臼杯假体分区设计及成型方法，其特征在于，在步骤(五)中，所述加强边缘的方式设计为：在所述二等分切割的轮廓边缘设置加厚层，并且该加厚层的厚度等于所述半球形髋臼杯假体的弧面壳体厚度与所述多孔层厚度之和。

8.如权利要求1-4任意一项所述的髋臼杯假体分区设计及成型方法，其特征在于，在步骤(六)中，所述定位孔和固定孔为螺孔，并且该螺孔贯穿于所述半球形髋臼杯假体的弧面壳体。