CN116636959A - 一种骨植入物制造方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种骨植入物制造方法及系统，涉及医疗材料技术领域，所述方法包括：获取骨缺损部位的骨骼影像数据并构建骨植入物模型；将骨植入物的材料性能参数导入至骨植入物模型中进行优化计算，以获得骨植入物模型中的应力、应变和温度分布结果。当分布结果符合预设的约束条件时，根据骨植入物模型中的材料性能参数的分布结果从预设的性能‑材料‑多孔结构的映射关参数据库中筛选出对应的骨植入物的光热响应复合材料组分及多孔结构数据以重构出骨植入物几何模型，最后通过3D打印技术进行制造。本发明能设计调整骨植入物的光热响应复合材料组分及多孔结构以使制得的骨植入物具有可靠的承载安全性、良好的抗肿瘤与促进成骨能力。
Description
技术领域
本发明涉及医疗材料技术领域，尤其涉及一种骨植入物制造方法及系统。
背景技术
临床治疗恶性骨肿瘤常采用外科手术彻底切除病灶，并植入骨替代物进行修复重建，再术后联合辅助放/化疗。由于现有骨植入物多以金属材料、陶瓷材料、聚合物材料及其复合材料来重建人体宿主骨缺损形态和承载能力，但面向肿瘤性骨缺损的修复，骨植入物在满足形态和力学承载能力的基础上，还需兼具抗肿瘤、抗菌、促进成骨等多功能特性以提高临床治疗效果。
随着纳米材料和光学技术的迅猛发展，相比传统手术治疗、放/化疗等，光热治疗在增加肿瘤治疗效果、减少副作用、促进骨再生等方面表现出独特的优势，被认为是极具临床前景的癌症治疗方法之一。光热治疗是通过对光热转换材料进行近红外照射，产生局部高温得以杀死癌细胞和消融肿瘤，同时一定的热刺激也能有助于诱导和加速新骨再生。因此，采用光热响应材料与骨植入物材料融合，通过近红外光照射将有利于进一步改善和提高肿瘤性骨缺损修复的抗肿瘤、抗菌、力学适配和促进成骨的多功能特性。
目前，前沿基础研究从材料学和生物学层面已证实光热治疗在抗肿瘤与促进成骨方面起到良好作用，但现有技术主要侧重于光热响应复合材料的组分设计与制备方法，以及通过设计光热响应复合材料多孔支架或通过多孔支架表面涂覆光热响应材料改性方式来修复肿瘤性骨缺损。然而对于人体复杂的生物力学环境和抗肿瘤等多方面功能需求作用下，缺乏一种基于人体的力学环境和不同功能需求下调整骨植入物内部光热响应复合材料组分配制及其微观多孔结构，以适应不同情况的骨缺损修复并满足在安全性要求的前提下，具有良好的抗肿瘤与促进成骨能力的骨植入物。因此，亟需一种骨植入物制造方法及系统来解决上述技术问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种骨植入物制造方法及系统，能根据不同情况下的骨缺损修复环境来设计调整骨植入物的光热响应复合材料组分及多孔结构以使制得的骨植入物具有可靠的承载安全性、良好的抗肿瘤与促进成骨能力。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种骨植入物制造方法，包括：
S1、通过医学影像技术获取骨缺损部位的骨骼影像数据并构建骨骼三维模型；
S2、根据骨骼三维模型及模拟环境参数进行有限元模型构建处理以获得骨植入物模型；
S3、将预设的材料性能参数导入至骨植入物模型中进行优化计算，以获得骨植入物模型中的应力、应变和温度分布结果，其中，材料性能参数包括刚度参数、屈服强度参数和导热参数；
S4、判断骨植入物模型中的应力、应变和温度分布结果是否符合预设的约束条件，判断为是时，执行步骤S5，判断为否时，筛选出不符合约束条件的分布区域并调整其材料性能参数，返回步骤S3；
S5、根据优化所得的骨植入物模型中的材料性能参数的分布结果从预设的性能-材料-多孔结构的映射关参数据库中筛选出对应的骨植入物的光热响应复合材料组分及多孔结构数据以重构出骨植入物几何模型；
S6、将骨植入物几何模型导入至3D打印设备中，以制造出所需的骨植入物。
作为上述方案的改进，判断骨植入物模型中的应力、应变和温度分布结果是否符合预设的约束条件的步骤包括：通过骨植入物模型中的应力、应变和温度分布结果能相应获得每个网格单元的应力、应变和温度数据；判断每个网格单元的应力是否小于其屈服强度参数、骨植入物模型与宿主骨接触面界面的相关网格单元的应变是否介于预设应变范围内且每个网格单元的温度是否介于预设温度范围内，判断为是时，则表示骨植入物模型符合预设的约束条件，判断为否时，则表示骨植入物模型不符合预设的约束条件。
作为上述方案的改进，筛选出不符合约束条件的分布区域并调整其材料性能参数的步骤包括：当筛选出的网格单元的应力大于等于其屈服强度参数时，在其刚度参数上增加预设刚度参数以获得当前调整后的刚度参数；当筛选出的骨植入物模型与宿主骨接触面界面的相关网格单元的应变不是介于预设应变范围内且小于预设应变范围中的最小应变时，在其刚度参数上增加预设刚度参数以获得当前调整后的刚度参数；当筛选出的骨植入物模型与宿主骨接触面界面的相关网格单元的应变不是介于预设应变范围内且大于预设应变范围中的最大应变时，在其刚度参数上减小预设刚度参数以获得当前调整后的刚度参数；当筛选出的网格单元的温度不是介于预设温度范围内且小于预设温度范围中的最小温度时，在其导热参数上增加预设导热参数以获得当前调整后的刚度参数；当筛选出的网格单元的温度不是介于预设温度范围内且大于预设温度范围中的最大温度时，在其导热参数上减小预设导热参数以获得当前调整后的导热参数；输出筛选后的网格单元及其当前调整后的材料性能参数。
作为上述方案的改进，根据骨骼三维模型及模拟环境参数进行有限元模型构建处理以获得骨植入物模型的步骤包括：根据骨骼三维模型进行初始模型构建处理以构建初始骨植入物模型，其中，初始模型构建处理包括曲面光滑处理和实体化；通过有限元分析及模拟环境参数对初始骨植入物模型进行调整以获得骨植入物模型。
作为上述方案的改进，性能-材料-多孔结构的映射关参数据库包括骨植入物的光热响应复合材料组分、多孔结构和材料性能参数之间的映射关参数据库；光热响应复合材料组分包括作为基材的热塑性聚合物以及作为功能添加相的生物陶瓷和光热响应材料，其中，热塑性聚合物占比范围为30-90wt%、生物陶瓷占比范围为5-40wt%，光热响应材料占比范围为5-30wt%；多孔结构的晶格单元的空间尺寸为长方体，其长宽高为1-4mm，孔径为100-1000μm，孔隙率为0-90%。
作为上述方案的改进，骨植入物的光热响应复合材料组分、多孔结构和材料性能参数之间的映射关系式为：
其中，C i为刚度矩阵参数，σ s为等效屈服强度，λ为等效导热参数，f φ为复合材料组分配比参数，f ϕ为多孔结构的孔隙率参数，f w为外部光照功率参数，F c为刚度矩阵性能控制函数，F σ为等效屈服强度性能控制函数和F λ为等效导热性能控制函数。
本发明还提供了一种骨植入物制造系统，包括：骨骼模型构建模块，用于通过医学影像技术获取骨缺损部位的骨骼影像数据并构建骨骼三维模型；模型构建处理模块，用于根据骨骼三维模型及模拟环境参数进行有限元模型构建处理以获得骨植入物模型；优化处理模块，用于将预设的材料性能参数导入至骨植入物模型中进行优化计算，以获得骨植入物模型中的应力、应变和温度分布结果，其中，材料性能参数包括刚度参数、屈服强度参数和导热参数；约束处理模块，用于当骨植入物模型中的应力、应变和温度分布结果符合预设的约束条件时，驱动几何模型构建模块工作；当骨植入物模型中的应力、应变和温度分布结果不符合预设的约束条件时，选出不符合约束条件的分布区域并调整其材料性能参数，驱动优化处理模块工作直至输出的分布结果符合预设的约束条件为止；几何模型构建模块，用于根据优化所得的骨植入物模型中的材料性能参数的分布结果从预设的性能-材料-多孔结构的映射关参数据库中筛选出对应的骨植入物的光热响应复合材料组分及多孔结构数据以重构出骨植入物几何模型；打印处理模块，用于将骨植入物几何模型导入至3D打印设备中，以制造出所需的骨植入物。
作为上述方案的改进，约束处理模块包括：获取单元，用于通过骨植入物模型中的应力、应变和温度分布结果能相应获得每个网格单元的应力、应变和温度数据；约束判断单元，用于判断每个网格单元的应力是否小于其屈服强度参数、骨植入物模型与宿主骨接触面界面的相关网格单元的应变是否介于预设应变范围内且每个网格单元的温度是否介于预设温度范围内，判断为是时，则表示骨植入物模型符合预设的约束条件，判断为否时，则表示骨植入物模型不符合预设的约束条件。
作为上述方案的改进，约束处理模块还包括：第一约束处理单元，用于当筛选出的网格单元的应力大于等于其屈服强度参数时，在其刚度参数上增加预设刚度参数以获得当前调整后的刚度参数；第二约束处理单元，用于当筛选出的骨植入物模型与宿主骨接触面界面的相关网格单元的应变不是介于预设应变范围内且小于预设应变范围中的最小应变时，在其刚度参数上增加预设刚度参数以获得当前调整后的刚度参数；当筛选出的骨植入物模型与宿主骨接触面界面的相关网格单元的应变不是介于预设应变范围内且大于预设应变范围中的最大应变时，在其刚度参数上减小预设刚度参数以获得当前调整后的刚度参数；第三约束处理单元，用于当筛选出的网格单元的温度不是介于预设温度范围内且小于预设温度范围中的最小温度时，在其导热参数上增加预设导热参数以获得当前调整后的刚度参数；当筛选出的网格单元的温度不是介于预设温度范围内且大于预设温度范围中的最大温度时，在其导热参数上减小预设导热参数以获得当前调整后的导热参数；约束输出单元，用于输出筛选后的网格单元及其当前调整后的材料性能参数。
作为上述方案的改进，模型构建处理模块包括：初始模型构建处理单元，用于根据骨骼三维模型进行初始模型构建处理以构建初始骨植入物模型，其中，初始模型构建处理包括曲面光滑处理和实体化；有限元处理单元，用于通过有限元分析及模拟环境参数对初始骨植入物模型进行调整以获得骨植入物模型。
实施本发明，具有如下有益效果：
本发明骨植入物制造方法及系统，能在模拟真实环境下设计调整骨植入物的光热响应复合材料组分及多孔结构以使制得的骨植入物具有所需的刚度参数、屈服强度参数和导热参数等力学性能及热学性能，从而确保制得的骨植入物具有可靠的承载安全性、良好的抗肿瘤与促进成骨能力，进而可适用于不同情况下的骨缺损修复场合中使用。
附图说明
图1是本发明骨植入物制造方法的流程图；
图2是本发明骨植入物制造系统的结构示意图；
图3是本发明模型构建处理模块的结构示意图；
图4是本发明约束处理模块的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。仅此声明，本发明在文中出现或即将出现的上、下、左、右、前、后、内、外等方位用词，仅以本发明的附图为基准，其并不是对本发明的具体限定。
如图1所示，本发明具体实施例提供了一种骨植入物制造方法，包括：
S1、通过医学影像技术获取骨缺损部位的骨骼影像数据并构建骨骼三维模型；
需要说明的是，将获取的骨缺损部位的CT或MRI骨骼影像数据导入至Mimics三维处理软件中以构建宿主骨、肿瘤和软组织三维模型并根据骨缺损范围重建骨骼三维模型。
S2、根据骨骼三维模型及模拟环境参数进行有限元模型构建处理以获得骨植入物模型；
具体地，根据骨骼三维模型及模拟环境参数进行有限元模型构建处理以获得骨植入物模型的步骤包括：
步骤一、根据骨骼三维模型进行初始模型构建处理以构建初始骨植入物模型，其中，初始模型构建处理包括曲面光滑处理和实体化；
需要说明的是，通过Geomagic Wrap软件对骨骼三维模型进行曲面光滑处理和实体化等优化处理，以获得初始的骨植入模型。
步骤二、通过有限元分析及模拟环境参数对初始骨植入物模型进行调整以获得骨植入物模型。
需要说明的是，将初始骨植入物模型导入至有限元软件Abaqus中进行有限元分析以完成构建骨植入物模型。其中，设置的模拟环境参数应用在有限元软件Abaqus中，模拟环境参数包括根据骨缺损部位的真实力学环境确定有限元分析中不同运动状态下的力学载荷（如脊柱类骨植入物的不同屈伸、侧弯、轴向旋转的载荷数值等）以及根据光热治疗外部的输入条件确定有限元分析中相应施加的光照辐照功率等限制参数来模拟不同的骨缺损部位的真实力学环境和光照环境，充分考虑了人体骨与骨植入物在力学与热学性能的各向异性，以及近红外光照在人体组织内部的传递和产热的过程，使得后续通过该骨植入物模型进行处理并重构的数据更准确，制得的骨植入物更贴合实际使用需求。
S3、将预设的材料性能参数导入至骨植入物模型中进行优化计算，以获得骨植入物模型中的应力、应变和温度分布结果，其中，材料性能参数包括刚度参数、屈服强度参数和导热参数；
需要说明的是，通过将预设的材料性能参数导入至骨植入物模型中（即为骨植入物模型中的每个网格单元赋予材料性能参数）并基于真实力学环境和光照环境下进行有限元分析优化计算，以输出当前优化的骨植入物模型中的应力、应变和温度分布结果，便于后续根据当前优化的骨植入物模型中的应力、应变和温度分布结果进行约束评价，确定当前的骨植入物模型是否已满足功能需求，若满足需求则输出以进行后续制备处理。
其中，初始优化计算时，材料性能参数为预设的初始材料性能参数。初始材料性能参数优选为光热响应复合材料基材（热塑性聚合物）的力学性能参数（刚度参数和屈服强度参数）和导热性能参数（导热参数）。
S4、判断骨植入物模型中的应力、应变和温度分布结果是否符合预设的约束条件，判断为是时，执行步骤S5，判断为否时，筛选出不符合约束条件的分布区域并调整其材料性能参数，返回步骤S3；
具体地，判断骨植入物模型中的应力、应变和温度分布结果是否符合预设的约束条件的步骤包括：
步骤(一)、通过骨植入物模型中的应力、应变和温度分布结果能相应获得每个网格单元的应力、应变和温度数据；
需要说明的是，由于骨植入物模型为网格三维模型，通过骨植入物模型中的应力、应变和温度分布结果能相应获得每个网格单元的应力、应变和温度数据。
步骤(二)、判断每个网格单元的应力是否小于其屈服强度参数、每个网格单元的温度是否介于预设温度范围内且骨植入物模型与宿主骨接触面界面的相关网格单元的应变是否介于预设应变范围内，判断为是时，则表示骨植入物模型符合预设的约束条件，判断为否时，则表示骨植入物模型不符合预设的约束条件。
需要说明的是，当优化输出的骨植入物模型能同时满足上述三个约束条件时，则认为此时优化所得的骨植入物模型的力学性能及热学性能分布结果已满足实际所需的功能需求，如具有可靠的承载安全性、良好的抗肿瘤与促进成骨能力等；否则认为当前优化所得的骨植入物模型的力学性能及热学性能分布结果不足以满足实际所需的功能需求，通过筛选出不符合约束条件的分布区域，即不符合约束条件的网格区域或网格单元，调整其骨植入物的材料性能参数并导入至骨植入物模型中进行重新计算，通过优化迭代计算直至所优化输出的骨植入物模型的力学性能及热学性能分布结果满足实际所需的功能需求为止，确保通过最优处理的骨植入物模型制备的骨植入物能满足实际使用所需的功能需求。
进一步地，筛选出不符合约束条件的分布区域并调整其材料性能参数的步骤包括：
步骤一）、当筛选出的网格单元的应力大于等于其屈服强度参数时，在其刚度参数上增加预设刚度参数以获得当前调整后的刚度参数；
需要说明的是，为了使制备的所需的骨植入物满足安全性的强度准则，在模拟真实环境下进行优化计算所得的骨植入物模型中的每个网格单元的应力均应小于其屈服强度参数；否则筛选出不符合要求的网格单元并在其刚度参数上增加预设刚度参数以获得当前调整后的刚度参数，如C i+C=C i+1，C i为当前调整前的刚度参数，C为预设刚度参数，Ci+1为当前调整后的刚度参数。
步骤二）、当筛选出的骨植入物模型与宿主骨接触面界面的相关网格单元的应变不是介于预设应变范围内且小于预设应变范围中的最小应变时，在其刚度参数上增加预设刚度参数以获得当前调整后的刚度参数；当筛选出的骨植入物模型与宿主骨接触面界面的相关网格单元的应变不是介于预设应变范围内且大于预设应变范围中的最大应变时，在其刚度参数上减小预设刚度参数以获得当前调整后的刚度参数；
需要说明的是，为了使制备的所需的骨植入物满足促进骨生长的应变准则，当前优化所得的骨植入物模型与宿主骨接触面界面的相关网格单元的应变应介于预设应变范围内；否则调整筛选出的相关网格单元的刚度参数，如当相关网格单元的应变小于预设应变范围中的最小应变或大于预设应变范围中的最大应变时，在筛选出的网格单元的刚度参数上增加或减小预设刚度参数以获得当前调整后的刚度参数。其中，预设应变范围优选为200με – 5000με，但不限于此，还可根据实际需求进行相应调整。
步骤三）、当筛选出的网格单元的温度不是介于预设温度范围内且小于预设温度范围中的最小温度时，在其导热参数上增加预设导热参数以获得当前调整后的刚度参数；当筛选出的网格单元的温度不是介于预设温度范围内且大于预设温度范围中的最大温度时，在其导热参数上减小预设导热参数以获得当前调整后的导热参数；
需要说明的是，为了使制备的所需的骨植入物满足抗肿瘤的温度准则，当前优化所得的骨植入物模型中的网格单元的温度应介于预设温度范围内；否则调整筛选出的网格单元的导热参数，如当网格单元的温度小于预设温度范围中的最小温度或大于预设温度范围中的最大温度时，在筛选出的网格单元的导热参数上增加或减小预设刚度参数以获得当前调整后的刚度参数。其中，预设温度范围位抑制肿瘤的温度范围，优选为41-48℃，但不限于此，还可根据实际需求进行相应调整。
步骤四）、输出筛选后的网格单元及其当前调整后的材料性能参数。
需要说明的是，将经上述步骤筛选后的网格单元及其当前调整后的材料性能参数导入至骨植入物模型中，重新进行有限元分析优化计算处理，以进一步获得当前优化调整后的骨植入物模型及其力学性能及热学性能分布结果。在骨植入物模型的优化迭代计算处理过程中，通过上述优化调整方式使最后获得的骨植入物模型的力学性能及热学性能分布结果满足实际所需的功能需求，确保最后制备的骨植入物能满足实际使用所需的功能需求。
S5、根据优化所得的骨植入物模型中的材料性能参数的分布结果从预设的性能-材料-多孔结构的映射关系数据库中筛选出对应的骨植入物的光热响应复合材料组分及多孔结构数据以重构出骨植入物几何模型；
具体地，性能-材料-多孔结构的映射关参数据库包括骨植入物的光热响应复合材料组分、多孔结构和材料性能参数之间的映射关参数据库；光热响应复合材料组分包括作为基材的热塑性聚合物以及作为功能添加相的生物陶瓷和光热响应材料，其中，热塑性聚合物占比范围为30-90wt%、生物陶瓷占比范围为5-40wt%，光热响应材料占比范围为5-30wt%；多孔结构的晶格单元（即网格单元）的空间尺寸为长方体，其长宽高为1-4mm，孔径为100-1000μm，孔隙率为0-90%。
需要说明的是，根据模拟真实环境下优化所得的骨植入物模型中的骨植入物的材料性能参数的分布结果（即骨植入物模型中的每个网格单元的材料性能参数）从预设的性能-材料-多孔结构的映射关参数据库中筛选出每个网格单元的材料性能参数所对应的光热响应复合材料组分及多孔结构数据，通过将每个网格单元的光热响应复合材料组分及多孔结构数据导入至骨植入物模型中进行模型重构，以确定骨植入物模型的具体结构及制备材料成分并重构出骨植入物几何模型。
进一步地，骨植入物的光热响应复合材料组分、多孔结构和材料性能参数之间的映射关系式为：
其中，C i为刚度矩阵参数，σ s为等效屈服强度参数，λ为等效导热参数，f φ为复合材料组分配比参数，f ϕ为多孔结构的孔隙率参数，f w为外部光照功率参数，F c为刚度矩阵性能控制函数，F σ为等效屈服强度性能控制函数和F λ为等效导热性能控制函数。上述的刚度矩阵参数、等效屈服强度参数和等效导热参数相当于网格单元的材料性能参数中的刚度参数、屈服强度参数和导热参数。多孔结构的孔隙率参数和外部光照功率参数均为自变量参数。
上述的性能控制函数F c、F σ和F λ是根据数值计算结果和实验测量数据采用多项式函数与幂函数组合并进行拟合构建所得的。以下以光热响应复合材料多孔结构样件的等效屈服强度参数与复合材料组分配比参数及多孔结构的孔隙率参数之间的拟合关系为例进行进一步说明：
设定光热响应复合材料中的热塑性聚合物、生物陶瓷、光热响应材料质量占比分别为w1、w2和w3。通过Digimat软件可计算出不同材料组分配比条件下的刚度参数、屈服强度参数和导热参数，采用二项式拟合方式分别建立光热响应复合材料的力学/热学性能参数与其材料组分的关系式，通过采用物理混合方式和熔融挤出工艺制备上述不同性能的测试实验样件并分别进行实验测量，根据实验结果进一步优化修正该关系式。光热响应复合材料自身屈服强度参数与复合材料组分配比参数之间的关系式如下：
其中，a、b、c、d、e、g、h分别为二次多项式拟合的参数，σ s1、σ s2、σ s3分别为热塑性聚合物、生物陶瓷、光热响应材料自身材料的屈服强度。
在确定光热响应复合材料自身屈服强度与复合材料组分配比参数之间的映射关系后，设计具有不同孔隙率参数的多孔结构，分别采用Abaqus软件计算不同孔隙率参数的复合材料多孔结构的刚度、等效屈服强度、导热参数，并通过3D打印制备光热响应复合材料多孔结构样件进行实验测试。通常采用Ashby-Gibson的幂函数模型及根据上述数值计算和实验测量结果进行数据拟合，最终获得复合材料多孔结构的等效屈服强度与复合材料组分配比参数及多孔结构的孔隙率参数之间的映射关系式：
相应地，通过采用数值计算和实验测量方法相结合，针对获取到的数据采用多项式拟合的方式建立其刚度矩阵参数和等效导热参数与复合材料组分配比参数、多孔结构的孔隙率参数和外部光照功率参数之间的映射关系。因此通过上述的骨植入物的光热响应复合材料组分、多孔结构和材料性能参数之间的映射关系式可获得性能-材料-多孔结构的映射关参数据库。其次，上述的拟合方式均为常规试验计算方式。
需要说明的是，由于材料组分或多孔结构的变化，致使其力学与导热性能会相应改变，因此材料-结构-性能之间的关系是一一对应的。如某一种材料组分在设定的某种多孔结构下，其刚度、屈服强度、导热参数是确定的。相反地，通过确定的刚度、屈服强度、导热参数能够获得对应的光热响应复合材料组分及多孔结构的数据。
S6、将骨植入物几何模型导入至3D打印设备中，以制造出所需的骨植入物。
需要说明的是，通过3D打印技术将重构好的骨植入物几何模型进行打造处理，以获得实际所需的骨植入物。该骨植入物具有所需的良好的光热响应和转换效率，能有效抑制肿瘤生长、复发和转移，同时具有可靠的承载安全性、以及促进骨生长而快速形成稳定的生物型固定功能，可适用于相应的真实环境下的骨缺损修复场合中使用。
如图2-4所示，本发明还提供了一种骨植入物制造系统的具体实施例，包括：
骨骼模型构建模块1，用于通过医学影像技术获取骨缺损部位的骨骼影像数据并构建骨骼三维模型；
需要说明的是，将获取的骨缺损部位的CT或MRI骨骼影像数据导入至Mimics三维处理软件中以构建宿主骨、肿瘤和软组织三维模型并根据骨缺损范围重建骨骼三维模型。
模型构建处理模块2，用于根据骨骼三维模型及模拟环境参数进行有限元模型构建处理以获得骨植入物模型；
具体地，模型构建处理模块2包括：
初始模型构建处理单元21，用于根据骨骼三维模型进行初始模型构建处理以构建初始骨植入物模型，其中，初始模型构建处理包括曲面光滑处理和实体化；
需要说明的是，通过Geomagic Wrap软件对骨骼三维模型进行曲面光滑处理和实体化等优化处理，以获得初始的骨植入模型。
有限元处理单元22，用于通过有限元分析及模拟环境参数对初始骨植入物模型进行调整以获得骨植入物模型。
需要说明的是，需要说明的是，将初始骨植入物模型导入至有限元软件Abaqus中进行有限元分析以完成构建骨植入物模型。其中，设置的模拟环境参数应用在有限元软件Abaqus中，模拟环境参数包括根据骨缺损部位的真实力学环境确定有限元分析中不同运动状态下的力学载荷（如脊柱类骨植入物的不同屈伸、侧弯、轴向旋转的载荷数值等）以及根据光热治疗外部的输入条件确定有限元分析中相应施加的光照辐照功率等限制参数来模拟不同的骨缺损部位的真实力学环境和光照环境，充分考虑了人体骨与骨植入物在力学与热学性能的各向异性，以及近红外光照在人体组织内部的传递和产热的过程，使得后续通过该骨植入物模型进行处理并重构的数据更准确，制得的骨植入物更贴合实际使用需求。
优化处理模块3，用于将预设的材料性能参数导入至骨植入物模型中进行优化计算，以获得骨植入物模型中的应力、应变和温度分布结果，其中，材料性能参数包括刚度系数、屈服强度系数和导热系数；
需要说明的是，通过将预设的材料性能参数导入至骨植入物模型中（即为骨植入物模型中的每个网格单元赋予材料性能参数）并基于真实力学环境和光照环境下进行有限元分析优化计算，以输出当前优化的骨植入物模型中的应力、应变和温度分布结果，便于后续根据当前优化的骨植入物模型中的应力、应变和温度分布结果进行约束评价，确定当前的骨植入物模型是否已满足功能需求，若满足需求则输出以进行后续制备处理。
其中，初始优化计算时，材料性能参数为预设的初始材料性能参数。初始材料性能参数优选为光热响应复合材料基材（热塑性聚合物）的力学性能参数（刚度参数和屈服强度参数）和导热性能参数（导热参数）。
约束处理模块4，用于当骨植入物模型中的应力、应变和温度分布结果符合预设的约束条件时，驱动几何模型构建模块5工作；当骨植入物模型中的应力、应变和温度分布结果不符合预设的约束条件时，选出不符合约束条件的分布区域并调整其材料性能参数，驱动优化处理模块3工作直至输出的分布结果符合预设的约束条件为止；
具体地，约束处理模块4包括：
获取单元41，用于通过骨植入物模型中的应力、应变和温度分布结果能相应获得每个网格单元的应力、应变和温度数据；
需要说明的是，由于骨植入物模型为网格三维模型，通过骨植入物模型中的应力、应变和温度分布结果能相应获得每个网格单元的应力、应变和温度数据。
约束判断单元42，用于判断每个网格单元的应力是否小于其屈服强度参数、每个网格单元的温度是否介于预设温度范围内且骨植入物模型与宿主骨接触面界面的相关网格单元的应变是否介于预设应变范围内，判断为是时，则表示骨植入物模型符合预设的约束条件，判断为否时，则表示骨植入物模型不符合预设的约束条件。
需要说明的是，当优化输出的骨植入物模型能同时满足上述三个约束条件时，则认为此时优化所得的骨植入物模型的力学性能及热学性能分布结果已满足实际所需的功能需求，如具有可靠的承载安全性、良好的抗肿瘤与促进成骨能力等；否则认为当前优化所得的骨植入物模型的力学性能及热学性能分布结果不足以满足实际所需的功能需求，通过筛选出不符合约束条件的分布区域，即不符合约束条件的网格区域或网格单元，调整其骨植入物的材料性能参数并导入至骨植入物模型中进行重新计算，通过优化迭代计算直至所优化输出的骨植入物模型的力学性能及热学性能分布结果满足实际所需的功能需求为止，确保通过最优处理的骨植入物模型制备的骨植入物能满足实际使用所需的功能需求。
进一步地，约束处理模块4还包括：
第一约束处理单元43，用于当筛选出的网格单元的应力大于等于其屈服强度参数时，在其刚度参数上增加预设刚度参数以获得当前调整后的刚度参数；
需要说明的是，为了使制备的所需的骨植入物满足安全性的强度准则，在模拟真实环境下进行优化计算所得的骨植入物模型中的每个网格单元的应力均应小于其屈服强度参数；否则筛选出不符合要求的网格单元并在其刚度参数上增加预设刚度参数以获得当前调整后的刚度参数，如C i+C=C i+1，C i为当前调整前的刚度参数，C为预设刚度参数，Ci+1为当前调整后的刚度参数。
第二约束处理单元44，用于当筛选出的骨植入物模型与宿主骨接触面界面的相关网格单元的应变不是介于预设应变范围内且小于预设应变范围中的最小应变时，在其刚度参数上增加预设刚度参数以获得当前调整后的刚度参数；当筛选出的骨植入物模型与宿主骨接触面界面的相关网格单元的应变不是介于预设应变范围内且大于预设应变范围中的最大应变时，在其刚度参数上减小预设刚度参数以获得当前调整后的刚度参数；
需要说明的是，为了使制备的所需的骨植入物满足促进骨生长的应变准则，当前优化所得的骨植入物模型与宿主骨接触面界面的相关网格单元的应变应介于预设应变范围内；否则调整筛选出的相关网格单元的刚度参数，如当相关网格单元的应变小于预设应变范围中的最小应变或大于预设应变范围中的最大应变时，在筛选出的网格单元的刚度参数上增加或减小预设刚度参数以获得当前调整后的刚度参数。其中，预设应变范围优选为200με – 5000με，但不限于此，还可根据实际需求进行相应调整。
第三约束处理单元45，用于当筛选出的网格单元的温度不是介于预设温度范围内且小于预设温度范围中的最小温度时，在其导热参数上增加预设导热参数以获得当前调整后的刚度参数；当筛选出的网格单元的温度不是介于预设温度范围内且大于预设温度范围中的最大温度时，在其导热参数上减小预设导热参数以获得当前调整后的导热参数；
需要说明的是，为了使制备的所需的骨植入物满足抗肿瘤的温度准则，当前优化所得的骨植入物模型中的网格单元的温度应介于预设温度范围内；否则调整筛选出的网格单元的导热参数，如当网格单元的温度小于预设温度范围中的最小温度或大于预设温度范围中的最大温度时，在筛选出的网格单元的导热参数上增加或减小预设刚度参数以获得当前调整后的刚度参数。其中，预设温度范围位抑制肿瘤的温度范围，优选为41-48℃，但不限于此，还可根据实际需求进行相应调整。
约束输出单元46，用于输出筛选后的网格单元及其当前调整后的材料性能参数。
需要说明的是，将筛选后的网格单元及其当前调整后的材料性能参数导入至骨植入物模型中，重新进行有限元分析优化计算处理，以进一步获得当前优化调整后的骨植入物模型及其力学性能及热学性能分布结果。在骨植入物模型的优化迭代计算处理过程中，通过上述优化调整方式使最后获得的骨植入物模型的力学性能及热学性能分布结果满足实际所需的功能需求，确保最后制备的骨植入物能满足实际使用所需的功能需求。
几何模型构建模块5，用于根据优化所得的骨植入物模型中的材料性能参数的分布结果从预设的性能-材料-多孔结构的映射关系数据库中筛选出对应的骨植入物的光热响应复合材料组分及多孔结构数据以重构出骨植入物几何模型；
需要说明的是，根据模拟真实环境下优化所得的骨植入物模型中的骨植入物的材料性能参数的分布结果（即骨植入物模型中的每个网格单元的材料性能参数）从预设的性能-材料-多孔结构的映射关参数据库中筛选出每个网格单元的材料性能参数所对应的光热响应复合材料组分及多孔结构数据，通过将每个网格单元的光热响应复合材料组分及多孔结构数据导入至骨植入物模型中进行模型重构，以确定骨植入物模型的具体结构及制备材料成分并重构出骨植入物几何模型。
打印处理模块6，用于将骨植入物几何模型导入至3D打印设备中，以制造出所需的骨植入物。
需要说明的是，通过3D打印技术将重构好的骨植入物几何模型进行打造处理，以获得实际所需的骨植入物。该骨植入物具有所需的良好的光热响应和转换效率，能有效抑制肿瘤生长、复发和转移，同时具有可靠的承载安全性、以及促进骨生长而快速形成稳定的生物型固定功能，可适用于相应的真实环境下的骨缺损修复场合中使用。
综上所述，本发明能在模拟真实环境下设计调整骨植入物的光热响应复合材料组分及多孔结构以使制得的骨植入物具有所需的刚度参数、屈服强度参数和导热参数等力学性能及热学性能，从而确保制得的骨植入物具有可靠的承载安全性、良好的抗肿瘤与促进成骨能力，进而可适用于不同情况下的骨缺损修复场合中使用。
以上所揭露的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (8)
1.一种骨植入物制造方法，其特征在于，包括：
S1、通过医学影像技术获取骨缺损部位的骨骼影像数据并构建骨骼三维模型；
S2、根据所述骨骼三维模型及模拟环境参数进行有限元模型构建处理以获得骨植入物模型；
S3、将预设的材料性能参数导入至所述骨植入物模型中进行优化计算，以获得所述骨植入物模型中的应力、应变和温度分布结果，其中，所述材料性能参数包括刚度参数、屈服强度参数和导热参数；
S4、判断所述骨植入物模型中的应力、应变和温度分布结果是否符合预设的约束条件，判断为是时，执行步骤S5，判断为否时，筛选出不符合约束条件的分布区域并调整其材料性能参数，返回步骤S3；
S5、根据优化所得的所述骨植入物模型中的材料性能参数的分布结果从预设的性能-材料-多孔结构的映射关参数据库中筛选出对应的骨植入物的光热响应复合材料组分及多孔结构数据以重构出骨植入物几何模型；
S6、将所述骨植入物几何模型导入至3D打印设备中，以制造出所需的骨植入物；
其中，所述判断所述骨植入物模型中的应力、应变和温度分布结果是否符合预设的约束条件的步骤包括：
通过所述骨植入物模型中的应力、应变和温度分布结果能相应获得每个网格单元的应力、应变和温度数据；
判断每个网格单元的应力是否小于其屈服强度参数、骨植入物模型与宿主骨接触面界面的相关网格单元的应变是否介于预设应变范围内且每个网格单元的温度是否介于预设温度范围内，判断为是时，则表示所述骨植入物模型符合预设的约束条件，判断为否时，则表示所述骨植入物模型不符合预设的约束条件。
2.根据权利要求1所述的骨植入物制造方法，其特征在于，所述筛选出不符合约束条件的分布区域并调整其材料性能参数的步骤包括：
当筛选出的网格单元的应力大于等于其屈服强度参数时，在其刚度参数上增加预设刚度参数以获得当前调整后的刚度参数；
当筛选出的骨植入物模型与宿主骨接触面界面的相关网格单元的应变不是介于预设应变范围内且小于预设应变范围中的最小应变时，在其刚度参数上增加预设刚度参数以获得当前调整后的刚度参数；当筛选出的骨植入物模型与宿主骨接触面界面的相关网格单元的应变不是介于预设应变范围内且大于预设应变范围中的最大应变时，在其刚度参数上减小预设刚度参数以获得当前调整后的刚度参数；
当筛选出的网格单元的温度不是介于预设温度范围内且小于预设温度范围中的最小温度时，在其导热参数上增加预设导热参数以获得当前调整后的刚度参数；当筛选出的网格单元的温度不是介于预设温度范围内且大于预设温度范围中的最大温度时，在其导热参数上减小预设导热参数以获得当前调整后的导热参数；
输出筛选后的网格单元及其当前调整后的材料性能参数。
3.根据权利要求1所述的骨植入物制造方法，其特征在于，所述根据所述骨骼三维模型及模拟环境参数进行有限元模型构建处理以获得骨植入物模型的步骤包括：
根据所述骨骼三维模型进行初始模型构建处理以构建初始骨植入物模型，其中，初始模型构建处理包括曲面光滑处理和实体化；
通过有限元分析及所述模拟环境参数对所述初始骨植入物模型进行调整以获得骨植入物模型。
4.根据权利要求1所述的骨植入物制造方法，其特征在于，所述性能-材料-多孔结构的映射关参数据库包括骨植入物的光热响应复合材料组分、多孔结构和材料性能参数之间的映射关参数据库；
所述光热响应复合材料组分包括作为基材的热塑性聚合物以及作为功能添加相的生物陶瓷和光热响应材料，其中，热塑性聚合物占比范围为30-90wt%、生物陶瓷占比范围为5-40wt%，光热响应材料占比范围为5-30wt%；
所述多孔结构的晶格单元的空间尺寸为长方体，其长宽高为1-4mm，孔径为100-1000μm，孔隙率为0-90%。
5.根据权利要求4所述的骨植入物制造方法，其特征在于，所述骨植入物的光热响应复合材料组分、多孔结构和材料性能参数之间的映射关系式为：
其中，C i为刚度矩阵参数，σ s为等效屈服强度，λ为等效导热参数，f φ为复合材料组分配比参数，f ϕ为多孔结构的孔隙率参数，f w为外部光照功率参数，F c为刚度矩阵性能控制函数，F σ为等效屈服强度性能控制函数和F λ为等效导热性能控制函数。
6.一种骨植入物制造系统，其特征在于，包括：
骨骼模型构建模块，用于通过医学影像技术获取骨缺损部位的骨骼影像数据并构建骨骼三维模型；
模型构建处理模块，用于根据所述骨骼三维模型及模拟环境参数进行有限元模型构建处理以获得骨植入物模型；
优化处理模块，用于将预设的材料性能参数导入至所述骨植入物模型中进行优化计算，以获得所述骨植入物模型中的应力、应变和温度分布结果，其中，所述材料性能参数包括刚度参数、屈服强度参数和导热参数；
约束处理模块，用于当所述骨植入物模型中的应力、应变和温度分布结果符合预设的约束条件时，驱动几何模型构建模块工作；当所述骨植入物模型中的应力、应变和温度分布结果不符合预设的约束条件时，选出不符合约束条件的分布区域并调整其材料性能参数，驱动优化处理模块工作直至输出的分布结果符合预设的约束条件为止；
几何模型构建模块，用于根据优化所得的所述骨植入物模型中的材料性能参数的分布结果从预设的性能-材料-多孔结构的映射关参数据库中筛选出对应的骨植入物的光热响应复合材料组分及多孔结构数据以重构出骨植入物几何模型；
打印处理模块，用于将所述骨植入物几何模型导入至3D打印设备中，以制造出所需的骨植入物；
其中，所述约束处理模块包括：
获取单元，用于通过所述骨植入物模型中的应力、应变和温度分布结果能相应获得每个网格单元的应力、应变和温度数据；
约束判断单元，用于判断每个网格单元的应力是否小于其屈服强度参数、骨植入物模型与宿主骨接触面界面的相关网格单元的应变是否介于预设应变范围内且每个网格单元的温度是否介于预设温度范围内，判断为是时，则表示所述骨植入物模型符合预设的约束条件，判断为否时，则表示所述骨植入物模型不符合预设的约束条件。
7.根据权利要求6所述的骨植入物制造系统，其特征在于，所述约束处理模块还包括：
第一约束处理单元，用于当筛选出的网格单元的应力大于等于其屈服强度参数时，在其刚度参数上增加预设刚度参数以获得当前调整后的刚度参数；
第二约束处理单元，用于当筛选出的骨植入物模型与宿主骨接触面界面的相关网格单元的应变不是介于预设应变范围内且小于预设应变范围中的最小应变时，在其刚度参数上增加预设刚度参数以获得当前调整后的刚度参数；当筛选出的骨植入物模型与宿主骨接触面界面的相关网格单元的应变不是介于预设应变范围内且大于预设应变范围中的最大应变时，在其刚度参数上减小预设刚度参数以获得当前调整后的刚度参数；
第三约束处理单元，用于当筛选出的网格单元的温度不是介于预设温度范围内且小于预设温度范围中的最小温度时，在其导热参数上增加预设导热参数以获得当前调整后的刚度参数；当筛选出的网格单元的温度不是介于预设温度范围内且大于预设温度范围中的最大温度时，在其导热参数上减小预设导热参数以获得当前调整后的导热参数；
约束输出单元，用于输出筛选后的网格单元及其当前调整后的材料性能参数。
8.根据权利要求6所述的骨植入物制造系统，其特征在于，所述模型构建处理模块包括：
初始模型构建处理单元，用于根据所述骨骼三维模型进行初始模型构建处理以构建初始骨植入物模型，其中，初始模型构建处理包括曲面光滑处理和实体化；
有限元处理单元，用于通过有限元分析及所述模拟环境参数对所述初始骨植入物模型进行调整以获得骨植入物模型。
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2023
- 2023-07-26 CN CN202310920715.8A patent/CN116636959B/zh active Active
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