CN209004331U - 一种基于3d打印的脊柱假体 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于3D打印的脊柱假体，包括支撑框体、镂空结构和固定位；所述支撑框体是由若干横梁和纵梁组成的空腔型的主体受力结构，所述的横梁包括上承梁、下承梁和中间横梁，上承梁、下承梁分别与相接触的椎体表面解剖形状相匹配，上承梁、下承梁之间分布有若干纵梁，中间横梁连接在纵梁之间；所述镂空结构是分布在支撑框体之间的非主受力部位。本实用新型的上承梁与下承梁要求参照紧邻的上下椎体表面解剖形状设计，安装时完全贴附，且均匀排布锥形固定刺结构，加强了把持力，使固定更加稳固；主体结构为收腰结构，利于载荷的有效传导与应力的扩散。支撑框体内部为空腔设计及开孔设计，用于填充骨组织，促进上下椎体达到骨性融合。

Description

一种基于3D打印的脊柱假体

技术领域

本实用新型属于医疗植入假体技术领域，涉及一种基于3D打印的脊柱假体。

背景技术

脊柱肿瘤(spinal tumor)指发生于脊柱的原发性及继发性肿瘤。原发性脊柱肿瘤的总体发生率约为0.4％。绝大多数青少年脊柱肿瘤为良性，而中青年患者恶性肿瘤可能性大。良性肿瘤多累及后方结构，恶性肿瘤则多累及椎体。原发性良性脊柱肿瘤一般进展慢，病程长；恶性脊柱肿瘤则进展较快，病程短，临床症状出现较快，约占每年新增恶性骨肿瘤的10％。针对影响脊柱稳定性的恶性脊柱肿瘤，一般采用手术行肿瘤切除及脊柱内固定，达到缓解症状及维持脊柱稳定的目的，传统的脊柱内固定一般采用钛笼代替原病变椎体，但由于钛笼制造工艺与规格的限制，其并不能完全匹配于患者受用部位，造成钛笼滑脱、位移、甚至椎体塌陷，尤其在代替腰椎等受力较大部位椎体时更是加大了使用风险，给患者造成二次伤害与病痛。

但相关术后随访研究发现部分患者出现钛笼下沉塌陷情况，影响患者术后疗效。YuChen等对300例实施颈椎椎体次全切除减压联合钛笼植骨融合术的患者进行术后随访。随访结果发现182(60.7％)位患者出现轻度钛笼塌陷(1-3mm)，57位患者出现重度钛笼塌陷(＞3mm)。与术后未出现钛笼塌陷的患者相比，存在钛笼塌陷的患者神经功能恢复情况明显低于钛笼为塌陷患者。严重的钛笼塌陷会导致颈部疼痛、神经功能受损、固定失败等并发症的出现。(ChenY,ChenDY,GuoYF,etal.SubsidenceofTitaniumMesh CageAStudyBasedon300Cases[J].JournalofSpinalDisorders&Techniques,2008,21(7):489-492.)引起钛笼术后塌陷一个重要的原因是钛笼与椎体终板的接触面积小。传统钛笼植入过程中，需要将钛笼的长度修剪至骨槽长度。钛笼未经裁剪一面为光滑结构，有6个平整的接触点，裁剪的一端多数情况下为12个锐利的接触点。这种点接触方式造成其椎体终板表面压力负荷较大，容易引起椎体终板结构破坏导致钛笼刺入椎体中，引起钛笼塌陷(徐建伟,贾连顺,陈德玉,etal.颈椎前路椎体次全切除钛网植骨早期塌陷的探讨[J].中国矫形外科杂志,2002,10(z1):1267-1269.)。

3D打印技术是一种以数字模型为基础，运用粉末状金属或塑料等粘合材料通过逐层打印的方式来构造物体的技术。与传统的制造技术相比，3D打印技术具有以下优点：(1)节约材料和制造成本。(2)无需大型锻压设备和制作专门模具，节省制造时间，提高制作效率。(3)可制作结构复杂、难加工的产品。(4)可用于个性化的定制。凭借以上优点，3D打印技术在人体植入物的制造中有巨大的应用价值。

实用新型内容

本实用新型解决的问题在于提供一种基于3D打印的脊柱假体，依据3D打印技术提出更加符合椎体表面解剖及人体力学的脊柱假体，使得植入假体能够更好的匹配于患者受用部位，而且可以考虑个性化的设计和修正。

本实用新型是通过以下技术方案来实现：

一种基于3D打印的脊柱假体，包括支撑框体、镂空结构和固定位；

所述支撑框体是由横梁和纵梁组成的空腔型的主体受力结构，所述的横梁包括上承梁、下承梁和中间横梁，上承梁、下承梁分别与相接触的椎体表面解剖形状相匹配，上承梁、下承梁之间分布有若干纵梁，中间横梁连接在纵梁之间；

所述镂空结构是分布在支撑框体之间的非主受力部位，用于诱导骨组织的渗透于生长；

所述的固定位包括上固定位和下固定位，上固定位是与上承梁相连接的具有突出弯曲接触面的固定座，其上开设有倾斜向上的螺钉固定孔；下固定位是与下承梁相连接的具有内凹孔洞的固定座，其上开设有倾斜向下的螺钉固定孔。

所述的上承梁、下承梁能够与所接触的椎体表面相贴附，其上分别布设有锥形固定刺。

所述的支撑框体为收腰结构，中间横梁水平向最长间距为上承梁水平向最长间距的0.8～0.9倍，为下承梁水平向最长间距的0.75～0.9倍；纵梁分别是上承梁、中间横梁、下承梁在不同节点垂直方向的平滑连接，具有一定的曲度。

所述的上承梁、下承梁依据所接触的椎体个性化设计，所述的中间横梁的截面结构为近圆形或椭圆形；

上承梁、中间横梁、下承梁与纵梁相交处圆弧过渡连接。

位于两侧的纵梁呈双曲线结构，其曲度取决于上、中下横梁围成椭圆的长轴、短轴的大小。

所述的镂空结构是各支撑节点以十二面体或金刚石结构单元形成的网状结构，网状结构中各网格单元孔径为0.3～0.6mm，丝径为0.2～0.4mm。

所述的上固定位内侧面还布设有镂空接触面；

上固定位螺钉固定孔的开设方向为倾斜向上，下固定位螺钉固定孔的开设方向为倾斜向下。

若上固定位螺钉固定孔、下固定位螺钉固定孔各开设一个，则两者呈八字形排布；

若上固定位螺钉固定孔开设两个、下固定位螺钉固定孔开设一个，则两个上固定位螺钉固定孔分别向两个方向倾斜，两者呈八字形排布；下固定位螺钉固定孔与上固定位螺钉固定孔之一呈八字形排布；

若上固定位螺钉固定孔、下固定位螺钉固定孔各开设两个，则上固定位螺钉固定孔、下固定位螺钉固定孔各自呈八字形排布。

所述的上承梁之间设有由镂空结构形成的上椎体接触面，上椎体接触面中间开设有孔径为8～10mm的植骨孔。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益的技术效果：

本实用新型提供的基于3D打印的脊柱假体，充分的考虑了脊柱假体的受力情况进行对假体的受力情况进行了充分的考虑：其中支撑框体由若干横梁和纵梁组成，承担主体受力作用；镂空结构设计在非主要受力部位，诱导骨组织的渗透于生长；上承梁与下承梁要求参照紧邻的上下椎体表面解剖形状设计，安装时完全贴附，且在产品的上下横梁出均匀排布锥形固定刺结构，加强了把持力，使固定更加稳固；而且进一步的主体结构为收腰结构，利于载荷的有效传导与应力的扩散，本实用新型使用于脊柱的各个阶段。

本实用新型提供的基于3D打印的脊柱假体，充分的考虑了脊柱假体植入后的骨愈合情况：支撑框体内部为空腔设计，上椎体接触面有开孔设计，用于填充骨组织，促进上下椎体达到骨性融合的目的；尤其是镂空结构诱导骨组织的渗透于生长。

本实用新型提供的基于3D打印的脊柱假体，充分的考虑了脊柱假体的固定情况：上承梁与下承梁表棉设有螺钉固定沿，固定沿表面设计螺钉固定孔，用于固定上节椎体；而且在固定位沿内表面与椎体接触部位设计镂空结构，促进固定的稳定性与骨性融合；下段设计螺钉固定孔，用于固定下节椎体，确保假体植入的长期稳定。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型的俯视结构示意图；

图3为本实用新型的后视结构示意图；

图4为本实用新型的仰视结构示意图；

图5为本实用新型的左右结构示意图；

图6为本实用新型的纵向剖切示意图；

图7为基于外框轮廓线进行封装形成椎体的实体外形的示意图；

图8为基于镂空体做副本确定纵梁的位置及数量，设计椎体假体的支撑框架的示意图；

图9为在上承梁上设计上椎体固定座的示意图；

图10为螺钉孔设计示意图；

图11为本实用新型的植入效果示意图。

图中，1为上承梁，2为中间横梁，3为下承梁，4为纵梁，5为下固定位，6为螺钉固定孔，7为固定座，8为镂空结构，9为锥形固定刺，10为植骨孔，11为上椎体接触面，12为下椎体接触面，13为镂空接触面。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本实用新型做进一步的详细说明，所述是对本实用新型的解释而不是限定。

参照图1-图6，一种基于3D打印的脊柱假体，包括支撑框体、镂空结构和固定位；

所述支撑框体是由横梁和纵梁组成的空腔型的主体受力结构，所述的横梁包括上承梁、下承梁和中间横梁，上承梁、下承梁分别与相接触的椎体表面解剖形状相匹配，上承梁、下承梁之间分布有若干纵梁，中间横梁连接在纵梁之间；

所述镂空结构是分布在支撑框体之间的非主受力部位，用于诱导骨组织的渗透于生长；

所述的固定位包括上固定位和下固定位，上固定位是与上承梁相连接的具有突出弯曲接触面的固定座，其上开设有倾斜向上的螺钉固定孔；下固定位是与下承梁相连接的具有内凹孔洞的固定座，其上开设有倾斜向下的螺钉固定孔。

进一步的，所述的上承梁、下承梁能够与所接触的椎体表面相贴附，其上分别布设有锥形固定刺。

所述的支撑框体为收腰结构，中间横梁的最大径长小于上承梁、下承梁的最小径长，位于侧边的纵梁具有一定的曲度。其中，中间横梁水平向最长间距为上承梁水平向最长间距的0.8～0.9倍，为下承梁水平向最长间距的0.75～0.9倍；纵梁分别是上承梁、中间横梁、下承梁在不同节点垂直方向的平滑连接。

所述的上承梁、下承梁依据所接触的椎体个性化设计，所述的中间横梁的截面结构为近圆形或椭圆形；

上承梁、中间横梁、下承梁与纵梁相交处圆弧过渡连接。

位于两侧的纵梁呈双曲线结构，其曲度取决于上、中下横梁围成椭圆的长轴、短轴的大小。

所述的镂空结构是各支撑节点以十二面体或金刚石结构单元形成的网状结构，网状结构中各网格单元孔径为0.3～0.6mm，丝径为0.2～0.4mm。

所述的上固定位内侧面还布设有镂空接触面；

上固定位螺钉固定孔的开设方向为倾斜向上，下固定位螺钉固定孔的开设方向为倾斜向下。

具体的，若上固定位螺钉固定孔、下固定位螺钉固定孔各开设一个，则两者呈八字形排布；

若上固定位螺钉固定孔开设两个、下固定位螺钉固定孔开设一个，则两个上固定位螺钉固定孔分别向两个方向倾斜，两者呈八字形排布；下固定位螺钉固定孔与上固定位螺钉固定孔之一呈八字形排布；

若上固定位螺钉固定孔、下固定位螺钉固定孔各开设两个，则上固定位螺钉固定孔、下固定位螺钉固定孔各自呈八字形排布。

所述的上承梁之间设有由镂空结构形成的上椎体接触面，上椎体接触面中间开设有孔径为8～10mm的植骨孔。

下面给出具体的实施例。

本实用新型给出的基于3D打印的脊柱假体，由实体框架结构与镂空结构组成，框架结构由若干横梁和若干纵梁组成，承担主体受力作用；镂空结构设计在非主要受力部位，诱导骨组织的渗透于生长；上承梁、下承梁表面参照紧邻的上下椎体表面解剖形状设计，安装时完全贴附，且在上承梁、下承梁设有均匀排布锥形固定刺结构，加强了把持力，使固定更加稳固；

此产品主体结构为收腰结构，利于载荷的有效传导与应力的扩散；

此产品内部为空腔设计，上椎体接触面有开孔设计，用于填充骨组织，促进上下椎体达到骨性融合的目的；

上端设计有螺钉固定座，上承梁表面设计螺钉固定孔，用于固定上节椎体；固定座内表面与椎体接触部位设计镂空结构，促进固定的稳定性与骨性融合；此产品下段设计下固定位，开设螺钉固定孔用于固定下节椎体，确保假体植入的长期稳定。

参见图7-图10，基于3D打印的脊柱假体的制备方法，是根据脊柱假体的个性化要求确定脊柱假体形状，形成导入3D打印的设计文件，然后通过3D打印完成脊柱假体的制备，所述的脊柱假体形状的设计为：

1)根据脊柱假体与上下椎体接触面的范围，确定假体上承梁和下承梁的大小，上承梁和下承梁的边界距离上下椎体外缘3～5mm(距离外缘太近易滑脱，容易碰及周围组织)；

2)在上承梁和下承梁的上下边界中间位置确定中间横梁的大小，中间横梁水平向最长间距为上承梁水平向最长间距的0.8～0.9倍，为下承梁水平向最长间距的0.75～0.9倍(中间横梁直径不易过小，以免造成椎体稳定性差)；

3)连接上、中、下承梁边界的四个象限点，形成椎体假体的外框轮廓线；

4)基于外框轮廓线进行封装，形成椎体的实体外形(如图7所示)；

5)对椎体实体外形进行抽壳，形成空腔体，此空腔作为椎体的植骨腔，并多孔设计，作为有壁厚的镂空体，壁厚为2～2.5mm；利于骨组织长入；

6)基于此镂空体做副本，确定纵梁的位置及数量，设计椎体假体的支撑框架，纵梁的宽度设计2.5～3mm，纵梁厚度设计2～2.5mm；(如图8所示，此参数经多次设计总结，设计过大会增加假体主体的重量，设计过小不利于承重)

7)在上承梁上设计上椎体固定座，此固定座贴附于上椎体表面(如图9所示)；

8)在固定座内部设计镂空接触面，与对应椎体表面接触；

9)在上椎体固定座机椎体下端设计螺钉孔，使用螺钉将椎体假体与上下各椎体进行物理固定，椎体上端螺钉斜向上固定，椎体下端螺钉斜向下固定；以确保固定的稳定性(如图10所示)；

10)在上下承梁上设计若干椎形固定刺，增加固定把持力以及稳定性；

11)在上椎体接触面设计植骨孔(此开孔用于假体内植骨，不宜过大，以免减少镂空网格与上椎体的接触面积，不利益骨长入)；

12)对镂空体进行网格设计，并与支撑框架合并，形成最终的椎体假体，完成整体设计。

所述的横梁及纵梁的截面结构为矩形或圆形，横梁和纵梁相交位置设计圆弧过渡，位于两侧的纵梁呈双曲线结构，其曲度取决于上、中下横梁围成椭圆的直径。

具体的，所述的镂空设计为菱形十二面体或金刚石结构，所形成的网格单元孔径为0.3-0.6mm，丝径为0.2-0.4mm。此参数经多次设计并骨长入实验总结，最利于骨组织长入。

所述植骨孔孔径为8-12mm，以10mm为宜。

参见图11所示的3D打印的脊柱假体的植入效果示意图，本实用新型上承梁与下承梁要求参照紧邻的上下椎体表面解剖形状设计，安装时完全贴附；主体结构为收腰结构，利于载荷的有效传导与应力的扩散；支撑框体内部为空腔设计，上椎体接触面有开孔设计，用于填充骨组织，促进上下椎体达到骨性融合的目的；尤其是镂空结构诱导骨组织的渗透于生长；固定位沿内表面与椎体接触部位设计镂空结构，促进固定的稳定性与骨性融合；下段设计螺钉固定孔，用于固定下节椎体，确保假体植入的长期稳定。

以上给出的实施例是实现本实用新型较优的例子，本实用新型不限于上述实施例。本领域的技术人员根据本实用新型技术方案的技术特征所做出的任何非本质的添加、替换，均属于本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于3D打印的脊柱假体，其特征在于，包括支撑框体、镂空结构和固定位；

所述支撑框体是由横梁和纵梁组成的空腔型的主体受力结构，所述的横梁包括上承梁、下承梁和中间横梁，上承梁、下承梁分别与相接触的椎体表面解剖形状相匹配，上承梁、下承梁之间分布有若干纵梁，中间横梁连接在纵梁之间；

所述镂空结构是分布在支撑框体之间的非主受力部位，用于诱导骨组织的渗透于生长；

所述的固定位包括上固定位和下固定位，上固定位是与上承梁相连接的具有突出弯曲接触面的固定座，其上开设有倾斜向上的螺钉固定孔；下固定位是与下承梁相连接的具有内凹孔洞的固定座，其上开设有倾斜向下的螺钉固定孔。

2.如权利要求1所述的基于3D打印的脊柱假体，其特征在于，所述的上承梁、下承梁能够与所接触的椎体表面相贴附，其上分别布设有锥形固定刺。

3.如权利要求1所述的基于3D打印的脊柱假体，其特征在于，所述的支撑框体为收腰结构，中间横梁水平向最长间距为上承梁水平向最长间距的0.8～0.9倍，为下承梁水平向最长间距的0.75～0.9倍；纵梁分别是上承梁、中间横梁、下承梁在不同节点垂直方向的平滑连接，具有一定的曲度。

4.如权利要求1或3所述的基于3D打印的脊柱假体，其特征在于，所述的上承梁、下承梁依据所接触的椎体个性化设计，所述的中间横梁的截面结构为近圆形或椭圆形；

上承梁、中间横梁、下承梁与纵梁相交处圆弧过渡连接。

5.如权利要求4所述的基于3D打印的脊柱假体，其特征在于，位于两侧的纵梁呈双曲线结构，其曲度取决于上、中下横梁围成椭圆的长轴、短轴的大小。

6.如权利要求1所述的基于3D打印的脊柱假体，其特征在于，所述的镂空结构是各支撑节点以十二面体或金刚石结构单元形成的网状结构，网状结构中各网格单元孔径为0.3～0.6mm，丝径为0.2～0.4mm。

7.如权利要求1所述的基于3D打印的脊柱假体，其特征在于，所述的上固定位内侧面还布设有镂空接触面；

上固定位螺钉固定孔的开设方向为倾斜向上，下固定位螺钉固定孔的开设方向为倾斜向下。

8.如权利要求7所述的基于3D打印的脊柱假体，其特征在于，若上固定位螺钉固定孔、下固定位螺钉固定孔各开设一个，则两者呈八字形排布；

若上固定位螺钉固定孔开设两个、下固定位螺钉固定孔开设一个，则两个上固定位螺钉固定孔分别向两个方向倾斜，两者呈八字形排布；下固定位螺钉固定孔与上固定位螺钉固定孔之一呈八字形排布；

若上固定位螺钉固定孔、下固定位螺钉固定孔各开设两个，则上固定位螺钉固定孔、下固定位螺钉固定孔各自呈八字形排布。

9.如权利要求1所述的基于3D打印的脊柱假体，其特征在于，所述的上承梁之间设有由镂空结构形成的上椎体接触面，上椎体接触面中间开设有孔径为8～10mm的植骨孔。