CN211381990U - 一种内置骨小梁 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种内置骨小梁，包括至少两根起链接作用的横梁，至少两根起支撑作用的纵梁，所述纵梁和横梁交叉连接，所述横梁的厚度由骨界面部向外按层或按组梯度变小，所述两横梁的间距由骨界面部向外按层或按组梯度变大。本实用新型更加符合临床应用中的力学要求，能有效解决近骨界面部位的骨小梁容易出现失效、损坏问题。同时，骨小梁横梁厚度、梁体交叉部加强程度的转变是梯度渐变的，能有利的避免局部的应力集中，提高力学强度。通过骨小梁的横梁厚度、梁体交叉部加强程度的逐渐变化，来达到骨小梁的孔隙率、孔径的逐渐变化，进而利于血液营养物质从小的孔隙率和孔径的骨小梁单元向大的孔隙率和孔径的骨小梁单元弥散，并促进骨的长入。

Description

一种内置骨小梁

技术领域

本实用新型涉及医疗器械领域，特别是一种内置骨小梁。

背景技术

在外科医疗手术中，肢体骨发生肿瘤、骨折后骨不连或其他病变,需要手术完成骨骼重建，骨缺损部位需要填充物填充，而重建的内置物需要与骨骼实现骨骼长入融合，实现长期稳定。为了提高假体植入后的骨长入效果，本领域中逐渐将骨小梁结构应用在人工假体中。

目前的内置骨小梁应用已较广泛，但缺乏生物学和力学性能优化设计，存在较大的远期松动风险，从而导致手术失败。具体分析，具有以下不足：1、形状简单单一，多为简单对称结构，简单的结构无法支撑起强大的生物学和力学性能；2、不符合力学应力规律，力学强度低，分布不合理，应力部位缺乏加强，弹性模量与人体骨组织相差甚大，易产生应力遮挡；3、不能为骨生长创造良好的生物学环境，不利于骨的长入。

针对现有技术的不足之处，目前迫切希望寻求一种具有良好的组织相容性，具备良好生物学和力学性能，能够更利于骨长入以提高术后恢复效果，同时力学强度大大加强，假体失效率低的骨小梁结构，以弥补现有技术的不足之处。

实用新型内容

本实用新型为了满足患者治疗和手术的使用要求，研制出新型内置骨小梁，既能保持较高力学强度，又能利于人体骨组织的长入，力学和生物学性能优异。

实现上述目的本实用新型的技术方案为：一种内置骨小梁，包括梁体，所述梁体包括：

至少两根起链接作用的横梁，至少两根起支撑作用的纵梁，所述纵梁和横梁交叉连接。

所述横梁的厚度由骨界面部向外按层或按组梯度变小，所述两横梁的间距由骨界面部向外按层或按组梯度变大。

进一步地，所述横梁和纵梁的连接处包覆加强筋。

进一步地，所述纵横与横梁之间增加有链接边。

进一步地，所述每层或每组横梁的厚度在其上层横梁基础上减小10％至50％。

进一步地，所述每层间距在其上层横梁间距基础上增加5％至20％。

进一步地，所述加强筋呈棱台状，棱台的底面坐落于纵梁并融合，棱台的顶面与横梁融合，棱台的棱数与横梁的棱数相对应，棱台的底面外切圆的直径在其上层棱台底面外切圆的直径基础上减小10％至50％；棱台的高维持不变，为两纵梁间距的1/4～1/3。

进一步地，链接边的数目由骨界面部向外按层或按组梯度变小。

本实用新型的有益效果是：

1、骨小梁的横梁厚度、梁体交叉部加强程度的逐渐变化，尤其是在靠近骨界面部位的加强，更加符合临床应用中的力学要求，能有效解决近骨界面部位的骨小梁容易出现失效、损坏问题。同时，骨小梁横梁厚度、梁体交叉部加强程度的转变是逐渐的，能有利的避免局部的应力集中，提高力学强度。

2、通过骨小梁的横梁厚度、梁体交叉部加强程度的逐渐变化，来达到骨小梁的孔隙率、孔径的逐渐变化，不仅提高了骨小梁的力学稳定性，而且使骨小梁的孔隙率、孔径的逐渐变化更加高效和可控。骨小梁的孔隙率、孔径的逐渐变化利于骨的长入，因靠近骨界面部位孔隙率相对小、孔径相对小，远离骨界面部孔隙率相对大、孔径相对大，远近骨小梁间形成流体流动压力差，利于血液营养物质从小的孔隙率和孔径的骨小梁单元向大的孔隙率和孔径的骨小梁单元弥散，并促进骨的长入；骨小梁的孔隙率、孔径的逐渐变化提高了骨的长入后的力学强度，因靠近骨界面部位孔隙率相对小、孔径相对小，远离骨界面部孔隙率相对大、孔径相对大，一旦骨长入后，长入的骨组织若要松动脱出，需要从孔隙率相对大、孔径相对大的骨小梁向孔隙率相对小、孔径相对小的骨小梁方向脱出，较小的出口限制了骨的脱出，因此能提高了骨的长入后的力学强度，减少内植物的松动脱位。

3、本实用新型骨小梁可在骨缺损部位单独使用，也可应用于骨科内植物上，主要在与正常骨骼接触的部位。

附图说明

图1是本申请实施例1、2、3中骨小梁的结构侧视图；

图2是图1中A-A处的刨面图/横断面图；

图3是图1的立体图；

图4是本申请实施例4中骨小梁的结构侧视图；

图5是本申请实施例5中骨小梁的结构侧视图；

图6是本申请实施例6中骨小梁的结构侧视图；

图7是本申请实施例7中骨小梁的结构侧视图；

图8是本申请实施例8中骨小梁的结构侧视图；

图9是本申请实施例9中骨小梁的立体图及局部放大图；

图10是本申请实施例11中骨小梁的立体图及局部放大图；

图11是本申请实施例12中骨小梁的立体图及局部放大图；

图12为传统骨小梁有限元力学分析；

图13为近骨界面部；

图14为远骨界面部；

图15为本实用新型骨小梁示意图；

图16为本实用新型骨小梁有限元力学分析。

以上各图中，1、横梁；2、纵梁；3、加强筋；4、组。

具体实施方式

为更进一步阐述本实用新型为达成预定实用新型目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本实用新型的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下：

实施例1

一种内置骨小梁，如图1至图3所示，包括梁体，所述梁体包括多根起链接作用的横梁，多根起支撑作用的纵梁，纵梁和横梁交叉连接，横梁的厚度由骨界面部向外按层或按组梯度变小，每层或每组横梁的厚度在其上层横梁基础上减小10％至50％；两横梁的间距由骨界面部向外按层或按组梯度变大，每层间距在其上层横梁间距基础上增加5％至20％。

本实施例骨小梁的梁体的厚度为200-1200微米，根据不同部位力学需要选择。纵梁2的两端连接骨骼，起到保持和稳定两骨骼之间距离的作用,也可一端连接断裂的骨骼，另一端连接内植物，利于骨骼和内植物的融合稳定。横梁1设置在两相邻纵梁2之间，故纵梁2的数量至少是两根以上。横梁1和纵梁1交叉连接，形成多孔结构，以便于骨头长到多孔结构内。骨界面是指骨小梁与骨接触的界面，这里，横梁1的厚度由骨界面部向外逐渐变小，或者两相邻横梁1的间距由骨界面部向外逐渐变大，亦或者两者的组合，即骨小梁的横梁结构靠近骨界面部较厚，远离骨界面部较薄，且这种转变是逐渐的。

本实用新型骨小梁可在骨缺损部位单独使用，也可应用于骨科内植物上，主要在与正常骨骼接触的部位。通过该设置，骨小梁的孔隙率、孔径的逐渐变化提高了骨的长入后的力学强度，因靠近骨界面部位的孔隙率相对小、孔径相对小，远离骨界面部孔隙率相对大、孔径相对大，远近骨小梁间形成流体流动压力差，利于血液营养物质从小的孔隙率和孔径的骨小梁单元向大的孔隙率和孔径的骨小梁单元弥散，并促进骨的长入。一旦骨长入后，长入的骨组织若要松动脱出，需要从孔隙率相对大、孔径相对大的骨小梁向孔隙率相对小、孔径相对小的骨小梁方向脱出，较小的出口限制了骨的脱出，因此能提高了骨的长入后的力学强度，减少内植物的松动脱位。孔隙率的变化范围为：50-95％，骨界面部位局部孔隙率不少于50％，孔径的变化范围为：50-1000微米。

上述横梁1的厚度和/或两相邻横梁1的间距变化可采用梯度变化的方法，亦或是采用功能梯度变化的方法。通过该方法，能够便于在实际的设计过程中，提高设计的效率，设计出多样化的梁体。

本实施中，两相邻纵梁2之间至少连接两根横梁1，再加上纵梁2成数行数列设置，故本申请骨小梁的梁体可以制作成立方体、柱状和骨骼状等多种形状，当然，还可以设计其他的形状的骨小梁。此外，横梁1和纵梁2也可以根据实际需要的部位进行相应的调整，无须满足横平竖直式的设计，本案中，横和纵的定义只是根据实际使用情况进行的定义。

实施例2

与实施例1不同的是，本实施例中，纵梁2的厚度相等，或者两相邻纵梁2的间距相等，亦或是两者的组合，纵梁2的作用是起支撑骨骼的作用，该设计能够保持骨小梁支撑的稳定性。根据受力情况，纵梁2的受到的压力大于横梁1的压力，故在此基础上，纵梁2厚度最好大于或等于横梁1的最大厚度。

实施例3

与实施例1和实施例2不同的是，本实施例中，横梁1和纵梁2的连接处包覆加强筋3，加强筋3的大小与其所在的横梁1厚度相对应，由骨界面部向外按层梯度变小，该加强筋3呈四棱椎体形状包裹于横梁1纵梁2的结合部位，呈四棱椎体的底面朝向纵梁2，也就是越靠近纵梁2越得以加强，本实施例加强筋呈棱台状，棱台的底面坐落于纵梁并融合，棱台的顶面与横梁融合，棱台的棱数与横梁的棱数相对应，棱台的底面外切圆的直径在其上层棱台底面外切圆的直径基础上减小10％至50％；棱台的高维持不变，为两纵梁间距的1/4～1/3。当横梁1的厚度为渐变的时候，则加强筋3的大小也会随之变化，即梁体交叉部加强程度的逐渐变化，来达到骨小梁的孔隙率、孔径的逐渐变化，不仅提高了骨小梁的力学稳定性，而且使骨小梁的孔隙率、孔径的逐渐变化更加高效和可控。同时，骨小梁横梁厚度、梁体交叉部加强程度的转变是逐渐的，能有利的避免局部的应力集中，提高力学强度。尤其是在靠近骨界面部位的加强，更加符合临床应用中的力学要求，能有效解决近骨界面部位的骨小梁容易出现失效、损坏问题。

实施例4

参考图4，与实施例1、2、3不同的是，本实施例中，所述横梁1和加强筋3，由骨界面部向外梯度变小非按每一骨小梁单元为为单位逐渐变化，而呈区域性逐渐变化，即每连续多个骨小梁为一组4，不同组间逐渐按照由骨界面部由近至远而产生横梁1和加强筋3梯度变小，而组4间骨小梁不变。

实施例5

参考图5，与实施例1、2、3、4不同的是，本实施例中，纵横梁与骨界面均呈45度夹角，将纵横均按照横梁处理，逐级梯度变化，纵横梁交叉部亦随之梯度变化。

实施例6

参考图6，与实施例1、2、3、4、5不同的是，本实施例中，同区域或组4的横梁程度增强可根据使用部位的力学及解剖学要求有所差别，非如以上实施例同组或统一水平内骨小梁增强程度相同，以更加符合人体力学要求及骨长入要求。

实施例7

参考图7，与实施例1、2、3、4、5、6不同的是，本实施例中，孔隙率的变化还通过在骨小梁单元中，在纵横梁间增加链接边，越靠近骨界面链接边增加的越多，即链接边的数目亦呈梯度性的，以实现力学增强，并形成孔隙率和孔径的梯度改变。

实施例8

参考图8，与实施例1、2、3、4、5、6、7不同的是，本实施例中，孔隙率的变化还通过在骨小梁单元中，梯度性的减少链接边来实现，越远离骨界面链接边减少的越多，以实现力学减低，并形成孔隙率和孔径的梯度改变。

实施例9

参考图9，与实施例1、2、3、4、5、6、7、8不同的是，本实施例中，纵横梁非完全垂直，而是呈弯曲，弯曲既可呈随机性弯曲，亦可根据骨骼的应力方向发生弯曲。

实施例10

与实施例1、2、3、4、5、6、7、8、9不同的是，本实施例中，在纵横梁梁体中扣除部分材质，越远离骨界面，扣除的材质越多，以此来实现孔隙率自近骨界面向远骨界面的增加。

实施例11

参考图10，与实施例1、2、3、4、5、6、7、8、9、10不同的是，本实施例中，骨小梁单元非规则的长方体结构，可位多边立体结构，横梁和纵梁之间夹角可变化，同时横梁和纵梁可呈不规则曲线。

实施例12

参考图11，与实施例1、2、3、4、5、6、7、8、9、11不同的是，在上述所有实施例的基础上，在纵横梁间设有放入同种异体骨或自体骨大间距，利于骨长入。该大间距可以是，加工处理相邻的横梁1和相邻的纵梁2，使其加工成较大的孔，可根据需要决定是一个或多个。

本实用新型的梁体可以采用钛合金、不锈钢、镍、钴合金、陶瓷、聚合材料、钽(Ta)、锆(Zr)、铌(Nb)、高分子材料、或以上材料混合3D打印而成，可在支架内携阴离子、羟基磷灰石、抗菌药物、抗肿瘤药物、促骨生成等药物进行局部骨组织靶向治疗。采用3D打印完成，打印方法不限于选择性激光烧结、选择性激光熔融、电子束熔融技术，可随3D打印技术的发展而不断完善。为方便制造及应力分散，骨小梁的纵梁、横梁、梁体交叉部加强部位可平滑性处理。本实用新型的梁体可单独使用，或附着在传统骨科内植物、假体表面相互配套使用。

设计模拟实验举例

本内置骨小梁的设计及模拟可采用传统CAD三维软件设计，根据我实施方案进行正向设计，设计完成后采用力学验证，筛选合适的产品使用。

本内置骨小梁还可以是采用最新的计算机衍生设计方案，根据应力要求，设置力学及形态学参数，由计算机衍生设计。以近似立方体骨小梁应用Autodesk whin软件的方案如下：

1、运用常规三维建模软件，建造预骨小梁化的部件的三维数字模型；

2、将数字模型导入Autodesk whin软件(或Autodesk netfabb ultimate2018软件的 optimization模块)；

3、在Autodesk whin软件(或Autodesk netfabb ultimate2018软件的optimization 模块)中，根据解剖部位需求设置Lattice形态学参数范围，设置需要保留的面(或加强筋) 及Smooth处理，生成骨小梁；

4、生成骨小梁后，进行Simulation仿真，设置约束面/点，设置压力(50-200Mpa)，材料属性(一般为Ti6Al4V，如果选择其他材料,则需设置自定义材料属性:Young'sModulus(MPa)、Poisson Ratio)，根据所具有的3D打印设备选择打印机及打印方式，有限元模块选择

Nastran，进行有限元分析；

5、根据固定部位的不同，设置压力、安全系数、体积轻量化，以及力学和形态学权重，进行骨小梁优化。

6、优化完毕后，计算机可自动根据本专利要求参数衍生设计骨小梁，设计完毕后，可进一部校验孔隙率、孔径、骨小梁厚度、应力及弹性模量情况。

参考图12为骨小梁有限元力学分析，显示传统立方体骨小梁纵梁为承受纵向应力的主体，应力相对均匀，因此本实用新型方案中骨小梁纵梁未进行梯度改变。而分析显示骨小梁横梁应力相对纵梁少，且应力不均匀，自上而下越远离骨界面(应力加载部位)应力越小。

图13及图14显示针对图12所揭示的应力分布特点，本实用新型方案对骨小梁横梁根据应力分布进行梯度改变，远骨界面部骨小梁横梁较近骨界面部骨小梁横呈梯度变小，并相应改变纵横梁链接部。

图15、16根据图13及图14的设计变化，本实用新型的骨小梁不仅使应力分布更加合理，更带来孔径、孔隙率的合理化，孔隙率平均在68％，骨界面部孔隙率大于50％，近施力部位孔隙率大于远施力部位,利于骨融合长入，具有更加有利的生物学效用改进。

以上参考了优选实施例对本实用新型进行了描述，但本实用新型的保护范围并不限制于此，在不脱离本实用新型的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来，且不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的。因此，任何落入权利要求的范围内的所有技术方案均在本实用新型的保护范围内。

Claims (7)

1.一种内置骨小梁，包括梁体，其特征在于，所述梁体包括：

至少两根起链接作用的横梁，至少两根起支撑作用的纵梁，所述纵梁和横梁交叉连接；

所述横梁的厚度由骨界面部向外按层或按组梯度变小，所述两横梁的间距由骨界面部向外按层或按组梯度变大。

2.根据权利要求1所述的一种内置骨小梁，其特征在于，所述横梁和纵梁的连接处包覆加强筋。

3.根据权利要求1或2所述的一种内置骨小梁，其特征在于，所述纵梁与横梁之间增加有链接边。

4.根据权利要求1所述的一种内置骨小梁，其特征在于，所述每层或每组横梁的厚度在其上层横梁基础上减小10％至50％。

5.根据权利要求1所述的一种内置骨小梁，其特征在于，所述每层间距在其上层横梁间距基础上增加5％至20％。

6.根据权利要求2所述的一种内置骨小梁，其特征在于，所述加强筋呈棱台状，棱台的底面坐落于纵梁并融合，棱台的顶面与横梁融合，棱台的棱数与横梁的棱数相对应，棱台的底面外切圆的直径在其上层棱台底面外切圆的直径基础上减小10％至50％；棱台的高维持不变，为两纵梁间距的1/4～1/3。

7.根据权利要求3所述的一种内置骨小梁，其特征在于，链接边的数目由骨界面部向外按层或按组梯度变小。

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