CN211750283U - 生物学仿生多孔假体 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种生物学仿生多孔假体。生物学仿生多孔假体一种生物学仿生多孔假体，用于填充在患骨缺损处，包括对应皮质骨的第一填充块及对应松质骨的第二填充块，所述第一填充块和第二填充块一体成型且均呈三维立体网状结构，所述第一填充块和第二填充块均包括由若干晶体单元阵列排布构成的孔隙结构，所述第一填充块和第二填充块的晶体单元结构不同，且第一填充块的孔隙结构的孔隙率小于第二填充块的孔隙结构的孔隙率。如此设置，可实现在不同修复部位保持不同材质密度和疏松度的目的，达到与天然骨组织相匹配的力学性能，从而既保证了强度，又利于表面骨长入，还利于形成有效的生物固定。

Description

生物学仿生多孔假体

技术领域

本实用新型涉及生物医疗领域，尤其涉及一种生物学仿生多孔假体。

背景技术

人体由骨架支撑，骨架包括若干骨骼。而骨骼的骨头并不是全部都是实心结构，外部骨头即皮质骨基本上是实心结构，仅存在少数哈弗氏管，而自皮质骨向内部的是可称为松质骨的海绵状骨头。松质骨由小梁骨的蜂窝状网络结构组成，该网络结构界定出许多充斥有流动骨髓、干细胞和一些脂肪细胞的空间或空穴。在这些骨髓空穴中存在帮助降解现有骨头的各种高度特化细胞(即破骨细胞)以及相应产生新骨的细胞(即成骨细胞)，以更换被降解的细胞或者可能另外因如损伤或疾病等因素而失去的细胞。

骨缺损是一种临床常见病症，感染，肿瘤，创伤，骨髓炎后的手术清创等各种先天性疾病是导致骨缺损的主要原因。根据骨缺损的范围大小，骨骼的稳定性会受到不同程度的影响，失去了稳定性的骨骼对外来冲击的耐受性明显较差，因而在轻微外力的作用下极有可能发生二次骨折。另外，由于失去部分骨质，病患的骨折愈合，卧床休息和固定的时间也会显著延长，从而带来一系列的并发症。为了修复骨骼的稳定性和避免出现二次骨折，需要及时对骨缺损进行修复。

目前临床上用于骨缺损修复的人工骨代替物主要存在较多问题。内植物与骨骼弹性模量不匹配，植入后容易产生应力遮挡现象，加速骨量丢失的同时二次骨折的风险增加。内植物不具备促进骨折愈合的生物学功能，仅提供骨折愈合所需的稳定环境。由于传统加工工艺的限制导致填充物的形态与缺损不匹配，会造成磨损并有可能再次造成骨折。目前传统工艺加工的多孔材料孔隙率以及孔隙形状不规则影响骨整合效果。人体的骨组织形态复杂，极具个性尺寸特征，同时具有独特的力学特征，在设计制作假体时，精确仿生重构病制备与天然人体骨组织相匹配是关键点，也是难点。

因此，确有必要提供一种生物学仿生多孔假体，以克服现有技术中存在的缺陷。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种生物学性能良好的生物学仿生多孔假体。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种生物学仿生多孔假体，用于填充在患骨缺损处，包括对应皮质骨的第一填充块及对应松质骨的第二填充块，所述第一填充块和第二填充块一体成型且均呈三维立体网状结构，所述第一填充块和第二填充块均包括由若干晶体单元阵列排布构成的孔隙结构，所述第一填充块和第二填充块的晶体单元结构不同，且第一填充块的孔隙结构的孔隙率小于第二填充块的孔隙结构的孔隙率。

进一步地，所述晶体单元包括若干基点及由基点延伸出以形成空间形状的若干侧棱，自位于第一填充块和第二填充块交界处的若干基点分别向第一填充块和第二填充块延伸的侧棱各自形成不同的晶体单元结构。

进一步地，所述第一填充块的晶体单元为钻石晶体，所述第二填充块的晶体单元为蜂巢晶体。

进一步地，所述第一填充块的钻石晶体之间的孔隙率范围是60%-70%，所述第二填充块的蜂巢晶体之间的孔隙率范围是70%-80%。

进一步地，所述第一填充块和第二填充块的孔径范围是300-1000μm。

进一步地，所述第一填充块的晶体单元的尺寸小于第二填充块的晶体单元的尺寸，所述第一填充块的晶体单元的密度大于第二填充块的晶体单元的密度。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种生物学仿生多孔假体的制作方法，包括以下步骤：获取患者病骨的计算机断层扫描数据，利用工业软件进行医学图像处理和三维模型重建；根据图像的灰度值与骨密度之间的关系函数以及皮质骨和松质骨的力学性能与孔隙率的差异，得出患者病骨的松质骨和皮质骨的范围及其孔隙分布情况；利用工业软件，确定生物学仿生多孔假体外形轮廓，设置生物学仿生多孔假体的外周区域对应患者病骨的皮质骨区域并定义为第一填充块，设置生物学仿生多孔假体的中部区域对应患者病骨的松质骨区域并定义为第二填充块；利用工业软件，将第一填充块和第二填充块设置成三维立体网状结构，并填充不同晶体单元结构阵列排布的孔隙结构，令第一填充块的孔隙结构的孔隙率小于第二填充块的孔隙结构的孔隙率，第一填充块的孔隙结构与皮质骨的天然结构一致，第二填充块的孔隙结构与松质骨的天然结构一致。

进一步地，利用工业软件，将第一填充块的边界内缩而小于患者病骨松质骨区域，第二填充块的边界与患者病骨皮质骨外边缘一致，令生物学仿生多孔假体外形与患者病骨缺损处上下骨接触面轮廓一致。

进一步地，利用工业软件，自位于第一填充块和第二填充块交界处的若干基点分别向第一填充块和第二填充块延伸的侧棱各自形成不同的晶体单元结构。

进一步地，第一填充块采用钻石晶体结构，第二填充块采用蜂巢晶体结构，钻石晶体之间的孔隙率范围是60%-70%，蜂巢晶体之间的孔隙率范围是70%-80%，孔径范围是300-1000μm。

本实用新型的生物学仿生多孔假体通过对应皮质骨和松质骨区域的部分设置成不同的孔隙结构，精确控制多孔金属假体的孔隙率，且能够令不同的孔隙结构完美结合，且可以按照要求调整孔隙的大小和孔隙率，实现在不同修复部位保持不同材质密度和疏松度的目的，达到与天然骨组织相匹配的力学性能，从而既保证了强度，又利于表面骨长入，还利于形成有效的生物固定。植入一段时间后，生物学仿生多孔假体和周围骨组织长合在一起，形成一个整体，从而达到永久融合的目的，为植入部位提供长期的力学支撑，避免固定失稳的情况。

附图说明

图1为本实用新型的生物学仿生多孔假体去除定位杆的立体示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施例作详细的说明。

请结合图1所示，本实用新型的生物学仿生多孔假体100用于填充在患骨缺损处。在本实用新型中，所述生物学仿生多孔假体不仅适用于脊骨髋臼、膝关节、颅骨、颌面部及骨盆缺损的支撑与修复，还适用于人体骨骼系统中的躯干骨、四肢骨的骨缺损修复、骨填充修复，此外，还可与人工关节相结合，制作出适用于针对各种严重畸形的人工关节置换与翻修的假体，以实现骨愈合、加速骨修复等功能。

所述生物学仿生多孔假体100包括对应皮质骨的第一填充块1及对应松质骨的第二填充块2。所述第一填充块1和第二填充块2一体成型且均呈三维立体网状结构。所述第一填充块1和第二填充块2均包括由若干晶体单元阵列排布构成的孔隙结构。所述第一填充块1和第二填充块2的晶体单元结构不同，且第一填充块1的孔隙结构的孔隙率小于第二填充块2的孔隙结构的孔隙率。

在本实用新型中，所述生物学仿生多孔假体100为植入骨间的垫块，且根据患者病骨的缺损呈现厚度不一，截面整体呈不规则圆形结构。

由于天然骨组织具有精细的微孔结构，且骨组织的三维多孔结构会根据负重相应地改变以适应承重需要。因此，本实用新型生物学仿生多孔假体100的孔隙结构的设置可以改善生物学性能。通过对应不同的骨密度部分设置不同的孔隙率，达到与天然骨组织相匹配的力学性能，且该孔隙结构有利于成骨细胞的黏附、分化和生长，促进骨组织长入孔隙，加强植入假体与骨的连接，实现生物固定，该孔隙结构亦有利于体液的传输，促进组织再生与重建，加速痊愈过程。植入一段时间后，生物学仿生多孔假体100和周围骨组织长合在一起，形成一个整体，从而达到永久融合的目的，为植入部位提供长期的力学支撑，避免固定失稳的情况。

在本实用新型中，所述晶体单元包括若干基点及由基点延伸出以形成空间形状的若干侧棱，自位于第一填充块1和第二填充块2交界处的若干基点分别向第一填充块1和第二填充块2延伸的侧棱各自形成不同的晶体单元结构。

即，为了与天然骨组织相匹配，本实用新型的生物学仿生多孔假体100设计了两种结构单元的孔隙结构，以实现假体的内部结构能够匹配皮质骨和松质骨的力学性能与孔隙率的差异。为了实现两种结构的有效结合与匹配，通过设计软件，以边界处的基点为基准，朝向第一填充块1内部延伸的侧棱形成匹配皮质骨结构的晶体单元结构，朝向第二填充块2内部延伸的侧棱形成匹配松质骨结构的晶体单元结构，通过晶体单元结构的不同来实现上述力学性能与孔隙率的差异。

在本实用新型优选的实施方式中，所述第一填充块1和第二填充块2的孔径范围是300-1000μm，处于这一范围的孔隙率最利于骨长入。所述第一填充块1的晶体单元为钻石晶体，所述第二填充块2的晶体单元为蜂巢晶体。所述第一填充块1的钻石晶体之间的孔隙率范围是60%-70%，所述第二填充块2的蜂巢晶体之间的孔隙率范围是70%-80%。从而，所述第一填充块1的晶体单元的尺寸小于第二填充块2的晶体单元的尺寸，所述第一填充块1的晶体单元的密度大于第二填充块2的晶体单元的密度。

钻石晶体结构基于正四面体结构，孔隙单元之间按照钻石晶体结构中碳原子的连接方式相连。假体其界面处骨长入情况主要受其多孔结构的孔径大小、孔隙率即孔形状的影响，钻石晶体结构既能够避免孔隙过大使得新生骨在孔内的充盈度不足，又能够避免孔隙过小导致骨长入困难。蜂巢晶体结构能够很大程度上提高假体的生物相容性和骨诱导效果。

在本实用新型优选的实施方式中，上述生物学仿生多孔假体100的材质为钛合金，钛合金作为骨支撑材料具有良好的抗疲劳性能、高强度性能、低弹性模量和生物学性能，因此，多孔结构的钛合金具有良好的骨组织嵌合性能，具有促进骨愈合、抗菌、抗结核、抗肿瘤等功能。

所述生物学仿生多孔假体100通过增材制造成型，通过追层打印，最终打印出具有精确三维形状的实体，可以快速构建具有复杂内部结构和个性化外形尺寸的实体，具有制造时间短、精度高、可精确定制内部三维微孔结构等特点。通过定制力学性能及生物学功能，所述生物学仿生多孔假体100获得匹配患者病骨的上下骨面的天然骨组织的力学性能与生物融合性能。

上述生物学仿生多孔假体100的制作方法，包括以下步骤。

获取患者病骨的计算机断层扫描数据，利用工业软件进行医学图像处理和三维模型重建。

根据图像的灰度值与骨密度之间的关系函数以及皮质骨和松质骨的力学性能与孔隙率的差异，得出患者病骨的松质骨和皮质骨的范围及其孔隙分布情况。

利用工业软件，确定生物学仿生多孔假体100的外形轮廓，设置生物学仿生多孔假体100的外周区域对应患者病骨的皮质骨区域并定义为第一填充块1，设置生物学仿生多孔假体100的中部区域对应患者病骨的松质骨区域并定义为第二填充块2。

利用工业软件，将第一填充块1的边界内缩而小于患者病骨松质骨区域，第二填充块2的边界与患者病骨皮质骨外边缘一致，令生物学仿生多孔假体外形与患者病骨缺损处上下骨接触面轮廓一致。

基于皮质骨和松质骨的力学性能与孔隙率的差异，上述生物学仿生多孔假体100对应松质骨区域的第二填充块2的区域略小于实际患者病骨的上下骨面的松质骨区域，以获取更好的力学性能，以匹配患者病骨的上下骨面的天然骨组织。

利用工业软件，将第一填充块1和第二填充块2设置成三维立体网状结构，并填充不同晶体单元结构阵列排布的孔隙结构，令第一填充块1的孔隙结构的孔隙率小于第二填充块2的孔隙结构的孔隙率，第一填充块1的孔隙结构与皮质骨的天然结构一致，第二填充块2的孔隙结构与松质骨的天然结构一致。

所述生物学仿生多孔假体100通过软件设计规划并通过增材制造成型，可以精确控制多孔金属假体的孔隙率，且能够令多种不同的孔隙结构完美结合，且可以按照要求调整孔隙的大小和孔隙率，实现在不同修复部位保持不同材质密度和疏松度的目的，从而既保证了强度，又利于表面骨长入，还利于形成有效的生物固定。此外，该孔隙结构可以任意设计、调整优化，以满足各种特殊需要，获得理想的孔隙结构特征，使其具备良好的机械强度以及与人体骨组织匹配的弹性模量。从而承受人体自身重量和外部载荷，以及形成与人体骨组织匹配的弹性模量，降低应力屏蔽效应的不利影响。

综上，以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，不应以此限制本实用新型的范围，即凡是依本实用新型的权利要求书及本实用新型说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，均应仍属本实用新型专利涵盖的范围内。

Claims (10)

1.一种生物学仿生多孔假体，用于填充在患骨缺损处，其特征在于：包括对应皮质骨的第一填充块及对应松质骨的第二填充块，所述第一填充块和第二填充块一体成型且均呈三维立体网状结构，所述第一填充块和第二填充块均包括由若干晶体单元阵列排布构成的孔隙结构，所述第一填充块和第二填充块的晶体单元结构不同，且第一填充块的孔隙结构的孔隙率小于第二填充块的孔隙结构的孔隙率。

2.如权利要求1所述的生物学仿生多孔假体，其特征在于：所述晶体单元包括若干基点及由基点延伸出以形成空间形状的若干侧棱，自位于第一填充块和第二填充块交界处的若干基点分别向第一填充块和第二填充块延伸的侧棱各自形成不同的晶体单元结构。

3.如权利要求2所述的生物学仿生多孔假体，其特征在于：所述第一填充块的晶体单元为钻石晶体。

4.如权利要求3所述的生物学仿生多孔假体，其特征在于：所述第二填充块的晶体单元为蜂巢晶体。

5.如权利要求4所述的生物学仿生多孔假体，其特征在于：所述第一填充块的钻石晶体之间的孔隙率范围是60%-70%。

6.如权利要求5所述的生物学仿生多孔假体，其特征在于：所述第二填充块的蜂巢晶体之间的孔隙率范围是70%-80%。

7.如权利要求1所述的生物学仿生多孔假体，其特征在于：所述第一填充块的晶体单元的尺寸小于第二填充块的晶体单元的尺寸。

8.如权利要求7所述的生物学仿生多孔假体，其特征在于：所述第一填充块的晶体单元的密度大于第二填充块的晶体单元的密度。

9.如权利要求1所述的生物学仿生多孔假体，其特征在于：所述第一填充块和第二填充块的孔径范围是300-1000μm。

10.如权利要求1所述的生物学仿生多孔假体，其特征在于：所说第一填充块的区域小于患者病骨松质骨区域，第二填充块的边界与患者病骨皮质骨外边缘一致，令生物学仿生多孔假体外形与患者病骨缺损处上下骨接触面轮廓一致。

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