CN214805723U - 一种生物适配性梯度骨小梁人工膝关节胫骨平台 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种生物适配性梯度骨小梁人工膝关节胫骨平台，包括肾形平台托，在肾形平台托下表面的中部设置有柄，肾形平台托下表面除连接柄以外的其它部分设置有骨小梁层，骨小梁层由近平台托骨小梁层和远平台托骨小梁层组成；近平台托骨小梁层的孔径和孔隙率均匀设置，远平台托骨小梁层呈三分区设置；本实用新型胫骨平台的骨小梁拓扑结构三个维度梯度分布，有限元模型64％‑72％区域的微应变在最低有效应变阈值和超生理应变阈值之间，增加假体力学适配性，提高胫骨平台骨长入，提升长期稳定性。本实用新型采用3D打印一体成型，骨小梁与实体结合强度高，不易脱落。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种人工膝关节胫骨平台，尤其是涉及一种生物适配性梯度骨小梁人工膝关节胫骨平台。
背景技术
全膝关节置换术是目前临床上针对终末期膝关节疾患的有效治疗方式，其通过人工设计的关节假体替代损伤的膝关节组织，从而解除病患疼痛，恢复其膝关节功能，改善其生活质量。与人体解剖结构相对应，膝关节假体的组成包括股骨髁、胫骨平台及平台垫。随着医疗器械技术的飞速发展以及人们对假体产品安全与有效性要求的不断提高，膝关节假体设计和制造技术将需要不断的优化和提升。
目前，临床上应用的膝关节假体包括骨水泥型和生物型(非骨水泥固定)两大类。其中，骨水泥型假体依靠骨水泥的固化和填充，将关节假体与骨组织机械固定。但多年的临床应用发现，骨水泥固定可带来诸多安全与有效性问题：骨水泥单体聚合释放热量，造成周围组织损伤；骨水泥颗粒如果进入血液或在填充时引起髓腔高压，会导致肺栓塞和脂肪栓塞。
生物型膝关节假体可有效消除骨水泥带来的安全与有效性风险，通常利用表面多孔结构促进骨长入，获得长期稳定性。但其表面多孔结构通常采用喷砂、涂层、烧结等表面处理工艺制得，与实体结合强度低，易脱落，降低假体使用寿命。且这些多孔结构并不能实现有效骨长入，临床报道人工膝关节胫骨平台仅有2％～40％骨长入，无法形成有力的生物学固定。
专利CN109938888A通过EBM电子束熔融技术3D打印带有分区骨小梁结构胫骨平台，在人体下肢力线偏移，水平方向受力不均的情况下，通过不连续介质对力的传递能力不同，设计不同水平方向骨小梁分区拓扑结构，使得胫骨平台/骨界面应力/应变均一，从而实现均匀骨长入。但是从轴向考察平台/骨界面，假体金属材质的高弹性模量与骨组织的低弹性模量间会发生应力遮挡。根据Wolff定律：应力只有使骨产生形变(又称微应变)后才能启动原始信号来调节骨的合成与分解代谢，且应变范围只有在最低有效应变阈值和超生理应变阈值之间才能促进骨生长。因此，设计一种膝关节胫骨平台骨小梁界面层，通过优化拓扑结构，大幅减少应力遮挡，实现骨组织大部分区域微应变在最低有效应变阈值和超生理应变阈值之间，利于骨长入，具有重要意义。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术不足，提供一种生物适配性梯度骨小梁人工膝关节胫骨平台。
本实用新型的技术方案概述如下：
一种生物适配性梯度骨小梁人工膝关节胫骨平台，包括肾形平台托1，在肾形平台托内向弯处的上表面设置有燕尾形凸块3，在燕尾形凸块3的两个斜向枝的外侧面设置有后凹槽5，在肾形平台托1与相对于燕尾形凸块3的外向弯处的上表面设置有弧形凸块2，在弧形凸块2的内侧面设置有前凹槽6，肾形平台托下表面的中部设置有柄4，肾形平台托下表面除连接柄4以外的其它部分设置有骨小梁层9，骨小梁层9由近平台托骨小梁层21和远平台托骨小梁层20组成；近平台托骨小梁层21的孔径和孔隙率均匀设置，远平台托骨小梁层呈三分区设置；相对应肾形平台托的横径10被第一标注点11和第二标注点12划分为第一段25、第二段26和第三段27，第一段、第二段和第三段的长依次为肾形平台托横径的25％-38％:24％-50％:25％-38％，第一分区线13过第一标注点11，第二分区线14过第二标注点12；第一分区线13和第二分区线14为直线或弧线，并将相对应肾形平台托的远平台托骨小梁层20划分为内侧区15、中间区16和外侧区17；内侧区15骨小梁的孔径和孔隙率依次大于外侧区17和中间区16骨小梁的孔径和孔隙率。
还可以在肾形平台托下表面的边缘设置侧壁22，使骨小梁层设置在侧壁以内；
近平台托骨小梁层21的骨小梁孔径为0.36mm-0.50mm，孔隙率为55％–65％，通孔率为100％；所述近平台托骨小梁层21厚度为0.2mm-1mm。
远平台托骨小梁层20的第一分区线13和第二分区线14为直线时呈平行设置或呈八字形设置；第一分区线13与肾形平台托横径10的夹角18的度数为100°-60°，第二分区线14与肾形平台托横径10的夹角19的度数为80°-120°。
远平台托骨小梁层20的内侧区骨小梁的孔径为1.00mm-1.10mm，孔隙率为77.6％–85％，通孔率为100％；中间区骨小梁孔径为0.74mm-0.85mm，孔隙率为70.0％-74.7％，通孔率为100％；外侧区骨小梁孔径为0.86mm-0.99mm，孔隙率为74.8％-77.5％，通孔率为100％；所述远平台托骨小梁层20厚度为0.5mm-3mm。
柄为连接有支撑板的变径管、连接有支撑板的底部封闭的变径管、十字形筋板或弯曲十字形筋板。
本实用新型具有以下有益效果：
本实用新型胫骨平台的骨小梁拓扑结构从三个维度上梯度分布，可提高胫骨平台骨小梁与实体的结合强度和实现胫骨平台骨组织有限元模型64％-72％区域的微应变在最低有效应变阈值和超生理应变阈值之间，增加假体力学适配性。本实用新型采用3D打印一体成型，骨小梁与实体结合强度高，不易脱落，提升假体寿命。
附图说明
图1为本实用新型一种生物适配性梯度骨小梁人工膝关节胫骨平台(柄为弯曲十字形筋板)轴测图。
图2为本实用新型一种生物适配性梯度骨小梁人工膝关节胫骨平台下表面骨小梁分区划分示意图。
图3为本实用新型一种生物适配性梯度骨小梁人工膝关节胫骨平台(柄为弯曲十字形筋板)仰视图。
图4为本实用新型一种生物适配性梯度骨小梁人工膝关节胫骨平台(第一分区线13和第二分区线14为弧线)仰视图。
图5为本实用新型一种生物适配性梯度骨小梁人工膝关节胫骨平台(第一分区线13和第二分区线14为直线呈八字形设置)仰视图。
图6为本实用新型一种生物适配性梯度骨小梁人工膝关节胫骨平台(柄为底部封闭的变径管)轴测图。
图7为本实用新型一种生物适配性梯度骨小梁人工膝关节胫骨平台(柄为底部封闭的变径管、肾形平台托和骨小梁层局剖)轴测图。
图8为本实用新型一种生物适配性梯度骨小梁人工膝关节胫骨平台(柄为连接有支撑板的底部封闭的变径管)轴测图(不包括远平台托骨小梁层)。
图9为本实用新型一种生物适配性梯度骨小梁人工膝关节胫骨平台(柄为连接有支撑板的变径管)轴测图。
图10为实施例1的一种生物适配性梯度骨小梁人工膝关节胫骨平台(柄为连接有支撑板的底部封闭的变径管)第一分区线13和第二分区线14为直线平行且与横径(胫骨平台的长)的夹角为90度时有限元分析应变云图。
图11为实施例2的一种生物适配性梯度骨小梁人工膝关节胫骨平台(柄为弯曲十字形筋板)第一分区线13和第二分区线14为直线平行且与横径(胫骨平台的长)的夹角为90度时有限元分析应变云图。
图12为实施例3的一种生物适配性梯度骨小梁人工膝关节胫骨平台(柄为连接有支撑板的底部封闭的变径管)第一分区线13和第二分区线14为直线呈八字形有限元分析应变云图。
图13为实施例4的一种生物适配性梯度骨小梁人工膝关节胫骨平台(柄为连接有支撑板的底部封闭的变径管)第一分区线13和第二分区线14呈弧线有限元分析应变云图。
图14为对照组1的三分区骨小梁胫骨平台(柄为连接有支撑板的底部封闭的变径管)第一分区线13和第二分区线14为直线平行且与横径(胫骨平台的长)的夹角为90度时有限元分析应变云图。
图15为对照组1的三分区骨小梁胫骨平台(柄为连接有支撑板的底部封闭的变径管)第一分区线13和第二分区线14为直线平行且与横径(胫骨平台的长)的夹角为90度时等效应力云图。
图16为实施例1的一种生物适配性梯度骨小梁人工膝关节胫骨平台(柄为连接有支撑板的底部封闭的变径管)第一分区线13和第二分区线14为直线平行且与横径(胫骨平台的长)的夹角为90度时等效应力云图。
具体实施方式
下面各实施例的一种生物适配性梯度骨小梁人工膝关节胫骨平台，采用3D打印一体成型。其材质可以为钛合金、钴合金或锆合金中的任意一种。
下面通过具体实施例对本实用新型作进一步的说明。
实施例1
一种生物适配性梯度骨小梁人工膝关节胫骨平台，包括肾形平台托1，在肾形平台托内向弯处的上表面设置有燕尾形凸块3，在燕尾形凸块3的两个斜向枝的外侧面设置有后凹槽5，在肾形平台托1与相对于燕尾形凸块3的外向弯处的上表面设置有弧形凸块2，在弧形凸块2的内侧面设置有前凹槽6，肾形平台托下表面的中部设置有柄4，肾形平台托下表面除连接柄4以外的其它部分设置有骨小梁层9，骨小梁层9由近平台托骨小梁层21和远平台托骨小梁层20组成；近平台托骨小梁层21的孔径和孔隙率均匀设置，远平台托骨小梁层呈三分区设置；相对应肾形平台托的横径10被第一标注点11和第二标注点12划分为第一段25、第二段26和第三段27，第一段、第二段和第三段的长依次为肾形平台托横径的30％:40％:30％，第一分区线13过第一标注点11，第二分区线14过第二标注点12；第一分区线13和第二分区线14为直线，并将相对应肾形平台托的远平台托骨小梁层20划分为内侧区15、中间区16和外侧区17；内侧区15骨小梁的孔径和孔隙率依次大于外侧区17和中间区16骨小梁的孔径和孔隙率。
近平台托骨小梁层21的骨小梁孔径为0.43mm，孔隙率为60％，通孔率为100％；所述近平台托骨小梁层21厚度为0.6mm。
远平台托骨小梁层20的第一分区线13和第二分区线14为直线时呈平行设置；第一分区线13与肾形平台托横径10的夹角18的度数为90°，第二分区线14与肾形平台托横径10的夹角19的度数为90°。
远平台托骨小梁层20的内侧区骨小梁的孔径为1.05mm，孔隙率为80％，通孔率为100％；中间区骨小梁孔径为0.80mm，孔隙率为72％，通孔率为100％；外侧区骨小梁孔径为0.90mm，孔隙率为75％，通孔率为100％；所述远平台托骨小梁层20厚度为2mm。
柄为连接有支撑板的底部封闭的变径管。
本实施例的有限元分析应变云图见图10。
还可以在肾形平台托下表面的边缘设置侧壁22，使骨小梁层设置在侧壁以内。
实施例2
一种生物适配性梯度骨小梁人工膝关节胫骨平台，用柄为弯曲十字形筋板替代实施例1的柄，其它同实施例1，其有限元分析应变云图见图11。
还可以在肾形平台托下表面的边缘设置侧壁22，使骨小梁层设置在侧壁以内。
实施例3
一种生物适配性梯度骨小梁人工膝关节胫骨平台，包括肾形平台托1，在肾形平台托内向弯处的上表面设置有燕尾形凸块3，在燕尾形凸块3的两个斜向枝的外侧面设置有后凹槽5，在肾形平台托1与相对于燕尾形凸块3的外向弯处的上表面设置有弧形凸块2，在弧形凸块2的内侧面设置有前凹槽6，肾形平台托下表面的中部设置有柄4，肾形平台托下表面除连接柄4以外的其它部分设置有骨小梁层9，骨小梁层9由近平台托骨小梁层21和远平台托骨小梁层20组成；近平台托骨小梁层21的孔径和孔隙率均匀设置，远平台托骨小梁层呈三分区设置；相对应肾形平台托的横径10被第一标注点11和第二标注点12划分为第一段25、第二段26和第三段27，第一段、第二段和第三段的长依次为肾形平台托横径的38％:24％:38％，第一分区线13过第一标注点11，第二分区线14过第二标注点12；第一分区线13和第二分区线14为直线，并将相对应肾形平台托的远平台托骨小梁层20划分为内侧区15、中间区16和外侧区17；内侧区15骨小梁的孔径和孔隙率依次大于外侧区17和中间区16骨小梁的孔径和孔隙率。
近平台托骨小梁层21的骨小梁孔径为0.50mm，孔隙率为65％，通孔率为100％；所述近平台托骨小梁层21厚度为1mm。
远平台托骨小梁层20的第一分区线13和第二分区线14为直线时呈八字形设置；第一分区线13与肾形平台托横径10的夹角18的度数为100°，第二分区线14与肾形平台托横径10的夹角19的度数为80°(见图5)
远平台托骨小梁层20的内侧区骨小梁的孔径为1.10mm，孔隙率为85％，通孔率为100％；中间区骨小梁孔径为0.85mm孔隙率为74.7％，通孔率为100％；外侧区骨小梁孔径为0.99mm，孔隙率为77.5％，通孔率为100％；所述远平台托骨小梁层20厚度为0.5mm。
柄为连接有支撑板的底部封闭的变径管。
本实施例的有限元分析应变云图见图12。
还可以在肾形平台托下表面的边缘设置侧壁22，使骨小梁层设置在侧壁以内。
实施例4
一种生物适配性梯度骨小梁人工膝关节胫骨平台，包括肾形平台托1，在肾形平台托内向弯处的上表面设置有燕尾形凸块3，在燕尾形凸块3的两个斜向枝的外侧面设置有后凹槽5，在肾形平台托1与相对于燕尾形凸块3的外向弯处的上表面设置有弧形凸块2，在弧形凸块2的内侧面设置有前凹槽6，肾形平台托下表面的中部设置有柄4，肾形平台托下表面除连接柄4以外的其它部分设置有骨小梁层9，骨小梁层9由近平台托骨小梁层21和远平台托骨小梁层20组成；近平台托骨小梁层21的孔径和孔隙率均匀设置，远平台托骨小梁层呈三分区设置；相对应肾形平台托的横径10被第一标注点11和第二标注点12划分为第一段25、第二段26和第三段27，第一段、第二段和第三段的长依次为肾形平台托横径的38％:24％:38％，第一分区线13过第一标注点11，第二分区线14过第二标注点12；第一分区线13和第二分区线14为弧线(见图4)，并将相对应肾形平台托的远平台托骨小梁层20划分为内侧区15、中间区16和外侧区17；内侧区15骨小梁的孔径和孔隙率依次大于外侧区17和中间区16骨小梁的孔径和孔隙率。
近平台托骨小梁层21的骨小梁孔径为0.43mm，孔隙率为60％，通孔率为100％；所述近平台托骨小梁层21厚度为0.6mm。
远平台托骨小梁层20的内侧区骨小梁的孔径为1.10mm，孔隙率为85％，通孔率为100％；中间区骨小梁孔径为0.85mm，孔隙率为74.7％，通孔率为100％；外侧区骨小梁孔径为0.99mm，孔隙率为77.5％，通孔率为100％；所述远平台托骨小梁层20厚度为3mm。
柄为连接有支撑板的底部封闭的变径管。
本实施例的有限元分析应变云图见图13。
还可以在肾形平台托下表面的边缘设置侧壁22，使骨小梁层设置在侧壁以内。
实施例5
一种生物适配性梯度骨小梁人工膝关节胫骨平台，包括肾形平台托1，在肾形平台托内向弯处的上表面设置有燕尾形凸块3，在燕尾形凸块3的两个斜向枝的外侧面设置有后凹槽5，在肾形平台托1与相对于燕尾形凸块3的外向弯处的上表面设置有弧形凸块2，在弧形凸块2的内侧面设置有前凹槽6，肾形平台托下表面的中部设置有柄4，肾形平台托下表面除连接柄4以外的其它部分设置有骨小梁层9，骨小梁层9由近平台托骨小梁层21和远平台托骨小梁层20组成；近平台托骨小梁层21的孔径和孔隙率均匀设置，远平台托骨小梁层呈三分区设置；相对应肾形平台托的横径10被第一标注点11和第二标注点12划分为第一段25、第二段26和第三段27，第一段、第二段和第三段的长依次为肾形平台托横径的25％:50％:25％，第一分区线13过第一标注点11，第二分区线14过第二标注点12；第一分区线13和第二分区线14为直线，并将相对应肾形平台托的远平台托骨小梁层20划分为内侧区15、中间区16和外侧区17；内侧区15骨小梁的孔径和孔隙率依次大于外侧区17和中间区16骨小梁的孔径和孔隙率。
近平台托骨小梁层21的骨小梁孔径为0.36mm，孔隙率为55％，通孔率为100％；所述近平台托骨小梁层21厚度为0.2mm。
远平台托骨小梁层20的第一分区线13和第二分区线14为直线时呈八字形设置；第一分区线13与肾形平台托横径10的夹角18的度数为60°，第二分区线14与肾形平台托横径10的夹角19的度数为120°
远平台托骨小梁层20的内侧区骨小梁的孔径为1mm，孔隙率为77.6％，通孔率为100％；中间区骨小梁孔径为0.74mm，孔隙率为70％，通孔率为100％；外侧区骨小梁孔径为0.86mm，孔隙率为74.8％，通孔率为100％；所述远平台托骨小梁层20厚度为3mm。
柄为连接有支撑板的底部封闭的变径管。
柄还可以是连接有支撑板的变径管或十字形筋板。
还可以在肾形平台托下表面的边缘设置侧壁22，使骨小梁层设置在侧壁以内。
对照组1：
一种人工膝关节胫骨平台，与实施例1比较，骨小梁层只有一层，没有设置近平台托骨小梁层。
对照组的有限元分析应变云图见图14。
将实施例1、2、3、4的有限元模型与对照组1的有限元模型进行有限元分析，得到的有限元分析应变云图只显示范围为1000-3000的微应变(阴影部分)，实施例1-实施例4在胫平台骨组织有限元模型上1000-3000微应变区域在整个胫骨平台骨组织有限元模型的占比分别为72.1％、65.6％、64.4％和68.1％(图10、11、12、13)，大于对照组1(图14，1000-3000微应变区域占比为39.3％)，提示本实用新型所述一种生物适配性梯度骨小梁人工膝关节胫骨平台可实现骨组织大部分区域微应变在最低有效应变阈值和最高塑形应变阈值之间，利于骨长入。
将对照组1有限元模型和实施例1的有限元模型进行有限元分析，结果如图15-16所示，实施例1的一种生物适配性梯度骨小梁人工膝关节胫骨平台的骨小梁与实体连接部位的应力集中区域小于对照组1的应力集中区域，提示本实用新型一种生物适配性梯度骨小梁人工膝关节胫骨平台的骨小梁与实体结合强度增强。
Claims (5)
1.一种生物适配性梯度骨小梁人工膝关节胫骨平台，包括肾形平台托(1)，在肾形平台托内向弯处的上表面设置有燕尾形凸块(3)，在燕尾形凸块(3)的两个斜向枝的外侧面设置有后凹槽(5)，在肾形平台托(1)与相对于燕尾形凸块(3)的外向弯处的上表面设置有弧形凸块(2)，在弧形凸块(2)的内侧面设置有前凹槽(6)，肾形平台托下表面的中部设置有柄(4)，肾形平台托下表面除连接柄(4)以外的其它部分设置有骨小梁层(9)，其特征是，骨小梁层(9)由近平台托骨小梁层(21)和远平台托骨小梁层(20)组成；所述近平台托骨小梁层(21)的孔径和孔隙率均匀设置，远平台托骨小梁层呈三分区设置；相对应肾形平台托的横径(10)被第一标注点(11)和第二标注点(12)划分为第一段(25)、第二段(26)和第三段(27)，第一段、第二段和第三段的长依次为肾形平台托横径的25％-38％:24％-50％:25％-38％，第一分区线(13)过第一标注点(11)，第二分区线(14)过第二标注点(12)；第一分区线(13)和第二分区线(14)为直线或弧线，并将相对应肾形平台托的远平台托骨小梁层(20)划分为内侧区(15)、中间区(16)和外侧区(17)；内侧区(15)骨小梁的孔径和孔隙率依次大于外侧区(17)和中间区(16)骨小梁的孔径和孔隙率。
2.根据权利要求1所述一种生物适配性梯度骨小梁人工膝关节胫骨平台，其特征在于所述近平台托骨小梁层(21)的骨小梁孔径为0.36mm-0.50mm，孔隙率为55％–65％，通孔率为100％；所述近平台托骨小梁层(21)厚度为0.2mm-1mm。
3.根据权利要求1所述一种生物适配性梯度骨小梁人工膝关节胫骨平台，其特征在于所述远平台托骨小梁层(20)的第一分区线(13)和第二分区线(14)为直线时呈平行设置或呈八字形设置；第一分区线(13)与肾形平台托横径(10)的夹角(18)的度数为100°-60°，第二分区线(14)与肾形平台托横径(10)的夹角(19)的度数为80°-120°。
4.根据权利要求1所述一种生物适配性梯度骨小梁人工膝关节胫骨平台，其特征在于所述远平台托骨小梁层(20)的内侧区骨小梁的孔径为1.00mm-1.10mm，孔隙率为77.6％–85％，通孔率为100％；中间区骨小梁孔径为0.74mm-0.85mm，孔隙率为70.0％-74.7％，通孔率为100％；外侧区骨小梁孔径为0.86mm-0.99mm，孔隙率为74.8％-77.5％，通孔率为100％；所述远平台托骨小梁层(20)厚度为0.5mm-3mm。
5.根据权利要求1所述一种生物适配性梯度骨小梁人工膝关节胫骨平台，其特征在于所述柄为连接有支撑板的变径管、连接有支撑板的底部封闭的变径管、十字形筋板或弯曲十字形筋板。
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| CN202022465694.XU CN214805723U (zh) | 2020-10-30 | 2020-10-30 | 一种生物适配性梯度骨小梁人工膝关节胫骨平台 |
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| CN202022465694.XU CN214805723U (zh) | 2020-10-30 | 2020-10-30 | 一种生物适配性梯度骨小梁人工膝关节胫骨平台 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112155803A (zh) * | 2020-10-30 | 2021-01-01 | 嘉思特华剑医疗器材(天津)有限公司 | 一种生物适配性梯度骨小梁人工膝关节胫骨平台 |
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2020
- 2020-10-30 CN CN202022465694.XU patent/CN214805723U/zh active Active
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| CN112155803A (zh) * | 2020-10-30 | 2021-01-01 | 嘉思特华剑医疗器材(天津)有限公司 | 一种生物适配性梯度骨小梁人工膝关节胫骨平台 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CP03 | Change of name, title or address | ||
| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: No. 27 Ziyang Road, Nankai District, Tianjin, 300100 Patentee after: Jiasite medical equipment (Tianjin) Co.,Ltd. Address before: No.27 Ziyang Road Nankai District Tianjin 300190 Patentee before: Jiasite Huajian Medical Equipment(Tianjin)Co.,Ltd. |