CN217310722U - 一种共形点阵材料微结构填充的3d打印股骨柄植入体 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种共形点阵材料微结构填充的3D打印股骨柄植入体，其具有3D打印一体成型由若干共形点阵材料微结构填充的孔隙结构，包括股骨本体，其一端固定有球形的股骨头、另一端固定由外侧踝、内侧踝和位于中间的踝间窝组成的连接件，共形点阵材料微结构为共形点阵材料四面体微结构或共形点阵材料六面体微结构，其单胞、杆长和杆直径的尺寸依据制备工艺和性能要求不同进行设定。本实用新型利用有限元网格设计的具有与人体骨骼共形的点阵材料微结构，3D打印一体成型共形点阵材料微结构填充的股骨柄植入体，实现与股骨不规则外形相匹配，具有良好的力学支撑功能。

Description

一种共形点阵材料微结构填充的3D打印股骨柄植入体

技术领域

本实用新型涉及一种共形点阵材料微结构填充的3D打印股骨柄植入体。

背景技术

现有技术中，股骨柄植入体与股骨难以固定或固位不稳，股骨柄与骨质之间容易发生松动，而且股骨承受重力难以均衡，容易造成股骨柄损坏，缩短了股骨柄的使用寿命，增加了股骨柄的更换率和治疗费用，专利CN203341862U公开一种结构合理、受力均衡、不易损坏、生物相容性高的股骨柄植入体，柄体与颈领连接处设有球关节，柄体与颈领通过球关节活动连接，不仅可以使股骨柄与股骨相对固定，而且使股骨承受的重力均衡分布，可有效防止股骨柄和骨质间发生松动。

3D打印工艺生产植入体时可以引入点阵材料结构，一方面有利于骨长入和骨增值，以便获得更好的骨整合功能，另一方面多孔结构可以调控植入体的力学性能，以达到植入体和人体骨骼的力学适配，如专利申请CN104784760A针对现有钛基植入体在临床应用中的不足，提供一种低弹性模量一体化钛基股骨柄的制备方法，通过CAD设计一种多孔支架结构，采用选择性激光熔化加工技术制备速度快，材质紧密，在生物医学领域具有良好的应用。点阵材料的单胞通常是立方结构，其在三维空间阵列得到的点阵材料同常也为立方结构；而人体骨骼-股骨柄的形状不规则，在植入体的设计过程中需要考虑如何使得点阵材料的外形匹配植入体的外形，现有的解决方法主要是通过布尔操作切割点阵材料，以使得点阵材料的外形和股骨一致，但布尔操作会破坏单胞微结构的完整性。有限元网格划分技术可以对复杂结构进行网格划分，现有技术中没有通过3D打印设计具有和人体骨骼力学适配的点阵材料网格结构填充的股骨柄植入体相关报道。

实用新型内容

为克服现有技术的上述不足，本实用新型的目的是提供一种共形点阵材料微结构填充的3D打印股骨柄植入体，基于有限元网格设计具有与人体骨骼共形的点阵材料，利用3D 打印一体成型共形点阵材料微结构填充实现与股骨柄植入体不规则外形相匹配，实现股骨柄植入体良好的力学支撑功能。

本实用新型的上述目的通过以下技术方案实现：

本实用新型提供一种共形点阵材料微结构填充的3D打印股骨柄植入体，其为3D打印一体成型由若干共形点阵材料微结构填充的孔隙结构，包括股骨本体，其一端固定有球形的股骨头、另一端固定有由外侧踝、内侧踝和位于中间的踝间窝组成的连接件，其中所述共形点阵材料微结构为共形点阵材料四面体微结构或共形点阵材料六面体微结构，其单胞、杆长和杆直径的尺寸依据制备工艺和性能要求不同进行设定。

优选地，所述共形点阵材料六面体微结构的杆直径为0.2mm，单胞数为14201个。

优选地，所述共形点阵材料四面体微结构的杆直径为0.2mm，单胞数为6993个。

优选地，所述3D打印一体成型采用电子束选区熔化工艺(SEBM)或选择性激光熔化工艺(SLM)的金属增材加工制造。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：

(1)Ti-6Al-4V合金被临床认定为具有良好生物相容性的生物医用合金，但其杨氏模量为110GPa，远高于人体松质骨(≈1GPa)和皮质骨的杨氏模量(10-30GPa)，本实用新型通过孔隙结构设计结合3D打印一体成型由若干共形点阵材料微结构填充的股骨柄植入体，可以实现股骨柄植入体良好的力学支撑功能。

(2)本实用新型利用有限元网格划分技术对不规则的股骨柄植入体结构进行网格划分，在网格的节点处连接杆得到共形点阵材料微结构，实现与股骨不规则外形相匹配，克服通过布尔操作切割点阵材料使点阵材料的外形和股骨一致时会破坏单胞微结构完整性的问题。

附图说明

附图作为本申请的一部分，用来提供对本实用新型的进一步的理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，但不构成对本实用新型的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。在附图中：

图1是一实施例中共形点阵材料六面体微结构填充的3D打印股骨柄植入体的结构示意图；

图2是图1中共形点阵材料六面体微结构放大示意图；

图3是一实施例中共形点阵材料四面体微结构填充的3D打印股骨柄植入体的结构示意图；

图4是图3的俯视图；

图5是图3的左视图；

图6是图3的右视图；

图7是图3中共形点阵材料四面体微结构放大示意图；

图8是一实施例中共形点阵材料微结构填充的3D打印股骨柄植入体CAD模型示意图；

附图标记如下：1-股骨本体、2-股骨头端、3-外侧踝、4-内侧踝、5-踝间窝、6-共形点阵材料六面体微结构、7-共形点阵材料四面体微结构。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本实用新型，但不以任何形式限制本实用新型。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干调整和改进。这些都属于本实用新型的保护范围。本实用新型所提到的方向用语如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「顶」、「底」等，仅是参考附图的方向用以说明及理解本实用新型，而非用以限制本实用新型。

如图1和2示例性地描述了一种共形点阵材料六面体微结构填充的3D打印股骨柄植入体，具有3D打印一体成型由共形点阵材料六面体微结构填充的孔隙结构，包括股骨本体1，其一端固定有球形的股骨头2、另一端固定有由外侧踝3、内侧踝4和位于中间的踝间窝5组成的连接件，其中共形点阵材料六面体微结构6的杆直径为0.2mm，单胞数为14201 个，以Ti-6Al-4V合金为点阵材料基材，采用SEBM金属增材加工制造工艺一体成型得到，具体步骤如下：先设计股骨柄植入体的CAD模型(如图8所示)，通过有限元网格划分技术hypermesh对股骨柄植入体进行六面体网格划分，然后用编写的代码进行杆的节点连接，在ABAQUS软件里设置杆的直径，导出stl格式，进行激光选区铺粉或电子束选区铺粉等金属增材加工制造工艺一体成型。

如图3至7示例性地描述了一种共形点阵材料四面体微结构填充的3D打印股骨柄植入体，具有3D打印一体成型由点阵材料四面体微结构填充的孔隙结构，包括股骨本体1，其一端固定有球形的股骨头2、另一端固定有由外侧踝3、内侧踝4和位于中间的踝间窝5 组成的连接件，其中共形点阵材料四面体微结构7的杆直径为0.2mm，单胞数为6993个，以Ti-6Al-4V合金为点阵材料基材，采用SML金属增材加工制造工艺一体成型得到，具体步骤如下：先设计股骨柄植入体的CAD模型(如图8所示)，通过有限元网格划分技术hypermesh对股骨柄植入体进行四面体网格划分，然后用编写的代码进行杆的节点连接，在ABAQUS软件里设置杆的直径，导出stl格式，进行激光选区铺粉或电子束选区铺粉等金属增材加工制造工艺一体成型。

综上所述，本实用新型通过有限元网格设计共形点阵材料微结构，3D打印一体成型共形点阵材料微结构填充的孔隙股骨柄植入体，与现有的点阵材料相比该结构可以共形，实现与股骨不规则外形相匹配,克服通过布尔操作切割点阵材料使点阵材料的外形和股骨一致时会破坏单胞微结构的完整性的问题。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换。

Claims (4)

1.一种共形点阵材料微结构填充的3D打印股骨柄植入体，其特征在于，其为3D打印一体成型由若干共形点阵材料微结构填充的孔隙结构，包括股骨本体，其一端固定有球形的股骨头、另一端固定由外侧踝、内侧踝和位于中间的踝间窝组成的连接件，其中所述共形点阵材料微结构为共形点阵材料四面体微结构或共形点阵材料六面体微结构，其单胞、杆长和杆直径的尺寸依据制备工艺和性能要求不同进行设定。

2.根据权利要求1所述共形点阵材料微结构填充的3D打印股骨柄植入体，其特征在于，所述共形点阵材料六面体微结构的杆直径为0.5mm，单胞数为14201个。

3.根据权利要求1所述共形点阵材料微结构填充的3D打印股骨柄植入体，其特征在于，所述共形点阵材料四面体微结构的杆直径为0.2mm，单胞数为6993个。

4.根据权利要求1所述共形点阵材料微结构填充的3D打印股骨柄植入体，其特征在于，所述3D打印一体成型采用电子束选区熔化工艺或选择性激光熔化工艺的金属增材加工制造。

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