[發明專利]一種用于人工假體的中空緩沖結構

有效

• 申請號: 201611224186.4
• 申請日: 2016-12-27
• 公開（公告）號: CN106491247B
• 公開（公告）日: 2017-12-26
• 發明（設計）人: 王玲;孫暢寧;李滌塵;靳忠民;康建峰
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: A61F2/28
• 分類號: A61F2/28;A61F2/36
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所61215
• 代理人: 賀建斌

技術領域

本發明屬于人工假體技術領域，具體涉及一種用于人工假體的中空緩沖結構。

背景技術

人工假體是治療各類骨缺損或嚴重關節疾病的最終極手段。現有人工假體產品以金屬材料為主，植入后要在人體內長期承載。然而金屬材料假體的剛度遠大于人體骨骼，植入后會造成顯著的應力屏蔽效應，假體承擔了較多的應力而周圍骨承擔的應力減少。這種情況下，骨會根據所受應力情況發生改建，應力降低時骨組織會萎縮，引發假體遠期松動。假體松動后，翻修手術的實施不僅會給病人帶來額外的負擔，同時，由于骨質流失引起的剩余骨量缺乏也會增加手術難度。

降低假體的剛度以獲得與骨相近的彈性模量是解決遠期松動的根本途徑。具有多孔結構的假體被認為能夠有效降低假體的結構剛度，一定程度解決假體植入后的遠期松動問題，同時多孔結構能夠為骨組織生長提供空間，實現遠期生物固定。但是，假體孔隙率的提高不可避免的會帶來強度的降低，因此低模量假體設計面臨的核心問題就是假體結構剛度和強度之間的矛盾。

發明內容

為了克服上述現有技術存在的缺點，本發明的目的在于提供一種用于人工假體的中空緩沖結構，避免人工假體植入后周圍骨流失，提高人工假體植入后的穩定性和使用壽命。

為了達到上述目的，本發明采取的技術方案為：

一種用于人工假體的中空緩沖結構，包括閉口薄壁部分1和其外部的緩沖結構2，閉口薄壁部分1為封閉中空結構，位于人工假體內部，被緩沖結構2包裹；緩沖結構2為三維網格狀，填充于閉口薄壁部分1之外，人工假體外輪廓之內；所述的閉口薄壁部分1上設有排出閉口薄壁部分1內部殘留粉末的小通孔3。

所述的閉口薄壁部分1的位置和厚度滿足安全性要求，選定若干具有不同位置和厚度的閉口薄壁部分1的待選中空緩沖結構，在有限元分析中，根據所采用的材料，為閉口薄壁部分1賦予彈性模量，為緩沖結構2賦予彈性模量為0，通過有限元分析模擬待選中空緩沖結構植入后的應力分布；閉口薄壁部分1所受最大應力σ_max滿足安全條件：

其中，[σ]為中空緩沖結構所采用的材料的屈服強度，N為安全系數，最小值為1。

所述的緩沖結構2通過通過三維網格結構來構建，三維網格結構的相對密度的變化范圍為20-80％，三維網格結構的支柱的截面尺寸的變化范圍為0.2mm-5mm，在同一人工假體的緩沖結構2中，三維網格結構的相對密度和支柱的截面尺寸不一定在各處均相同。

所述的緩沖結構2在人工假體最外層形成的孔徑范圍為100μm-1mm。

所述的緩沖結構2與閉口薄壁部分1接觸的三維網格結構的支柱與閉口薄壁部分1的外表面之間有圓角，圓角尺寸不超過該支柱的長度。

所述的小通孔3直徑范圍為500μm-2mm。

所述的用于人工假體的中空緩沖結構選用的材料包括具有生物相容性的金屬材料、陶瓷材料、高分子材料或復合材料，采用增材制造技術一體化制造。

本發明的優點和效果在于：

1.本發明采用的中空薄壁結構能夠在相同的截面面積和材料重量的情況下，具有較高的抗彎、抗扭能力。人工假體植入后主要承受三類載荷，即彎曲、壓縮和扭轉，通過有限元方法校核的中空薄壁結構能夠在使用較少材料的情況下，為人工假體提供足夠的強度，避免人工假體植入后折斷。

2.本發明采用的多孔緩沖結構在植入后能夠起到應力傳導作用。由于多孔結構造成人工假體與骨接觸區域的結構剛度降低，收到沖擊后，人工假體可以通過形變來進行能量的傳遞，把應力通過低彈性模量的緩沖結構2傳導到周圍骨組織，從而降低對人工假體強度的要求，同時有效避免應力屏蔽導致骨組織的改建和流失。另一方面，多孔結構為骨組織的生長提供空間，加之骨組織受到的力學刺激程度提高，最終在植入后，骨組織可以向多孔部分內向生長，形成堅強的生物固定，更有利于人工假體的長期穩定性。

3.本發明通過中空的閉口薄壁部分1為假體提供有效的強度支撐，通過薄壁連接緩沖結構的設計來引導應力通過人工假體向徑向周圍骨的傳導和后期生物固定的形成，能夠解決人工假體的強度要求和結構剛度之間的矛盾，提供兼具安全性和穩定性的人工假體結構設計思路。

本發明通過內部閉口薄壁結構提供有效的強度支撐，外部多孔緩沖結構降低人工假體與骨接觸部分的剛度，從而削弱人工假體植入后的應力屏蔽效應，避免人工假體植入后周圍骨流失，提高人工假體植入后的穩定性和使用壽命。

附圖說明

圖1為本發明的示意圖。

圖2為圖1的A-A截面示意圖。