[發明專利]仿生股骨頭模型及設計方法

有效

• 申請號: 201710238356.2
• 申請日: 2017-04-13
• 公開（公告）號: CN106943209B
• 公開（公告）日: 2019-02-01
• 發明（設計）人: 閻軍;郭金隴;王靖元;范少迪;尹權一
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G06T17/00
• 分類號: G06T17/00;A61F2/28
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 溫福雪;侯明遠

本發明屬于先進制造技術領域，提供了一種仿生股骨頭模型及設計方法。仿生股骨頭模型的特點：半球型，因為人類的自然股骨頭近似半球形；點陣夾層結構，模型全部是由桿件連接組成；半球模型從球心由內向外層層擴展，理論上可以形成n層夾層結構；可以通過控制不同層間的桿件的橫截面積來改變整個模型的梯度分布；同樣可以通過控制不同層間桿件的桿長來改變整個模型的梯度分布；另，梯度分布種類大致可以分為：外疏內密梯度，均勻梯度，外密內疏梯度。本發明的有益效果：借鑒人類真實股骨頭的特性，設計出未來可以替代壞死或損壞的骨頭的模型，同時利用3D打印技術及時進行骨移植替代物制造，從而改善人們的生活。

技術領域

本發明屬于先進制造技術領域，涉及一種基于3D打印技術的仿生股骨頭模型及設計方法。

背景技術

3D打印(3DP)即快速成型技術的一種，它是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。目前在國內：北京大學研究團隊在全球首次成功地為一名12歲男孩植入了3D打印脊椎。北京航空航天大學在金屬直接制造方面取得了進展，突破了鈦合金、超高強度鋼等難加工材料的激光成形工藝。西北工業大學的大凝固技術國家重點實驗室已經建立了系列激光熔覆成形與修復裝備，可滿足大型機械裝備的大型零件及難拆卸零件的原位修復和再制造。在國外：英美等發達國家針對結構輕量化，技術標準，共性技術，商業模式發展等展開了研究，并應用于軍事，航天，醫藥等領域。

骨移植的需要不斷增加，現在每年在歐洲要進行超過400,000次骨移植手術，在美國則需超過600,000次。在美國，2010年人們在骨移植替代物上的花費達到了13億美元，并且被預測會以每年7.4％的比率增長。中國已經進入老齡化社會，在我國這項技術卻比較落后。如何設計和制作出骨移植替代物成了當務之急。觀察天然的骨頭，將骨切開可以看到里面的微觀結構，發現是類似具有梯度性的點陣結構。觀察其他自然界的植物結構，也具有這種梯度的變化。制造性困難曾經限制微觀結構的設計，但隨著3D打印技術的發展，已經可以克服這種困難。本發明即為仿生股骨頭模型，旨在未來能夠作為新型的骨移植替代物。

發明內容

本發明的是根據人類自然股骨頭的結構組織特性，設計出能夠替代壞死或損壞的股骨頭的模型，從而達到作為骨移植替代物的目的。

本發明的技術方案：

仿生股骨頭模型為由桿件和節點組裝成的半球點陣支架結構，分為內半球點陣支架結構和外半球點陣支架結構兩部分；

外半球點陣支架結構從上到下依次分為頂層、第二層、第三層和底層四部分，從上到下相鄰兩層間的間距依次增加；頂層分為頂點和下表面，即頂點和下圓，下圓采用節點16等分；第二層、第三層和底層，每層分為上表面和下表面，即上圓和下圓；上圓和下圓均采用節點16等分，各層間節點位置相互對應；

內半球點陣支架結構從上到下依次分為頂層和底層兩部分，從上到下相鄰兩層間的間距依次增加；頂層分為頂點和下表面，即頂點和下圓，下圓采用節點8等分；底層分為上表面和下表面，即上圓和下圓；上圓和下圓均采用節點8等分，各層間節點位置相互對應；

外半球點陣支架結構和內半球點陣支架結構中，第二層、第三層和底層的上圓的相鄰兩節點、下圓的相鄰兩節點、上圓與下圓相對應的兩節點、上圓的節點與下圓對應相鄰的兩節點間相連；頂層的下圓各節點均與頂點相連；各節點間采用連桿連接；

內半球點陣支架結構中的底層下圓上的節點分別與外半球點陣支架結構底層下圓上的對應節點、對應相鄰的兩個節點連接；內半球點陣支架結構中的底層下圓上的節點分別與外半球點陣支架結構底層上圓上的對應節點、對應相鄰的兩個節點連接；

內半球點陣支架結構中的頂層下圓上的節點分別與外半球點陣支架結構第二層下圓上的對應節點、對應相鄰的兩個節點進行連接；內半球點陣支架結構中的頂層下圓上的節點分別與外半球點陣支架結構第二層上圓上的對應節點、對應相鄰的兩個節點進行連接；