[發明專利]一種可變模量的個性化股骨柄假體及制造方法

在審

• 申請號: 201810207419.2
• 申請日: 2018-03-14
• 公開（公告）號: CN108294849A
• 公開（公告）日: 2018-07-20
• 發明（設計）人: 宋長輝;萬佳勇;楊永強;王昆;朱蕾;何容涵
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: A61F2/36
• 分類號: A61F2/36
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 李斌

本發明公開了一種可變模量的個性化股骨柄假體及制造方法，該個性化股骨柄假體不僅僅在形狀上滿足個性化股骨髓腔的要求，而且根據其受力分析對其個性化外形主體結構進行拓撲優化，獲得空間主體架構，通過梯度自由貫通的多孔結構包絡主體架構，外形上與股骨髓腔形狀匹配。梯度自由貫通多孔結構的變化依據股骨柄接觸面、股骨柄受力及彈性模量匹配等多種約束進行設計，實現空間上可變模量，個性化股骨柄假體采用激光選區熔化方式制備，在清洗消毒后，填充誘導骨生長可降解羥基復合材料，封裝消毒備使用。

技術領域

本發明屬于金屬3D打印個性化髖臼股骨柄假體領域，尤其是涉及到一種可變模量的個性化股骨柄假體及制造方法。

背景技術

目前金屬植入體假體，其重量比較重，彈性模量遠高于骨本身，且與骨結合相對比較難，易產生微動，因此植入假體多采用骨水泥固定，目前也有部分假體開始采用生物型多孔假體，但是其形式相對比較單一，部分要求上無法滿足實際應用要求。

人體中松質骨的彈性模量為1.3GPa，密質骨的彈性模量為18GPa，而股骨柄假體所使用的材料大多為鈦及其合金等，它們的彈性模量大致在100GPa～200GPa范圍內，遠遠大于人體骨胳的彈性模量，彈性模量過高會使得股骨柄假體的力學性能無法與骨相互匹配，從而導致股骨柄假體的松動。股骨柄植入人體一段時間后，彈性模量過高的股骨柄假體近端會產生應力屏蔽效應，根據Wolf骨重建定律，股骨會根據應力所處環境再次分布應力，應力的再次分布會導致骨內礦物質密度減少，使得股骨本體近端缺乏有效支撐而造成股骨柄假體的松動，最終影響股骨柄假體的使用壽命。

根據Gibson模型，彈性模量與多孔結構有關，因此，為了避免股骨柄本體假體的松動，可以根據股骨密度分布情況，利用多孔結構設計股骨柄假體，從而減少股骨柄假體的松動，增加其使用壽命。

發明內容

為解決股骨柄假體應力屏蔽效應，本發明提供一種可變模量的個性化股骨柄假體，該個性化股骨柄假體不僅僅在形狀上滿足個性化股骨髓腔的要求，而且經過個性化外形設計、主體架構受力優化、多孔結構自由填充等設計，使得假體等效股骨彈性模量，且具有防止下沉、松動和扭轉的特點。為了達到上述目的，本發明采用以下技術方案：

本發明一種可變模量的個性化股骨柄假體，包括股骨柄頭部、頸部和仿髓腔體，所述仿髓腔體外部與骨髓腔匹配，內部設有拓撲優化的空間主體架構以及填充空間結構的多孔結構，所述可變模量的個性化股骨柄假體通過激光選區熔化方式制備，假體消毒后，填充誘導骨長入可降解羥基復合材料；

根據患者CT/MRI醫學影像數據，利用影像灰度值區分進行遮掩，遮掩部分疊層形成三維股骨近端模型，對股骨近端受力分析與骨質分析完成后，設計股骨柄頭部、并結合根據醫學影像重建三維模型設計頸部；

利用醫學影像重建三維模型，通過布爾運算設計股骨柄仿髓腔體，并根據仿髓腔體受力分析，拓撲優化設計仿髓腔體的空間主體架構；

根據空間主體架構與骨髓腔接觸部分不同區域的骨質情況，設計與其彈性模量匹配的多孔結構，并填充對應空間主體架構區域。

在植入前，仿髓腔體中的多孔結構內部可填充羥基磷灰石生物材料以及相應的藥物緩釋生物材料，促進防止感染同時促進骨細胞長入。

作為優選的技術方案，所述股骨柄整體空間架構是在個性化股骨柄實體模型上，經過受力拓撲優化獲得的空間復雜的主體架構。

作為優選的技術方案，所述股骨柄為生物型，采用可變模量的自由貫通多孔結構形成與患者髓腔相匹配的個性化股骨柄外形。

作為優選的技術方案，所述主體架構截面最長長度100μm-1000μm，孔隙100μm-1000μm。

作為優選的技術方案，多孔結構呈現可連續變化，股骨柄假體近端至股骨遠端的多孔結構最小尺寸單元是先逐漸遞減再逐漸遞增，股骨柄假體近端和遠端內側至外側的多孔結構最小尺寸單元從逐漸遞增的趨勢。