[發明專利]一種仿制生物骨剛度的多孔骨植入物結構設計方法

有效

• 申請號: 202110694221.3
• 申請日: 2021-06-22
• 公開（公告）號: CN113326588B
• 公開（公告）日: 2023-02-28
• 發明（設計）人: 溫鵬;秦瑜
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/23;G06F16/21;G06F119/14
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司 11246
• 代理人: 李全旺

本發明提供了一種仿制生物骨剛度的多孔骨植入物結構設計方法，設計的可降解金屬骨科植入物的宏觀外形符合骨缺損的外形，具有內部連通多孔結構，宏觀上滿足植入部位力學需求，微觀上圓滑過渡且符合所植入部位原生骨彈性模量分布，設計方法包括步驟有：獲得骨科植入物的宏觀外形數據；使用三重周期極小曲面作為多孔結構的基本結構單元，并實現其參數化；建立單元結構參數與結構剛度的對應方法及數據庫；使用結構剛度?結構參數的對應方法及數據庫完成骨植入物的結構設計；開發出結構單元間連接和過渡的設計方法，實現開發結構單元間的連接和過渡；開發出滿足生物骨多樣化外形需求的設計方法，最終得到滿足需求的骨植入物模型。

技術領域

本發明屬于醫療器械領域，尤其涉及一種仿制生物骨剛度的多孔骨植入物結構設計方法。

背景技術

近十年來，隨著人類社會不斷向老齡化發展，骨科醫用器械的需求在迅速增加，我國在這一領域的研究也正在快速推進。而骨科植入物作為骨科器械中最重要的門類，也逐漸受到科研人員越來越多的關注：患者的骨缺損通常由于創傷、關節翻修或腫瘤切除引起，在不借助骨植入的情況下難以自我修復，而如何設計出臨床治愈效果好而又無副作用的骨植入物成為了骨科臨床常見和棘手的問題。

傳統的骨植入物設計方法已經能夠滿足臨床應用的一些要求，但仍存在一些不足。第一，傳統骨植入物往往使用簡單的實心或空心結構，這意味著骨植入物將表現出均一的、且一般高于原生物骨的彈性模量，這種設計雖然滿足了植入部位宏觀的力學要求，但由于植入物的彈性模量高于原生物骨，將會產生應力遮擋效應，植入后原本生物體中骨組織將因得不到足夠的應力刺激而發生骨質疏松。傳統骨植入物設計方法可以在一定程度上滿足個性化定制的設計需求，但少有針對各種復雜外形和精度要求的統一的解決方案。

綜上所述，如何實現在宏觀上滿足植入物個性化的外形需求以及植入位置的力學需求，同時在微觀上利用多孔結構保證植入物的彈性模量分布符合所植入部位原生骨的彈性模量分布，已經成為亟需解決的問題。

發明內容

為了克服現有技術存在的一系列缺陷，本發明的目的在于針對上述問題，提供一種仿制生物骨剛度的多孔骨植入物結構設計方法，其特征在于，所述設計方法設計的可降解金屬骨科植入物的宏觀外形符合骨缺損的外形，同時具有內部連通的多孔結構，在宏觀上滿足植入部位的力學需求的同時，在微觀上圓滑過渡且符合所植入部位原生骨的彈性模量分布，所述設計方法包括以下步驟：

S1)通過待植入部位的醫學影像獲得可降解金屬骨科植入物的宏觀外形數據；

S2)使用三重周期極小曲面作為多孔結構的基本結構單元，并實現三重周期極小曲面結構的參數化；

S3)建立單元結構參數與結構剛度的對應方法及數據庫；

S4)使用結構剛度-結構參數的對應方法及數據庫完成骨植入物的結構設計；

S5)開發出結構單元間連接和過渡的設計方法，實現開發結構單元間的連接和過渡；

S6)開發出滿足生物骨多樣化外形需求的設計方法，最終得到滿足需求的骨植入物模型。

優選的，實現三重周期極小曲面結構的參數化，具體為：包括微觀單元邊長a，每個單元的相對密度由形狀參數c決定，則可由單元結構參數c(x,y,z)的空間矩陣表示單元相對密度ρ(x,y,z)空間分布，(x,y,z)∈Ω，Ω為植入物宏觀外形定義的空間區域。

優選的，步驟S3中，建立單元結構參數與結構剛度的對應方法及數據庫，具體為：基于 Gibson-Ashby的泡沫金屬彈性模量與內部相對密度的模型，建立待用材料結構剛度Ex和孔隙單元實際剛度E的經驗公式：E＝Ex*ρ(x,y,z)ⁿ；

通過有限元或實驗的方法計算或測得待用材料和對應三重周期極小曲面結構的彈性模量 E隨相對密度ρ變化的多個數據點，通過數據擬合的方式得出上述經驗公式的n值；