[發明專利]3D打印金屬微孔髓腔內種植體及其制作方法

在審

• 申請號: 202210031215.4
• 申請日: 2022-01-12
• 公開（公告）號: CN114357845A
• 公開（公告）日: 2022-04-15
• 發明（設計）人: 王金成;韓青;劉旸;陳昊;張奧博
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/10;G06T17/20;G06F113/10
• 代理公司: 長春眾邦菁華知識產權代理有限公司 22214
• 代理人: 張偉

本發明涉及一種3D打印金屬微孔髓腔內種植體及其制作方法，所述方法包括步驟：采集患者肢體殘端的CT數據，利用mimics軟件和Magics軟件得到種植體模型；利用有限元分析軟件對種植體模型進行拓撲優化；在Rhino軟件中依據拓撲優化結果制作表面梯度網格化髓腔內種植體模型，并對該模型進行有限元分析，若表面梯度網格化髓腔內種植體模型所受最大應力沒有超過屈服強度，則對進行金屬3D打印，得到3D打印金屬微孔髓腔內種植體。本發明采用了拓撲優化技術對種植體的外層即網格層進行優化，能夠獲得最佳材料力學配比，且種植體的微孔表面有利于骨整合，3D打印的種植體便于骨長入且穩定性好。

技術領域

本發明涉及醫療器械技術領域，特別是涉及一種3D打印金屬微孔髓腔內種植體及其制作方法。

背景技術

現有技術中的假肢以工具性假肢和結構性假肢為主，前者主要便于勞動和運動，后者則主要恢復肢體的外觀整體性，也有兼顧工具性和結構性的假肢和帶有機電結構的智能假肢。但大部分假肢均采用接受腔與肢體殘端相固定，主要包括外殼式結構、組件式結構和骨骼式結構，原理均是根據患者肢體殘端的形狀進行適配，即制作一個套筒樣接受腔(假肢套)將假肢固定到肢體殘端。但這種的接受腔與肢體殘端固定的方式存在生物力學結構不符、殘肢狀況較差、穿著不適、易松動等技術缺陷。

也有少部分假肢連接裝置采取了新的設計，如公開號為CN206867312U的實用新型專利公開了一種新型假肢連接裝置，其采用了螺紋桿的設計，螺紋桿的一端為用于鉆入負重骨髓腔內的螺紋部，另一端為露于皮膚外用于連接假肢的桿部。但單純的螺紋設計未考慮連接器與髓腔形狀的匹配問題，與骨的貼合不夠，且也沒有考慮骨整合等問題，無法實現骨長入，僅僅是依靠螺紋結構來起到初期的固定作用。

發明內容

為解決目前假肢固定存在的技術問題，本發明提供一種3D打印金屬微孔髓腔內種植體及其制作方法。

一種3D打印金屬微孔髓腔內種植體的制作方法，包括以下步驟：

步驟一：采集患者肢體殘端的CT數據，在mimics軟件中根據所述CT數據對患者肢體殘端的殘骨進行三維重建，得到三維模型，并將三維模型以STL格式導出到Magics軟件中，在Magics軟件中提取三維模型中的髓腔，并根據預設的種植體髓腔插入深度對髓腔進行切割截取，將切割截取的髓腔段與原髓腔進行預裝配操作，預裝配操作完成之后，對切割截取的髓腔段進行兩次向內抽殼操作，得到種植體模型并將種植體模型導入到有限元分析軟件中，所述種植體模型包括內部的空腔實心層和位于所述空腔實心層外的網格層；

步驟二：在有限元分析軟件中，以種植體模型的網格層的加權應變能最小化為目標函數，體積分數為約束的條件下對網格層進行拓撲優化，得到拓撲優化結果，并將拓撲優化結果輸入到Rhino軟件中；

步驟三：在Rhino軟件中依據拓撲優化結果制作表面梯度網格化髓腔內種植體模型，所述表面梯度網格化髓腔內種植體模型的優化后保留區域為與皮質骨彈性模量相近的隨機網格結構，優化掉的區域為適合于骨長入網格大小的隨機網格結構；

步驟四：將所述表面梯度網格化髓腔內種植體模型導入有限元分析軟件，并對所述表面梯度網格化髓腔內種植體模型施加步驟二中相同的工況和約束進行有限元分析，判斷所述表面梯度網格化髓腔內種植體模型所受最大應力是否超過了屈服強度，若是，則返回步驟二進行重新優化；否則進入步驟五；

步驟五：對所述表面梯度網格化髓腔內種植體模型進行金屬3D打印，得到3D打印金屬微孔髓腔內種植體。

與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：

(1)本發明的3D打印金屬微孔髓腔內種植體及其制作方法采用了拓撲優化技術對種植體的外層即網格層進行優化，能夠獲得最佳材料力學配比，且種植體的微孔表面有利于骨整合；