本發(fā)明屬于人工假體技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于人工假體的中空緩沖結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

人工假體是治療各類骨缺損或嚴(yán)重關(guān)節(jié)疾病的最終極手段?，F(xiàn)有人工假體產(chǎn)品以金屬材料為主，植入后要在人體內(nèi)長(zhǎng)期承載。然而金屬材料假體的剛度遠(yuǎn)大于人體骨骼，植入后會(huì)造成顯著的應(yīng)力屏蔽效應(yīng)，假體承擔(dān)了較多的應(yīng)力而周圍骨承擔(dān)的應(yīng)力減少。這種情況下，骨會(huì)根據(jù)所受應(yīng)力情況發(fā)生改建，應(yīng)力降低時(shí)骨組織會(huì)萎縮，引發(fā)假體遠(yuǎn)期松動(dòng)。假體松動(dòng)后，翻修手術(shù)的實(shí)施不僅會(huì)給病人帶來(lái)額外的負(fù)擔(dān)，同時(shí)，由于骨質(zhì)流失引起的剩余骨量缺乏也會(huì)增加手術(shù)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(yuǎn)期松動(dòng)的根本途徑。具有多孔結(jié)構(gòu)的假體被認(rèn)為能夠有效降低假體的結(jié)構(gòu)剛度，一定程度解決假體植入后的遠(yuǎn)期松動(dòng)問(wèn)題，同時(shí)多孔結(jié)構(gòu)能夠?yàn)楣墙M織生長(zhǎng)提供空間，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)期生物固定。但是，假體孔隙率的提高不可避免的會(huì)帶來(lái)強(qiáng)度的降低，因此低模量假體設(shè)計(jì)面臨的核心問(wèn)題就是假體結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度之間的矛盾。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種用于人工假體的中空緩沖結(jié)構(gòu)，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(wěn)定性和使用壽命。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：

一種用于人工假體的中空緩沖結(jié)構(gòu)，包括閉口薄壁部分1和其外部的緩沖結(jié)構(gòu)2，閉口薄壁部分1為封閉中空結(jié)構(gòu)，位于人工假體內(nèi)部，被緩沖結(jié)構(gòu)2包裹；緩沖結(jié)構(gòu)2為三維網(wǎng)格狀，填充于閉口薄壁部分1之外，人工假體外輪廓之內(nèi)；所述的閉口薄壁部分1上設(shè)有排出閉口薄壁部分1內(nèi)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(jié)構(gòu)，在有限元分析中，根據(jù)所采用的材料，為閉口薄壁部分1賦予彈性模量，為緩沖結(jié)構(gòu)2賦予彈性模量為0，通過(guò)有限元分析模擬待選中空緩沖結(jié)構(gòu)植入后的應(yīng)力分布；閉口薄壁部分1所受最大應(yīng)力σ_max滿足安全條件：

其中，[σ]為中空緩沖結(jié)構(gòu)所采用的材料的屈服強(qiáng)度，N為安全系數(shù)，最小值為1。

所述的緩沖結(jié)構(gòu)2通過(guò)通過(guò)三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)來(lái)構(gòu)建，三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的相對(duì)密度的變化范圍為20-80％，三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)2中，三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的相對(duì)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)2與閉口薄壁部分1接觸的三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)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(guò)該支柱的長(zhǎng)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(jié)構(gòu)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(fù)合材料，采用增材制造技術(shù)一體化制造。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和效果在于：

1.本發(fā)明采用的中空薄壁結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)，通過(guò)有限元方法校核的中空薄壁結(jié)構(gòu)能夠在使用較少材料的情況下，為人工假體提供足夠的強(qiáng)度，避免人工假體植入后折斷。

2.本發(fā)明采用的多孔緩沖結(jié)構(gòu)在植入后能夠起到應(yīng)力傳導(dǎo)作用。由于多孔結(jié)構(gòu)造成人工假體與骨接觸區(qū)域的結(jié)構(gòu)剛度降低，收到?jīng)_擊后，人工假體可以通過(guò)形變來(lái)進(jìn)行能量的傳遞，把應(yīng)力通過(guò)低彈性模量的緩沖結(jié)構(gòu)2傳導(dǎo)到周圍骨組織，從而降低對(duì)人工假體強(qiáng)度的要求，同時(shí)有效避免應(yīng)力屏蔽導(dǎo)致骨組織的改建和流失。另一方面，多孔結(jié)構(gòu)為骨組織的生長(zhǎng)提供空間，加之骨組織受到的力學(xué)刺激程度提高，最終在植入后，骨組織可以向多孔部分內(nèi)向生長(zhǎng)，形成堅(jiān)強(qiáng)的生物固定，更有利于人工假體的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

3.本發(fā)明通過(guò)中空的閉口薄壁部分1為假體提供有效的強(qiáng)度支撐，通過(guò)薄壁連接緩沖結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)來(lái)引導(dǎo)應(yīng)力通過(guò)人工假體向徑向周圍骨的傳導(dǎo)和后期生物固定的形成，能夠解決人工假體的強(qiáng)度要求和結(jié)構(gòu)剛度之間的矛盾，提供兼具安全性和穩(wěn)定性的人工假體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路。

本發(fā)明通過(guò)內(nèi)部閉口薄壁結(jié)構(gòu)提供有效的強(qiáng)度支撐，外部多孔緩沖結(jié)構(gòu)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(yīng)力屏蔽效應(yīng)，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(wěn)定性和使用壽命。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的示意圖。

圖2為圖1的A-A截面示意圖。

圖3為圖1的I處放大圖。

圖4為實(shí)施例1具有中空緩沖結(jié)構(gòu)的人工髖關(guān)節(jié)股骨柄示意圖。

圖5為圖4的B-B截面示意圖。

圖6為實(shí)施例2具有中空緩沖結(jié)構(gòu)的脛骨托盤示意圖

圖7為圖6的C-C截面示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述。

如圖1和圖2所示，一種用于人工假體的中空緩沖結(jié)構(gòu)，包括閉口薄壁部分1和其外部的緩沖結(jié)構(gòu)2，閉口薄壁部分1為封閉中空結(jié)構(gòu)，位于人工假體內(nèi)部，被緩沖結(jié)構(gòu)2包裹；緩沖結(jié)構(gòu)2為三維網(wǎng)格狀，填充于閉口薄壁部分1之外，人工假體外輪廓之內(nèi)；所述的閉口薄壁部分1上設(shè)有排出閉口薄壁部分1內(nèi)部殘留粉末的小通孔3，小通孔3直徑范圍為500μm-2mm。

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(jié)構(gòu)，在有限元分析中，根據(jù)所采用的材料，為閉口薄壁部分1賦予彈性模量，為緩沖結(jié)構(gòu)2賦予彈性模量為0，通過(guò)有限元分析模擬待選中空緩沖結(jié)構(gòu)植入后的應(yīng)力分布；閉口薄壁部分1所受最大應(yīng)力σ_max滿足安全條件：

其中，[σ]為中空緩沖結(jié)構(gòu)所采用的材料的屈服強(qiáng)度，N為安全系數(shù)，最小值為1。

如圖3所示，所述的緩沖結(jié)構(gòu)2通過(guò)三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)來(lái)構(gòu)建，三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的相對(duì)密度的變化范圍為20-80％，三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)2中，三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的相對(duì)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)2與閉口薄壁部分1接觸的三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)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(guò)該支柱的長(zhǎng)度。

所述的用于人工假體的中空緩沖結(jié)構(gòu)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(fù)合材料，采用增材制造技術(shù)一體化制造。

下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)描述。

實(shí)施例1，具有中空緩沖結(jié)構(gòu)的人工髖關(guān)節(jié)股骨柄：如圖4和圖5所示，該人工髖關(guān)節(jié)股骨柄主要包括頸部實(shí)體部分4和中空緩沖部分5，其中中空緩沖部分5包括閉口薄壁部分1和緩沖結(jié)構(gòu)2。閉口薄壁部分1為封閉中空結(jié)構(gòu)，位于人工髖關(guān)節(jié)股骨柄內(nèi)部，被緩沖結(jié)構(gòu)2包裹；緩沖結(jié)構(gòu)2由三維網(wǎng)格狀的多孔結(jié)構(gòu)組成，填充于閉口薄壁部分1之外，人工髖關(guān)節(jié)股骨柄外輪廓之內(nèi)。在閉口薄壁部分1的頂端有小通孔3，小通孔3直徑為1mm，與人工髖關(guān)節(jié)股骨柄的定位孔相連，起到排出閉口薄壁部分1內(nèi)部殘留粉末的作用。

在有限元軟件ABAQUS(6.12，Simulia，法國(guó))中建立k個(gè)(k>1)待選人工髖關(guān)節(jié)股骨柄模型，編號(hào)為1～k，這些待選人工髖關(guān)節(jié)股骨柄模型的外輪廓完全相同而具有不同形狀和厚度的閉口薄壁部分1；在有限元前處理中，為待選人工髖關(guān)節(jié)股骨柄模型的閉口薄壁部分1賦予彈性模量為110GPa，即醫(yī)用鈦合金的彈性模量，為待選人工髖關(guān)節(jié)股骨柄模型的緩沖結(jié)構(gòu)2賦予彈性模量為0；將這k個(gè)待選人工髖關(guān)節(jié)股骨柄模型在ABAQUS中與股骨模型裝配，形成股骨柄-股骨有限元模型；參照股骨周圍的力學(xué)環(huán)境為股骨柄-股骨有限元模型施加載荷和邊界條件，并提交計(jì)算；在股骨柄-股骨有限元模型計(jì)算得到的計(jì)算結(jié)果中，根據(jù)公式(1)計(jì)算第i個(gè)(1≤i≤k)待選人工髖關(guān)節(jié)股骨柄模型的閉口薄壁部分1的安全系數(shù)N_i：

其中[σ]＝800MPa，為醫(yī)用鈦合金的屈服強(qiáng)度。在滿足N_i>3的待選人工髖關(guān)節(jié)股骨柄模型中，取安全系數(shù)N_i最小的待選人工髖關(guān)節(jié)股骨柄模型為選定人工髖關(guān)節(jié)股骨柄模型。

緩沖結(jié)構(gòu)2填充于選定人工髖關(guān)節(jié)股骨柄模型的閉口薄壁部分1之外，外輪廓之內(nèi)，通過(guò)三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)來(lái)構(gòu)建，緩沖結(jié)構(gòu)2的相對(duì)密度從內(nèi)到外的變化范圍為70-30％，緩沖結(jié)構(gòu)2的三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的支柱的截面尺寸的變化范圍為2mm-0.5mm，緩沖結(jié)構(gòu)2在人工髖關(guān)節(jié)股骨柄最外層形成的孔徑范圍為200μm-400μm，緩沖結(jié)構(gòu)2和閉口薄壁部分1接觸的三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的支柱與閉口薄壁部分1的外表面之間有圓角，圓角尺寸為1mm。

具有中空緩沖結(jié)構(gòu)的人工髖關(guān)節(jié)股骨柄選用的材料為醫(yī)用鈦合金材料，采用激光選區(qū)熔化技術(shù)一體化制造。

實(shí)施例2：具有中空緩沖結(jié)構(gòu)的的脛骨托盤：如圖6和圖7所示，該脛骨托盤包括托盤實(shí)體部分6和中空緩沖部分5，其中中空緩沖部分5包括閉口薄壁部分1和緩沖結(jié)構(gòu)2。閉口薄壁部分1為封閉中空結(jié)構(gòu)，位于脛骨托盤下部，被緩沖結(jié)構(gòu)2包裹；緩沖結(jié)構(gòu)2由三維網(wǎng)格狀的多孔結(jié)構(gòu)組成，填充于閉口薄壁部分1之外，脛骨托盤外輪廓之內(nèi)。在閉口薄壁部分1的頂端有小通孔3，小通孔3直徑為1mm，位于脛骨托盤底部中心，起到排出閉口薄壁部分1內(nèi)部殘留粉末的作用。

脛骨托盤的閉口薄壁部分1的形貌為沿脛骨托盤中軸線7展開(kāi)的回轉(zhuǎn)體，脛骨托盤的閉口薄壁部分1的徑向厚度t和其內(nèi)壁與其軸線的距離r的大小通過(guò)以下方法確定：

1)具有中空緩沖結(jié)構(gòu)的脛骨托盤的外表面到閉口薄壁部分1的脛骨托盤中軸線7的最小距離為R＝8mm，則閉口薄壁部分1的徑向厚度t和其內(nèi)壁與脛骨托盤中軸線7的距離r取值范圍為1～8mm，設(shè)取值間隔s為1mm。在0-8mm的范圍內(nèi)，每間隔1mm，為閉口薄壁部分1的徑向厚度t和其內(nèi)壁與脛骨托盤中軸線7的距離r確定待選值；

2)在所有閉口薄壁部分1的徑向厚度t和其內(nèi)壁與脛骨托盤中軸線7的距離r的待選值中，選出所有滿足t+r<8mm的組合作為待選組合，待選組合總數(shù)為21個(gè)，編號(hào)為1～21；

3)根據(jù)待選組合的值，建立待選脛骨托盤模型，并將其導(dǎo)入有限元軟件ABAQUS中，為待選脛骨托盤模型的閉口薄壁部分1賦予彈性模量為110GPa，即鈷鉻鉬合金的彈性模量，為待選人工髖關(guān)節(jié)股骨柄模型的緩沖結(jié)構(gòu)2賦予彈性模量為0；將這21個(gè)待選脛骨托盤模型在ABAQUS中與脛骨模型裝配，形成脛骨托盤-脛骨有限元模型；參照膝關(guān)節(jié)周圍的力學(xué)環(huán)境為脛骨托盤-脛骨有限元模型施加載荷和邊界條件，并提交計(jì)算；在脛骨托盤-脛骨有限元模型得到的計(jì)算結(jié)果中，根據(jù)公式(1)計(jì)算第j個(gè)(1≤j≤21)待選脛骨托盤模型的閉口薄壁部分1的安全系數(shù)N_j

在滿足N_j>3的待選脛骨托盤模型中，取安全系數(shù)N_j最小的待選脛骨托盤模型為選定脛骨托盤模型。

緩沖結(jié)構(gòu)2填充于選定脛骨托盤模型的閉口薄壁部分1之外，外輪廓之內(nèi)，通過(guò)三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)來(lái)構(gòu)建，緩沖結(jié)構(gòu)2的相對(duì)密度從內(nèi)到外的變化范圍為60-30％，緩沖結(jié)構(gòu)2的三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的支柱的截面尺寸的變化范圍為2mm-0.5mm，緩沖結(jié)構(gòu)2在脛骨托盤最外層形成的孔徑范圍為200μm-400μm，緩沖結(jié)構(gòu)2和閉口薄壁部分1接觸的三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的支柱與閉口薄壁部分1的外表面之間有圓角，圓角尺寸為1mm。

具有中空緩沖結(jié)構(gòu)的脛骨托盤選用的材料為醫(yī)用鈦合金材料，采用激光選區(qū)熔化技術(shù)一體化制造。