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一种基于选区激光 熔化技术的个性化节段骨 植入物的设计和制备方法

阅读：60发布：2020-05-12

专利汇可以提供一种基于选区激光熔化技术的个性化节段骨植入物的设计和制备方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提供了一种基于选区激光熔化技术的个性化节段骨植入物的设计和制备方法，根据患者特征及需求，结合CT扫描结果，运用计算机辅助技术设计节段骨植入物规律梯度多孔结构模型；将模型数据导入有限元分析软件，采用有限元方法对其进行生物力学分析，根据生物力学分析结果进行植入物模型优化，在模型内部设计提高强度的加强筋结构；在模型表面层设计减小应力集中的过渡弧结构；设计起固定作用的圆柱孔结构。通过快速成型辅助软件将优化后的模型切片分层、扫描路径规划和扫描参数设置等，将加工数据导入金属选区激光熔化成型设备中完成打印，最终获得具有加强筋、过渡弧和固定孔的规律梯度多孔节段骨植入物。，下面是一种基于选区激光熔化技术的个性化节段骨植入物的设计和制备方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于选区激光熔化技术的个性化节段骨植入物的设计和制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
初步模型建立：根据患者特征和需求，结合CT扫描结果，通过逆向工程软件进行三维模型重建，运用计算机辅助技术设计不同孔隙形状、孔径大小、孔棱尺寸和孔隙率的节段骨植入物规律梯度多孔结构模型；
模型结构优化：将设计的规律梯度多孔结构模型数据导入有限元分析软件，采用有限元方法对其进行生物力学分析，根据生物力学分析结果进行植入物设计优化，在规律梯度多孔结构模型内部设计提高强度的加强筋结构，在规律梯度多孔结构模型表面层设计减小应力集中的过渡弧结构，设计起固定作用的圆柱孔结构；
选区激光熔化成型：将优化后的节段骨植入物的规律梯度多孔模型数据导入快速成型辅助软件中，根据模型不同部位（加强筋、过渡弧和锐角处等）的特征，进行切片分层、扫描路径规划和扫描参数设置等，在金属选区激光熔化成型设备中完成打印，最终获得具有加强筋、过渡弧和固定孔的规律梯度多孔节段骨植入物；
后处理：SLM成型的节段骨植入物经过热处理和酸洗处理后，消毒备用。
2.根据权利要求1所述的一种基于选区激光熔化技术的个性化节段骨植入物的设计和制备方法，其特征在于，所述规律梯度多孔结构个性化节段骨植入物的多孔结构的基本单元为立方结构、金刚石结构、变异八面体结构、菱形十二面体结构和球形结构等。
3.根据权利要求1所述的一种基于选区激光熔化技术的个性化节段骨植入物的设计和制备方法，其特征在于，所述的多孔结构中的孔径大小为200～1500μm，孔棱尺寸为200～
300μm，孔隙率在45%～85%之间变化。
4.根据权利要求1所述的一种基于选区激光熔化技术的个性化节段骨植入物的设计和制备方法，其特征在于，所述的SLM成型所需原材料包括纯钛、钛合金、不锈钢、钴铬合金和纯钽等生物医用金属粉末。
5.根据权利要求1所述的一种基于选区激光熔化技术的个性化节段骨植入物的设计和制备方法，其特征在于，所述的加强筋的直径为0.3～2.0mm。
6.根据权利要求1所述的一种基于选区激光熔化技术的个性化节段骨植入物的设计和制备方法，其特征在于，所述的过渡弧的直径为0.5～1.5mm。
7.根据权利要求1所述的一种基于选区激光熔化技术的个性化节段骨植入物的设计和制备方法，其特征在于，所述的圆柱孔的直径为0.5～1.5mm。
8.根据权利要求1所述的一种基于选区激光熔化技术的个性化节段骨植入物的设计和制备方法，其特征在于，所述激光工艺参数为铺粉层厚为20μm～40μm、功率为100W～180W、扫描速度为600mm/s～1400mm/s、扫描间距为50μm～100μm。

说明书全文

一种基于选区激光 熔化技术的个性化节段骨 植入物的设计和

制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种个性化节段骨植入物的方法，特别是涉及一种基于选区激光熔化技术的个性化节段骨植入物的设计和制备方法。

背景技术

[0002] 目前临床上对骨缺损的治疗方式有自体或同种异体骨移植和人工骨移植等。前者虽然排斥小恢复快但原材料采集复杂且骨来源有限，会造成二次创伤，影响修复效果；人工骨移植不存在骨源不够问题，然而却难以与人体骨组织高强度结合，生物力学性能与骨的匹配性较差，对骨缺损患者而言，传统的致密结构和均一孔结构很难满足对植入物的最佳力学和生物学性能要求，因此，需要对植入物多孔结构进行改进。多孔结构较为复杂，传统工艺很难达到其精度要求，数字化影像技术、计算机辅助技术和增材制造技术的快速发展和紧密结合，为个性化节段骨缺损植入物的制备提供了有效途径。另外，多孔个性化植入物在植入过程中，由于个别部位应力集中、整体强度不够，容易产生疲劳裂纹，发生断裂，这些问题亟待解决。

[0003] 本发明设计和制备的带有加强筋、过渡弧和固定孔的规律梯度多孔结构植入物，有效提高植入物整体强度，减少植入物与骨组织之间应力遮挡的发生，不仅在力学性能和生物学性能方面有明显优势，而且减少患者治疗痛苦，提高最终修复效果。

发明内容

[0004] 本发明的目的之一在于提供一种由上述方法设计和制备而得的规律梯度多孔结构个性化节段骨植入物，由于其多孔结构的优势，能够在降低植入物弹性模量的同时，有利于骨组织长入。

[0005] 本发明的第二目的在于提供一种含有加强筋的规律梯度多孔结构个性化节段骨植入物，能明显提高节段骨植入物整体强度，避免发生断裂现象。

[0006] 本发明的第三目的在于提供一种含有过渡弧的规律梯度多孔结构个性化节段骨植入物，能明显减少植入物锐角及尖端区的应力集中，有效减少疲劳裂纹发生和应力遮挡的情况。

[0007] 本发明的目的之四在于提供一种含有固定孔的规律梯度多孔结构个性化节段骨植入物，有效增强植入物和骨组织的结合。

[0008] 本发明的目的之五在于提供一种规律梯度多孔结构个性化节段骨植入物的设计和制备方法，该设计和制备方法可以满足节段骨缺损患者对植入物的个性化要求，实现规律梯度多孔结构节段骨植入物的快速个性化制造。

[0009] 本发明提出了一种基于选区激光熔化技术的个性化节段骨植入物的设计和制备方法，包括以下步骤：初步模型建立：根据患者特征和需求，结合CT扫描结果，通过逆向工程软件进行三维模型重建，运用计算机辅助技术设计不同孔隙形状、孔径大小、孔棱尺寸和孔隙率的节段骨植入物规律梯度多孔结构模型；
模型结构优化：将设计的规律梯度多孔结构模型数据导入有限元分析软件，采用有限元方法对其进行生物力学分析，根据生物力学分析结果进行植入物设计优化，在规律梯度多孔结构模型内部设计提高强度的加强筋结构，在规律梯度多孔结构模型表面层设计减小应力集中的过渡弧结构，设计起固定作用的圆柱孔结构；
选区激光熔化成型：将优化后的节段骨植入物的规律梯度多孔模型数据导入快速成型辅助软件中，根据模型不同部位（加强筋、过渡弧和锐角处等）的特征，进行切片分层、扫描路径规划和扫描参数设置等，在金属选区激光熔化成型设备中完成打印，最终获得具有加强筋、过渡弧和固定孔的规律梯度多孔节段骨植入物；
后处理：SLM成型的节段骨植入物经过热处理和酸洗处理后，消毒备用。

[0010] 本申请一种基于选区激光熔化技术的个性化节段骨植入物的设计和制备方法的有益效果包括：由此方法获得的植入体尺寸精度高、致密度高，能满足植入人体的力学性能和生物学性能要求。植入物的规律梯度多孔结构的设计，有利于骨组织长入，生物相容性更好。加强筋结构使植入物整体强度提高，抗压能力增强，避免发生断裂现象。过渡弧结构有效改善植入物尖端、锐角处的应力集中，减少疲劳裂纹发生和应力遮挡的情况。固定孔结构有效增强植入物和骨组织的结合。
附图说明

[0011] 现在将仅举例且参考附图描述本发明的优选实施方式。

[0012] 图1是植入物的模型图。

[0013] 图2是植入物的实物图，其中1为加强筋，2为过渡弧，3为固定孔。

具体实施方式

[0014] 以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清晰、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。

[0015] 本发明首先对患处进行CT扫描，获取基于患者骨骼的标准医学图像扫描原始数据，进行患处修复方案，确定植入物的总体轮廓；根据具体骨结构形状、位置等信息，采用AutoCAD软件设计植入物多孔结构模型，设定具体结构所对应的孔隙形状、孔径尺寸、孔棱大小及孔隙率。上述孔结构的基本单元为立方体结构，孔隙率从最外层的80%到最里层的40%呈递减规律变化。

[0016] 进一步通过Ansys等有限元分析软件对多孔结构进行受力分析，进一步优化已构建模型。根据受力分析结果，通过在模型内部设计加强筋1，每间隔60°设计一条厚度为0.6mm的加强筋1，最终试验结果表明，屈服强度提高28%。在易发生应力集中处，通过在模型表面层设计过渡弧2，设计直径为1.0mm的过渡弧2，减小等效应力。根据植入物和骨组织的结构、位置，设计直径为1.0mm的圆柱固定孔3，增加两者的结合。

[0017] 采用Magics软件对优化后模型进行分层设计、扫描路径规划和扫描参数设置等：根据所加工植入物结构对精度和致密度的要求设定铺粉层厚为25μm、扫描速度为1200mm/s和扫描间距为70μm的最佳优化组合，并根据具体结构选择特定的扫描策略，将上述加工程序导入金属选区激光熔化成型设备，在Ar气保护下，最终打印成型规律梯度多孔纯钛节段骨植入物。

[0018] 最后对成型植入物进行包括热处理和酸洗处理等表面处理工作，去除热应力和残余粉末，促使骨组织与植入物的更好结合，提高植入物的长期稳定性，最终获得高性能、高生物活性和高质量的个性化节段骨植入物。

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