技术领域
[0001] 本
发明涉及人工椎体结构技术领域，特别是一种3D打印自锁式解剖型人工椎体。
背景技术
[0002] 在原有的脊柱椎体的
切除手术中，医生通过植入机加工其原材料为金属或其他材料的人工椎体代替人体脊柱，恢复脊柱的重建，来获得患者脊柱功能的恢复。脊椎人工椎体主要用于椎体结核、椎体
肿瘤的病变。脊柱人工椎体见图1，图1为脊柱人工椎体示意图；包括上椎体和下椎体；常见的产品由
锻造钛合金材料加工完成，现有的人工椎体和钛笼产品多为锻造钛合金机加工，经零散件组装使用，这些产品的手术入路方式为前路手术，会造成患者内脏组织结构发生改变，不能使患者术后更好的恢复造成很大的困扰；植入人体后虽然恢复了
稳定性，但骨和骨不能完全融合，强度和
刚度上表现不佳，容易滑脱导致
治疗失败，相邻节段出现代偿性运动增加，导致该部位的应
力集中，
椎间盘退变
加速、椎间关节
应力增加，进而造成融合节段或相邻节段的椎管狭窄，继发性脊椎滑脱和假关节形成，特别在多节段脊椎融合固定中更明显。
[0003] 现有的产品都是医生、厂家根据手术经验把产品分为适用于大部分患者的产品型号，如在使用中发现产品与患者的病变不相符，医生会按照
假体的型号对患者脊柱进行破坏，这样会是患者脊柱功能下降。
发明内容
[0004] 本发明的目的是提出一种3D打印自锁式解剖型人工椎体；本人工椎体是通过3D打印人工椎体结构来代替原有脊柱人工椎体结构。
[0005] 本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
[0006] 本发明提供的3D打印自锁式解剖型人工椎体，包括上椎体和下椎体；所述上椎体和下椎体通过凸起与凹槽配合连接；所述上椎体和下椎体的表面设置有蜂窝状的骨小梁结构。
[0007] 进一步，所述上椎体和下椎体的
接触面设置有与椎体接触
位置符合脊柱的生理弧度。
[0008] 进一步，所述骨小梁结构为不规则立体网状结构。
[0009] 进一步，所述上椎体和下椎体为通过运用3D打印技术将钛合金粉末经过激光高温
烧结形成的一种蜂窝状的骨小梁型式的分体组合式人工椎体。
[0010] 进一步，所述上椎体和下椎体中间设置有一个通孔。
[0011] 进一步，所述上椎体和下椎体之间采用消防栓倒钩锁死结构，所述消防栓倒钩锁死结构包括上端帽和下端帽；
[0012] 所述上端帽的端面设置有凸起的圆柱，所述下端帽的端面设置有与圆柱匹配的凹槽，所述上端面的圆柱用于插入下端帽的凹槽中并旋转固定。
[0013] 本发明还提供了一种3D打印自锁式解剖型人工椎体制作工艺，具体包括以下步骤：
[0014] 1)通过患者的CT数据进行三维成像，对患者病变椎体及邻近节段解剖结构进行连续
断层扫描获得医学放射诊疗诊断设备Docom的医学数字标准数据；
[0015] 2)将CT扫描断层数据以Docom的格式导出，输入Mimics10.01的
软件，经图像
定位，
阈值分割，动态分割，每层图像经过选择性编辑和漏洞处理，去除冗余数据，平滑处理，最后经3D计算建立包含病椎邻近解剖结构的三维模型，结果以STL格式输出；
[0016] 3)计算病变椎体的高度、周径、前
后缘骨皮质的厚度、内部的空隙结构、上下相邻椎体的椎弓根宽度、高度、椎弓根轴线与椎体矢状面、横截面的夹
角；
[0017] 4)根据CT计算机辅助技术建立的三维模型；
[0018] 5)清洗：对不同产品需规定
水射流的不同入射角度，通过
工件的旋转和喷头变换角度以实现对工件的全方位清洗。
[0019] 进一步，所述4)步骤中的根据CT计算机辅助技术建立的三维模型，具体步骤如下：选择性激光熔融技术，对熔点高达1688±4°的钛金属塑形成多孔“蜂窝状”的人工椎体，其中，钛合金椎体的
弹性模量为3.25±1.08GPa,所述多孔“蜂窝状”人工椎体，空隙大小控制在100μm。
[0020] 进一步，所述清洗还包括采用
超声波震荡清洗。
[0021] 由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：
[0022] 本发明提供的人工椎体是将分体的两件3D打印的产品组合到一起使用，其原理根据消防栓的旋转锁死的结构，适用范围为脊柱肿瘤、脊柱结核等病症；用这种产品可以改为手术入路的方式为脊柱后路，并且两种产品组合到一起不会出现手术后的滑脱的现象，锁死效果更牢固。椎体长度可根据患者的病变高度、椎体接触位置进行加工，并且能控制椎体与椎体间角度大小，降低了沉降的发生率，增强稳定性，恢复脊柱前凸。通过蜂窝状的微孔结构，促进骨融合，提供最佳的脊柱生理机构稳定和承载能力，最终实现骨融合。
[0023] 本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的
说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
[0024] 本发明的附图说明如下。
[0025] 图1为脊柱人工椎体示意图。
[0026] 图2为3D打印整体的人工椎体。
[0027] 图3为3D打印自锁式解剖型人工椎体分解图。
[0028] 图4为3D打印自锁式解剖型人工椎体分解剖视图。
[0029] 图5为3D打印的人工椎体上端示意图。
[0030] 图6为人工椎体俯视图。
[0031] 图7为机加工形成的两个凸起和两个凹槽。
[0032] 图8网状为蜂窝状结构，其他为实体结构。
[0033] 图9为轴侧图。
[0034] 图10a表示规则且在多个方向上均有良好的目视贯通性的多孔的整体结构。
[0035] 图10b表示规则且在多个方向上均有良好的目视贯通性的多孔的正向通透效果。
[0036] 图10c表示规则且在多个方向上均有良好的目视贯通性的多孔的斜向通透效果。
[0037] 图11a表示不规则且目视通透性较差的多孔的整体结构。
[0038] 图11b表示不规则且目视通透性较差的多孔的正向通透效果。
[0039] 图11c表示不规则且目视通透性较差的多孔的斜向通透效果。
[0040] 图中，1为上椎体，2为下椎体，3为椎体主体，4为螺钉，5为蜂窝状，6为实体。
具体实施方式
[0041] 下面结合附图和
实施例对本发明作进一步说明。
[0042] 实施例1
[0043] 如图2所示，图2为3D打印整体的人工椎体；本实施例提供的人工椎体是将分体的两件3D打印的产品组合到一起使用，适用范围为脊柱肿瘤、脊柱结核等病症；运用这种产品可以改为手术入路的方式为脊柱后路，并且两种产品组合到一起不会出现滑脱的现象，组合使用更方便。
[0044] 本实施例提供的人工椎体是通过患者的CT数据进行三维成像，由
计算机辅助设计符合人体脊柱模型，并运用3D
打印机对脊柱椎体进行定制加工；长度可根据患者的病变高度、椎体接触位置进行加工，并且能控制椎体与椎体间角度大小，降低了沉降的发生率，增强稳定性，恢复脊柱前凸。
[0045] 3D打印的人工椎体的材料由符合ASTM F1580-12标准的Ti6Al4V钛合金粉末，这种材料既有良好的
生物相容性，可以长期植入人体，又有较好的抗疲劳性，术后也不影响MR检查；材料粉末经激光高温烧结、淬火，形成蜂窝形状，这种椎体能被制成蜂窝状的微孔结构，类似人体骨头中的骨小梁，有了这种骨小梁，相邻正常脊椎的骨细胞可以长入其中，侧面蜂窝孔状便于周围血管长入，促进骨融合，提供最佳的脊柱生理机构稳定和承载能力，最终实现骨融合。
[0046] 3D打印的椎体主体，表面为蜂窝状的骨小梁结构；骨小梁是骨皮质在松质骨内的延伸部分，即骨小梁与骨皮质相连接，在骨髓腔中呈不规则立体网状结构，如丝瓜络样或海绵状，起支持造血组织的作用，有了这种结构使骨组织不断生长和改建，以适应所在部位功能上的需要；组合式的椎体适用于做后路手术脊神经不被破坏，在上下棘突与棘突之间进行放置椎体；椎体上下面可根据椎体的角度进行打印，使产品与椎体接触位置符合脊柱的生理弧度，重建后的椎体重要的生理功能，即恢复脊柱生理高度、应力传导和分布，恢复脊柱功能；
[0047] 椎体主体上有四个可以拧螺钉的
螺纹孔，孔的角度为35°，螺钉为
自攻螺钉，作用是固定在上下两个椎体间。
[0048] 椎体中间设计有一个通孔，目的是植入碎骨，充分能使骨和骨愈合涨入椎体，从而实现真正的骨和骨之间融合；
[0049] 椎体内部结构由三条筋连接，并且椎体周围用六根实体的圆柱体进行打印，经过采用力学压力机进行反复压缩实验，这种结构的零件压缩刚度数值远远高于无连接筋和实体圆柱的零件，这样使椎体在人体脊柱承受的压力更大，保证椎体不被塌陷；
[0050] 椎体边缘位置进行实体打印，在对零件进行压缩实验时发现，椎体边缘未进行实体打印的零件出现了掉渣和磨损的现象，而边缘采用实体打印的零件没发生任何损伤的情况发生，实体打印在接触受力时为面接触，受力均匀，而3D打印蜂窝状的接触为点接触，受力不均匀，导致磨损和掉渣；
[0051] 本实施例提供的上下两个椎体组合是按照消防栓倒钩锁死的结构演
变形成，这种结构能使脊柱受力的情况下上下两个椎体不会脱出，防止
脊柱手术后重建失败。所述上椎体和下椎体之间采用消防栓倒钩锁死结构，所述消防栓倒钩锁死包括上端帽和下端帽；所述上端帽的端面设置有凸起的圆柱，所述下端帽的端面设置有与圆柱匹配的凹槽，所述上端面的圆柱用于插入下端帽的凹槽中并旋转锁死。
[0052] 所述上端帽设置有两个凸起的圆柱，所述下端帽的端面底部设置有与两个圆柱配合的两个凹槽结构，当上端面的两个凸起的圆柱插入下端面的凹槽中并按顺
时针的方向旋转，直至不能旋转为止。
[0053] 实施例2
[0054] 本实施例提供的人工椎体通过3D打印；人工椎体的材料由钛合金粉末，经激光高温烧结、淬火，形成蜂窝形状，这种椎体的特殊之处在于，能被制成蜂窝状的微孔结构，类似人体骨头中的骨小梁，有了这种骨小梁，相邻正常脊椎的骨细胞可以长入其中，最终实现骨融合。
[0055] 骨小梁是骨皮质在松质骨内的延伸部分，即骨小梁与骨皮质相连接，在骨髓腔中呈不规则立体网状结构，如丝瓜络样或海绵状，起支持造血组织的作用，有了这种结构使骨组织不断生长和改建，以适应所在部位功能上的需要。这种金属为多孔连通，为体液在多孔
植入物内部的转运提供了可能性，这个过程能激活骨组织的涨入，从而引起高度多孔金属植入物的发展，多孔设计一方面改善植入物和骨组织的相容性，另一方面促进玻连蛋白和纤连蛋白在合金表面和内部的沉积，而BMP-2和纤连蛋白能提高钛合金表面的细胞的粘附，从而增加骨细胞的粘附、增殖、分化，同时骨组织在空隙内的生长能加强植入材料和骨骼之间的力学稳定性。
[0056] 运用3D打印技术将钛合金粉末经过激光高温烧结，形成一种蜂窝状的骨小梁形式的分体组合式人工椎体，这种组合的形式从消防栓组合结构的构思，由上下两个椎体通过两个凸起与凹槽配合后，通过椎体上的小孔旋转，使两个椎体组合，这种蜂窝倒钩式型式的椎体结构可以替代因脊柱病变切除椎体的患者，使患者脊柱椎体骨和骨进行连接并涨入，促进骨融合，从而恢复脊柱的功能。新产品为
骨长入型产品，适用于进行
脊柱融合术时
支撑脊柱，提供即刻稳定性，支持正常的骨性融合过程，适用部位为胸腰椎。
[0057] 如图5至图8所示，图5为3D打印的人工椎体上端，经过激光烧结，
退火；图6为俯视看到6根实体加强筋，作用是保证椎体的压缩强度；图7为机加工形成的两个凸起和两个凹槽；图8网状为蜂窝状结构，其他为实体结构；图9为轴侧图。
[0058] 本实施例的制作工艺具体步骤如下：
[0059] 首先用
3D打印机按照三维图样式打印，网状为打印的蜂窝，其他为实体；
[0060] 2)用加工中心进行对零件的实体进行加工；
[0061] 3)用
抛光机对加工的位置进行抛光，作用是使表面接触的位置
摩擦力减小；
[0062] 4)清洗，分为粗洗和精洗两个步骤，再用
超声波清洗机对零件进行清洗，使零件蜂窝内部残留的钛合金粉末进行震落。
[0063] 所述3D打印自锁式解剖型人工椎体制作工艺，具体包括以下步骤：
[0064] 1)通过患者的CT数据进行三维成像，就是对患者病变椎体及邻近节段解剖结构进行连续断层扫描获得其Docom(医学放射诊疗诊断设备)医学数字标准数据，其中扫描厚为1mm，
电压120kv；
[0065] 2)将CT扫描断层数据以Docom的格式导出，输入Mimics10.01的软件，经图像定位，阈值分割(一种基于区域的
图像分割技术)，动态分割，每层图像经过选择性编辑和漏洞处理，去除冗余数据，平滑处理，最后经3D计算建立包含病椎邻近解剖结构的三维模型，结果以STL格式输出；
[0066] 3)计算病变椎体的高度、周径、前后缘骨皮质的厚度、内部的空隙结构、上下相邻椎体的椎弓根宽度、高度、椎弓根轴线与椎体矢状面、横截面的夹角；
[0067] 4)根据CT计算机辅助技术建立的三维模型，以选择性激光熔融技术，对熔点高达1688±4°的钛金属塑形成多孔“蜂窝状”的人工椎体，其中，钛合金椎体的弹性模量为(3.25±1.08)GPa,所述多孔“蜂窝状”人工椎体，其空隙大小控制在100μm。
[0068] 5)清洗：
[0069] ①高压水冲击清洗
[0070] 在冲击清洗的过程中，针对不同产品需规定水射流的不同入射角度，通过工件的旋转和喷头变换角度以实现对工件的全方位清洗，从而避免喷射压力不均匀和清洗盲区，以进一步清除多孔网格内残余的少量游离
金属粉末颗粒。
[0071] ②超声波震荡清洗
[0072] 由于超
声换能器频率与
波长成反比，波长大小与气泡直径大小有关，而气泡直径与其气泡冲击能力有关。通常频率低，波长大，气泡直径大，内部冲击能力高。生产企业应确定适宜频率的超声换能器，以进一步清除极少量的残余粉末。
[0073] 常见的3D打印多孔结构有两种，一种是规则且在多个方向上均有良好的目视贯通性的多孔结构(如图10a-c所示)，图10a-c为规则且在多个方向上均有良好的目视贯通性的多孔结构图，10a表示规则的整体结构，10b表示规则的正向通透效果，10c表示规则的斜向通透效果；如
椎间融合器、椎体假体、骨缺损填充物等有较大厚度的多孔结构；另一种是不规则且目视通透性较差的多孔结构(如图11a-c所示)，图11a-c为不规则且目视通透性较差的多孔结构图，11a表示不规则的整体结构，11b表示不规则的正向通透效果，11c表示不规则的斜向通透效果；通常为厚度较小的多孔层或者无需彻底通透的产品多孔表面，如髋臼杯外侧骨结合界面(其基底是实体金属)，此类结构厚度一般不超过目视通透深度。
[0074] 最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行
修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的保护范围当中。
