[发明专利]一种可变模量的个性化股骨柄假体及制造方法

说明书

本发明公开了一种可变模量的个性化股骨柄假体及制造方法，该个性化股骨柄假体不仅仅在形状上满足个性化股骨髓腔的要求，而且根据其受力分析对其个性化外形主体结构进行拓扑优化，获得空间主体架构，通过梯度自由贯通的多孔结构包络主体架构，外形上与股骨髓腔形状匹配。梯度自由贯通多孔结构的变化依据股骨柄接触面、股骨柄受力及弹性模量匹配等多种约束进行设计，实现空间上可变模量，个性化股骨柄假体采用激光选区熔化方式制备，在清洗消毒后，填充诱导骨生长可降解羟基复合材料，封装消毒备使用。

技术领域

本发明属于金属3D打印个性化髋臼股骨柄假体领域，尤其是涉及到一种可变模量的个性化股骨柄假体及制造方法。

背景技术

目前金属植入体假体，其重量比较重，弹性模量远高于骨本身，且与骨结合相对比较难，易产生微动，因此植入假体多采用骨水泥固定，目前也有部分假体开始采用生物型多孔假体，但是其形式相对比较单一，部分要求上无法满足实际应用要求。

人体中松质骨的弹性模量为1.3GPa，密质骨的弹性模量为18GPa，而股骨柄假体所使用的材料大多为钛及其合金等，它们的弹性模量大致在100GPa～200GPa范围内，远远大于人体骨胳的弹性模量，弹性模量过高会使得股骨柄假体的力学性能无法与骨相互匹配，从而导致股骨柄假体的松动。股骨柄植入人体一段时间后，弹性模量过高的股骨柄假体近端会产生应力屏蔽效应，根据Wolf骨重建定律，股骨会根据应力所处环境再次分布应力，应力的再次分布会导致骨内矿物质密度减少，使得股骨本体近端缺乏有效支撑而造成股骨柄假体的松动，最终影响股骨柄假体的使用寿命。

根据Gibson模型，弹性模量与多孔结构有关，因此，为了避免股骨柄本体假体的松动，可以根据股骨密度分布情况，利用多孔结构设计股骨柄假体，从而减少股骨柄假体的松动，增加其使用寿命。

发明内容

为解决股骨柄假体应力屏蔽效应，本发明提供一种可变模量的个性化股骨柄假体，该个性化股骨柄假体不仅仅在形状上满足个性化股骨髓腔的要求，而且经过个性化外形设计、主体架构受力优化、多孔结构自由填充等设计，使得假体等效股骨弹性模量，且具有防止下沉、松动和扭转的特点。为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明一种可变模量的个性化股骨柄假体，包括股骨柄头部、颈部和仿髓腔体，所述仿髓腔体外部与骨髓腔匹配，内部设有拓扑优化的空间主体架构以及填充空间结构的多孔结构，所述可变模量的个性化股骨柄假体通过激光选区熔化方式制备，假体消毒后，填充诱导骨长入可降解羟基复合材料；

根据患者CT/MRI医学影像数据，利用影像灰度值区分进行遮掩，遮掩部分叠层形成三维股骨近端模型，对股骨近端受力分析与骨质分析完成后，设计股骨柄头部、并结合根据医学影像重建三维模型设计颈部；

利用医学影像重建三维模型，通过布尔运算设计股骨柄仿髓腔体，并根据仿髓腔体受力分析，拓扑优化设计仿髓腔体的空间主体架构；

根据空间主体架构与骨髓腔接触部分不同区域的骨质情况，设计与其弹性模量匹配的多孔结构，并填充对应空间主体架构区域。

在植入前，仿髓腔体中的多孔结构内部可填充羟基磷灰石生物材料以及相应的药物缓释生物材料，促进防止感染同时促进骨细胞长入。

作为优选的技术方案，所述股骨柄整体空间架构是在个性化股骨柄实体模型上，经过受力拓扑优化获得的空间复杂的主体架构。

作为优选的技术方案，所述股骨柄为生物型，采用可变模量的自由贯通多孔结构形成与患者髓腔相匹配的个性化股骨柄外形。

作为优选的技术方案，所述主体架构截面最长长度100μm-1000μm，孔隙100μm-1000μm。

作为优选的技术方案，多孔结构呈现可连续变化，股骨柄假体近端至股骨远端的多孔结构最小尺寸单元是先逐渐递减再逐渐递增，股骨柄假体近端和远端内侧至外侧的多孔结构最小尺寸单元从逐渐递增的趋势。