[发明专利]仿生多孔梯度人工髋关节基体的设计方法

说明书

本发明涉及一种仿生多孔梯度人工髋关节基体的设计方法。该方法基于低密度区、中密度区和高密度区三种基本单元，分别构建具有有序多孔梯度特性的低密度区、中密度区和高密度区，通过三种单元的组合构建人工髋关节模型的基体部分。该方法以具有多孔梯度特性的骨关节基体为仿生模板，通过对具有不同结构、密度特性的三种基本单元的排列方式和空间布局进行仿生设计，可获取与未置换前的骨关节力学性能较为接近的仿生人工髋关节基体，可以有效避免以往人工关节置换术中的无菌性松动并发症，提高人工关节的服役寿命和可靠性。

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，特别涉及一种仿生多孔梯度人工髋关节基体的设计方法。

背景技术

髋关节是人体内承受重量的最大关节之一，它的结构与人体力学性能密切相关，并在很大程度上决定着人的行为和运动。正因为髋关节的重要性，人工髋关节是最先被研究的人工关节。自上世纪六十年代，金属股骨头与超高分子聚乙烯髋臼组成的人工髋关节和骨水泥固定技术的出现，使得人工髋关节开始在临床上大规模应用。

人工髋关节植入人体后，其服役时间不仅取决于人工髋关节自身的性质，也受到人工髋关节植入区域附近的骨组织的影响。人工髋关节附近的骨组织在其植入后，进行着复杂的骨重建过程。骨重建过程十分复杂，不仅受遗传、激素、细胞和生长因子等生物学因素影响，更是受到力学因素的调控。力学因素对骨的生长、发育和退化过程中起着重要的作用。在多种力学因素中，应力和应变对骨的生长、重建和愈合起着直接的作用。骨骼的变化是具有一定适应性的，骨骼在应对外界影响的过程中，骨骼的内部结构也会发生改变，并带来骨密度、强度以致弹性模量的改变。骨的组织生长和机械应力处于一种动态的生理平衡状态，在一定的应力范围内，骨质的增长和吸收是平衡的。

根据临床资料显示，金属材质的人工髋关节在临床应用的过程中，股骨存在骨量丢失的现象，这种现象在股骨近端尤为显著。经研究发现，骨质丢失源于应力遮挡。应力遮挡出现的原因是金属材料的弹性模量远大于骨材料的弹性模量。人工髋关节植入后，虽然没有改变股骨总体的应力模式，但是降低了在股骨近端的人工髋关节假体周围的骨质的应力水平，使得破骨细胞活动强于成骨细胞，造成了骨溶解。

发明内容

本发明的目的在于提供一种仿生多孔梯度人工髋关节基体的设计方法，尽可能避免现有的标准化人工关节造成因应力遮挡效应造成的无菌性松动。这种设计方法是根据骨生长的需要，并参考股骨中不同部位的密度、弹性模量不同和骨材料力学性能具有各项异性的情况。设计与之相匹配的人工髋关节，并通过3D打印方法进行制造。这种人工髋关节能够更好的实现与患者病损部位的个性化匹配，实现力学功能的最大修复。用仿生多孔结构模拟骨力学性能的方法设计人工髋关节，可有效减少应力遮挡效应，避免因无菌性松动造成的人工髋关节失效。用这种设计方法设计出的人工髋关节的服役寿命可明显提高，减轻了患者因二次置换而造成的痛苦并避免了二次手术可能带来的风险。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

仿生多孔梯度人工髋关节基体的设计方法，包括以下的步骤：

步骤（1）根据临床的实际需求和患者实际病损关节的情况，虑及病损关节的几何特性、骨模量和失效机理，优选仿生人工髋关节的仿生模本、基体材料和增材制造制备工艺；

步骤（2）通过CT或MRI影像数据获取患者的病损关节断层扫描数据，对其进行图像处理和几何建模，如临床上有需要，则可先通过3D打印技术制作出骨关节的模型；并通过有限元分析软件对其进行力学分析，得到应力、应变分布情况；

步骤（3）以具有多孔梯度特性的骨关节基体为仿生模板，对仿生人工髋关节进行多孔梯度设计，分别构建具有有序多孔梯度特性的低密度区、中密度区和高密度区，模拟因表层骨密质向内部骨松质的结构性差异引起力学性能差异，构建具有可控有序梯度特性的关节基体杨氏模量和孔隙率，实现表层高模量低空隙和内部低模量高空隙的梯度设计；