一种基于3D打印的仿生多孔人工椎体制备方法技术

本发明专利技术提供了一种基于3D打印的仿生多孔人工椎体制备方法，包括：1、构建脊柱的有限元模型；2、将构建的有限元模型进行模拟生物力学实验；3、根据人工椎体所承受的应力分布，调整人工椎体尺寸或位置，得到最符合脊柱生物力学的人工椎体模型；4、利用3D打印技术，使用PEEK材料打印步骤3设计的人工椎体模型，将人工椎体与上下椎体接触的表面打印成有利于骨长入的多孔结构。本发明专利技术分析人工椎体所承受的应力分布，使人工椎体符合脊柱生物力学要求，保证使用的融合性、可靠性以及稳定性；采用高性能聚合物材料聚醚醚酮(PEEK)进行3D打印，生物力学匹配性良好、对影像学检查无干扰，个性化定制，符合生物力学要求。

A preparation method of bionic porous artificial vertebral body based on 3D printing

【技术实现步骤摘要】
一种基于3D打印的仿生多孔人工椎体制备方法
本专利技术涉及脊柱椎体重建
，特别涉及一种基于3D打印的仿生多孔人工椎体制备方法。
技术介绍
目前在脊柱手术中，对于脊柱疾病需要切除椎体的患者，填补缺损椎体使用的大多是钛合金钛笼+自体骨或异体骨，但常规需要填充同种异体骨或自体骨才能在后期实现骨性融合，同种异体骨价格昂贵，而且可能出现排斥反应，自体骨又需要二次手术操作取髂骨，并可能造成伤口并发症及后遗症等问题。即便是3D打印的人工椎体，大多数都是由钛合金等金属材料制成，但金属材料存在弹性模量不匹配、应力遮挡及对影像学检查干扰等问题。申请号201710995804.3的专利公开了一种3D打印个性化定制人工椎体及其制备方法。本专利技术对缺损椎体行术前CT扫描建立三维模型，通过优化设计，打印出3D多孔仿生个体化脊柱椎体，并通过生物活性处理提高其生物相容性。但是，其建立三维模型后并没有进行模拟生物力学实验，没有将实体力学检测与生物力学分析相结合，因此，打印出的椎体不能很好符合脊柱生物力学要求。
技术实现思路
(一)解决的技术问题本专利技术的目的在于提供一种基于3D打印的仿生多孔人工椎体制备方法，以解决现有的3D打印人工椎体制备方法没有进行模拟生物力学实验，没有将实体力学检测与生物力学分析相结合，因此打印出的椎体不能很好符合脊柱生物力学要求的问题。(二)技术方案为实现上述基于3D打印的仿生多孔人工椎体制备方法解决现有的3D打印人工椎体制备方法没有进行模拟生物力学实验，没有将实体力学检测与生物力学分析相结合，因此打印出的椎体不能很好符合脊柱生物力学要求的问题，本专利技术提供如下技术方案：一种基于3D打印的仿生多孔人工椎体制备方法，包括以下步骤：步骤1、获取病人的脊柱CT数据，利用有限元分析的方法，建立脊柱的三维数字模型，对生成的三维数字模型进行网格化，得到网格化几何模型，将网格化几何模型结合脊柱的解剖结构，构建脊柱的有限元模型；步骤2、将构建的有限元模型进行模拟生物力学实验，分析脊柱模型在正常压应力、旋转应力、屈伸应力及侧方弯曲应力状态下的数据，分析椎体及椎间盘的应力情况；步骤3、按照椎体切除后脊柱缺损范围，设计人工椎体，模拟预定手术方式，完成脊柱重建手术，再次分析脊柱手术模型在正常压应力、旋转应力、屈伸应力及侧方弯曲应力状态下的数据，分析椎体及椎间盘的应力情况，与术前数据对比，并根据人工椎体所承受的应力分布，调整人工椎体尺寸或位置，得到最符合脊柱生物力学的人工椎体模型；步骤4、利用3D打印技术，使用PEEK材料打印步骤3设计的人工椎体模型，将人工椎体与上下椎体接触的表面打印成有利于骨长入的多孔结构。优选的，所述步骤1中采用mimics软件建立脊柱的三维数字模型。优选的，所述步骤1中应用hypermesh软件对生成的脊柱的三维数字模型进行网格化。优选的，所述步骤2中将构建的有限元模型，导入Ansys软件进行模拟生物力学实验。优选的，所述步骤2中通过VonMises云图分析椎体及椎间盘的应力情况。优选的，所述步骤3设计的人工椎体模型，其人工椎体的压缩刚度大于6200N/mm，人工椎体的压缩刚度屈服载荷大于7000N，人工椎体疲劳压缩载荷为5200N。优选的，所述步骤4中多孔结构的孔径：600±200um，多孔结构丝径：600±200um，多孔结构孔隙率：50％-80％。(三)有益效果与现有技术相比，本专利技术提供了一种基于3D打印的仿生多孔人工椎体制备方法，具备以下有益效果：本专利技术在打印人工椎体前分析脊柱模型在正常压应力、旋转应力、屈伸应力和侧方弯曲应力状态下的数据以及椎体及椎间盘的应力情况，使人工椎体符合脊柱生物力学要求，相较于传统手段制作的人工椎体，其压缩刚度、压缩刚度屈服载荷、疲劳压缩载荷大大提高；采用高性能聚合物材料聚醚醚酮(PEEK)进行3D打印，生物力学匹配性良好、对影像学检查无干扰，个性化定制，符合生物力学要求；按照3D打印出最有利于细胞粘附、新骨长入的多孔结构，实现无需再次植骨，即可完成后期的骨性融合。附图说明图1为本专利技术实施例的腰椎有限元模型示意图；图2为本专利技术实施例的人工椎体模式图；图3为本专利技术实施例3D打印人工椎体实物图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术提供的一种基于3D打印的仿生多孔人工椎体制备方法，包括以下步骤：步骤1、针对患有脊柱肿瘤或者结核等需要切除椎体或伴有大面积脊柱缺损的病人，获取病人的脊柱CT数据，利用有限元分析的方法，采用mimics软件建立脊柱的三维数字模型，应用hypermesh软件，对Mimics生成的模型进行网格化，得到几何模型。利用通用有限元前处理软件，导入网格化后的几何模型，根据脊柱的解剖结构，构建脊柱的有限元模型，如图1所示，为腰椎有限元模型。步骤2、将构建的有限元模型，导入Ansys软件进行模拟生物力学实验，分析脊柱模型在正常压应力、旋转应力、屈伸应力及侧方弯曲应力状态下的数据，通过VonMises云图分析椎体及椎间盘的应力情况。步骤3、按照椎体切除后脊柱缺损范围，设计人工椎体，如图2所示；初始尺寸设计如表1，模拟预定手术方式，完成脊柱重建手术，再次分析脊柱手术模型在正常压应力、旋转应力、屈伸应力及侧方弯曲应力状态下的数据，通过VonMises云图分析椎体及椎间盘的应力情况，与术前数据对比，并根据人工椎体所承受的应力分布，适当调整人工椎体尺寸或位置。利用上述分析，可以得到最符合脊柱生物力学的人工椎体模型。此处设计的人工椎体模型，人工椎体施加静态负载，人工椎体的压缩刚度大于6200N/mm；人工椎体的压缩刚度屈服载荷大于7000N；人工椎体疲劳压缩载荷为5200N。相比于传统手段制作的人工椎体模型，其压缩刚度、压缩刚度屈服载荷、疲劳压缩载荷大大提高。表1基本尺寸及极限偏差单位为毫米步骤4、根据上述手术模型的分析结果，可实现个性化定制人工椎体，实现生物力学最佳匹配；利用3D打印技术，使用PEEK材料打印上述设计的人工椎体，此处使用的PEEK材料应符合表2中的性能要求，将人工椎体与上下椎体接触的表面打印成有利于骨长入的多孔结构，实现无需再次植骨，即可完成后期的骨性融合，如图3所示。此处设计的多孔结构，孔径多孔结构孔径：600±200um，多孔结构丝径：600±200um，多孔结构孔隙率：50％-80％。表2PEEK材料性能要求综上所述，本专利技术在打印人工椎体前分析脊柱模型在正常压应力、旋转应力、屈伸应力和侧方弯曲应力状态下的数据以及椎体及椎间盘的应力情况，使人工椎体符合脊本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于3D打印的仿生多孔人工椎体制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1、获取病人的脊柱CT数据，利用有限元分析的方法，建立脊柱的三维数字模型，对生成的三维数字模型进行网格化，得到网格化几何模型，将网格化几何模型结合脊柱的解剖结构，构建脊柱的有限元模型；/n步骤2、将构建的有限元模型进行模拟生物力学实验，分析脊柱模型在正常压应力、旋转应力、屈伸应力及侧方弯曲应力状态下的数据，分析椎体及椎间盘的应力情况；/n步骤3、按照椎体切除后脊柱缺损范围，设计人工椎体，模拟预定手术方式，完成脊柱重建手术，再次分析脊柱手术模型在正常压应力、旋转应力、屈伸应力及侧方弯曲应力状态下的数据，分析椎体及椎间盘的应力情况，与术前数据对比，并根据人工椎体所承受的应力分布，调整人工椎体尺寸或位置，得到最符合脊柱生物力学的人工椎体模型；/n步骤4、利用3D打印技术，使用PEEK材料打印步骤3设计的人工椎体模型，将人工椎体与上下椎体接触的表面打印成有利于骨长入的多孔结构。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于3D打印的仿生多孔人工椎体制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、获取病人的脊柱CT数据，利用有限元分析的方法，建立脊柱的三维数字模型，对生成的三维数字模型进行网格化，得到网格化几何模型，将网格化几何模型结合脊柱的解剖结构，构建脊柱的有限元模型；
步骤2、将构建的有限元模型进行模拟生物力学实验，分析脊柱模型在正常压应力、旋转应力、屈伸应力及侧方弯曲应力状态下的数据，分析椎体及椎间盘的应力情况；
步骤3、按照椎体切除后脊柱缺损范围，设计人工椎体，模拟预定手术方式，完成脊柱重建手术，再次分析脊柱手术模型在正常压应力、旋转应力、屈伸应力及侧方弯曲应力状态下的数据，分析椎体及椎间盘的应力情况，与术前数据对比，并根据人工椎体所承受的应力分布，调整人工椎体尺寸或位置，得到最符合脊柱生物力学的人工椎体模型；
步骤4、利用3D打印技术，使用PEEK材料打印步骤3设计的人工椎体模型，将人工椎体与上下椎体接触的表面打印成有利于骨长入的多孔结构。


2.如权利要求1所述的一种基于3D打印的仿生多孔人工椎体制备方法，其特征在于：所述步骤1中采用mimics软...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨操，王丙金，华文彬，柯文灿，陈成，
申请(专利权)人：华中科技大学同济医学院附属协和医院，
类型：发明
国别省市：湖北;42