一种空间填充曲线型多孔植入体制备方法及植入体技术

本发明专利技术公开了一种空间填充曲线型多孔植入体制备方法及植入体，根据患者病变部位医学影像的三维外部轮廓图像并结合该病变部位的结构特征，重建出与病变部位三维外部轮廓相一致的实体模型；运用空间填充曲线数学函数和生物力学仿真技术，迭代设计得到可替换病变部位生理功能的空间填充曲线型多孔结构植入体三维模型，并以STL、OBJ、AMF等格式输出保存三维模型文件；将该三维模型文件导入3D打印成形设备中，经增材制造最终可以得到与设计模型一致的空间填充曲线型多孔结构植入体；最后经过原位加热、喷砂、刻蚀、涂层、渗抗菌离子等后处理得到生物相容性优良的空间填充曲线型多孔结构植入体，用于患者病变部位临床修复。用于患者病变部位临床修复。用于患者病变部位临床修复。

【技术实现步骤摘要】
一种空间填充曲线型多孔植入体制备方法及植入体


[0001]本专利技术涉及医学康复辅具
，尤其涉及一种空间填充曲线型多孔植入体制备方法及植入体。

技术介绍

[0002]近几年来，随着3D技术的日渐成熟，各种3D打印医用植入体逐步走向了临床应用，例如人体人工膝关节、牙种植、人工股骨头等，以满足患者的人性化需求。为降低“应力屏蔽”效应，这些医用植入体都被设计了各种各样的多孔结构，以实现这些3D打印医用植入体弹性模量与人体骨骼弹性模量的匹配。另外，多孔结构独特的空隙结构以及大的比表面积非常有利于骨细胞的吸附、增殖和分化，促进新骨组织沿孔隙生长，使植入体与骨之间形成生物固联，并最终形成一个整体。
[0003]为追求医用植入体多孔结构最优的力学性能和生物相容性，人们设计了多种直杆式点阵多孔结构，包括立方体单胞结构、体心立方、面心立方等类型。然而多种实验测试表明这种由直杆组成的点阵结构由于在杆间结点位置的3D打印缺陷会造成杆结点处的应力集中，从而使其在周期性载荷下发生疲劳失效，不利于植入体在人体内的长期服役。随后人们引入了多种平均曲率为零的三周期极小曲面结构来克服直杆式点阵结构的疲劳失效问题，实现了多孔结构表面的光滑过渡和应力均匀化。但同时要看到，新骨组织细胞直杆式点阵孔结构和极小曲面多孔结构呈现出的是一种随机的、无序的传输和增值模式，无法对新骨组织细胞在某一区域内进行有序的控制。

技术实现思路

[0004]本专利技术实施例所要解决的技术问题在于，提供一种空间填充曲线型多孔植入体制备方法及植入体。可通过采用空间填充曲线方法构筑的多孔植入体，一方面能够借助曲线高度有序连续的特点诱导体液及骨细胞在植入体界面进行有序可控流动和增殖从而实现植入体与骨界面生物固联模式的有序调控，另一方面由空间填充曲线形成的多孔结构具备曲面结构形式，能够高效承担载荷，克服了直杆式点阵多孔结构结点处易形成缺陷导致疲劳破坏的缺点，从而制造出新型的多孔植入体。
[0005]为了解决上述技术问题，本专利技术实施例提供了一种空间填充曲线型多孔植入体制备方法，包括以下步骤：
[0006]步骤S1：根据医学成像及图像处理方法提取患者病变部位的三维外部轮廓图像并结合所述病变部位的结构特征，构建出与所述病变部位三维外部轮廓相一致的实体模型；
[0007]步骤S2：根据所述病变部位的功能，运用空间填充曲线F(L,n,s,h)对所述实体模型进行多孔化正向或反向填充，得到空间填充曲线型多孔植入体，其中F表示空间填充曲线数学函数表达式，L、n和s分别是空间填充曲线的类型、阶数和光滑度，h是空间填充曲线形成的孔壁厚度；
[0008]步骤S3：运用生物力学仿真软件对所述空间填充曲线型多孔植入体进行承载能力
和流体传输计算分析，不断调整空间填充曲线的类型L、阶数n、光滑度s及孔壁厚度h，优化确定出空间填充曲线型多孔植入体的孔隙率和与病变部位连接区相匹配的整体刚度，得到满足患者生理功能的空间填充曲线型多孔植入体三维模型；
[0009]步骤S4：使用医用植入体的多孔结构的增材制造方法和步骤S2选取的植入体材料，采用3D打印技术对步骤3所述的空间填充曲线型多孔植入体三维模型进行成形，获得所需空间填充曲线型多孔植入体实物并进行后处理。
[0010]其中，所述医学成像及图像处理方法包括核磁共振、CT、X光、可见光拍照技术中的至少一种。
[0011]其中，所述空间填充曲线的类型包括Hibert曲线、Peano曲线、Cosper曲线、Moore曲线、Sierpinski曲线类型中的一种。
[0012]其中，所述空间填充曲线的阶数n取值范围为1～20。
[0013]其中，所述空间填充曲线的光滑度取值范围为0～1。
[0014]其中，所述步骤S4中植入体的材料为钛合金、钽合金、镁合金、镍钛合金、不锈钢、生物陶瓷、热塑性材料、复合材料中的一种或多种。
[0015]其中，所述空间填充曲线型多孔植入体的孔隙率取值范围为15％～95％。
[0016]其中，所述步骤S4中后处理包括原位加热、喷砂、刻蚀、涂层、渗抗菌离子中的至少一种。
[0017]相应地，本专利技术实施例还提供了一种根据上述的空间填充曲线型多孔植入体制备方法所获得的植入体。
[0018]实施本专利技术实施例，具有如下有益效果：
[0019]1、本专利技术的植入体具有高度有序的连通特性，能够使骨细胞和其他组织液按照设定的曲线形式进行有序流动、传输和增殖，实现了植入体与骨界面生物固联模式的有序调控。
[0020]2、本专利技术采用空间填充曲线建立的多孔结构属于光滑过渡的曲面结构，相比直杆式点阵多孔结构，空间填充曲线型多孔结构植入体够高效承担载荷，克服了直杆式点阵多孔结构结点处易形成缺陷导致疲劳破坏的缺点。
[0021]3、本专利技术采用的空间填充曲线在数学上形式多样，能够选择不同的空间填充曲线函数类型、阶数和光滑度生成不同空隙率、不同力学性能以及不同传输效率的多孔植入体，易于临床上进行个体化定制使用。
附图说明
[0022]图1是按照本专利技术的优选实施例提出的空间填充曲线型多孔植入体的制备方法流程图
[0023]图2是按照本专利技术的优选实施例提出的空间填充曲线型多孔植入体填充前的几何结构，其中从左到右依次为Hibert曲线结构、Peano曲线结构、Sierpinski曲线结构。
[0024]图3为髋关节空间填充曲线型多孔骨柄植入体模型。
[0025]图4为髋关节空间填充曲线型多孔臼杯植入体模型。
具体实施方式
[0026]为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术作进一步地详细描述。
[0027]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明以使本专利技术的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本专利技术的保护范围做出更为清楚明确的界定。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以对本专利技术作进一步的详细描述和解释，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合使用。
[0028]根据患者病变部位医学影像的三维外部轮廓图像并结合该病变部位的结构特征，重建出与病变部位三维外部轮廓相一致的实体模型；运用空间填充曲线数学函数和生物力学仿真技术，迭代设计得到可替换病变部位生理功能的空间填充曲线型多孔结构植入体三维模型，并以STL、OBJ、AMF等格式输出保存三维模型文件；将该三维模型文件导入3D打印成形设备中，经增材制造最终可以得到与设计模型一致的空间填充曲线型多孔结构植入体；最后经过原位加热、喷砂、刻蚀、涂层、渗抗菌离子等后处理得到生物相容性优良的空间填充曲线型多孔结构植入体，用于患者病变部位临床修复。
[0029]图1是按照本专利技术的优选实施例提出的空间填充曲线型多孔植入体的制备方法流程图，如图1所示，一种空间填充曲线型多孔植入体的制备方法包括下列步骤本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种空间填充曲线型多孔植入体制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1：根据医学成像及图像处理方法提取患者病变部位的三维外部轮廓图像并结合所述病变部位的结构特征，构建出与所述病变部位三维外部轮廓相一致的实体模型；步骤S2：根据所述病变部位的功能，运用空间填充曲线F(L,n,s,h)对所述实体模型进行多孔化正向或反向填充，得到空间填充曲线型多孔植入体，其中F表示空间填充曲线数学函数表达式，L、n和s分别是空间填充曲线的类型、阶数和光滑度，h是空间填充曲线形成的孔壁厚度；步骤S3：运用生物力学仿真软件对所述空间填充曲线型多孔植入体进行承载能力和流体传输计算分析，不断调整空间填充曲线的类型L、阶数n、光滑度s及孔壁厚度h，优化确定出空间填充曲线型多孔植入体的孔隙率和与病变部位连接区相匹配的整体刚度，得到满足患者生理功能的空间填充曲线型多孔植入体三维模型；步骤S4：使用医用植入体的多孔结构的增材制造方法和步骤S2选取的植入体材料，采用3D打印技术对步骤3所述的空间填充曲线型多孔植入体三维模型进行成形，获得所需空间填充曲线型多孔植入体实物并进行后处理。2.根据权利要求1所述的空间填充曲线型多孔植入体制备方法，其特征在于，所述医学成像及图像处理方法包括核磁共振、CT、X光、...

【专利技术属性】
技术研发人员：张志强，邢阳辉，方强，林鹏，
申请(专利权)人：汕头大学，
类型：发明
国别省市：