一种3D打印颈椎椎间融合器的设计方法和制备方法技术

本发明专利技术公开一种3D打印颈椎椎间融合器的设计方法和制备方法，步骤S1、设计承重框架；根据患者的颈椎间盘影像学数据以及颈椎力学传导方向的研究，设计与人体椎体相适配的承重框架；步骤S2、设计仿生骨小梁结构；通过基于缩放因子和种子点密度的Voronoi方法进行仿生骨小梁结构的设计；步骤S3、承重框架与仿生骨小梁结构结合；以承重框架为边界，以仿生骨小梁结构为填充进行结合；步骤S4、输出设计参数；将获得的设计参数输出，方便后续制作。本发明专利技术在力学承载中更加适合于人体颈椎，有利于重建生理性力学传导，并且具有更加良好的对细胞和骨组织生长刺激，可加工复杂的结构，降低成本、提高制作效率，在骨科领域具有广大的发展空间。在骨科领域具有广大的发展空间。在骨科领域具有广大的发展空间。

【技术实现步骤摘要】
一种3D打印颈椎椎间融合器的设计方法和制备方法


[0001]本专利技术涉及医疗器械
，特别是涉及一种3D打印颈椎椎间融合器的设计方法和制备方法。

技术介绍

[0002]手术治疗颈椎疾病重点在于切除病变的椎间盘从而解除神经压迫，同时通过植入颈椎内植物以重建脊柱稳定性。目前，颈椎椎间盘切除减压联合椎体融合术是治疗颈椎疾患的重要方法之一。椎间融合器是颈椎椎体融合术中常用的植入物之一，已有大量文献报道椎间融合器治疗颈椎病可以获得良好的短期稳定性。
[0003]传统椎间融合器往往采用实心结构或者微孔结构，其微孔结构是通过计算机辅助设计一种简单晶胞结构，之后通过布尔运算完成填充，最终形成多孔结构。这种实心的椎间融合器以及规律微孔结构的椎间融合器与人体骨骼微孔结构相差远，影响骨骼力学传导方式，并对细胞与组织的正常生理性力学刺激造成影响。并且实体结构的椎间融合器，没有植骨区，严重影响了其与周围骨质的融合性，存在远期失去稳定性的隐患(Rodriguez
‑
Montano,O.L.,etal.,Comparisonofthemechanobiolog icalperformanceofbonetissuescaffoldsbasedondifferentunitcel lgeometries.JMechBehavBiomedMater,2018.83:p.28
‑
45)。
[0004]而根据人骨结构特点，进行仿生结构设计是骨内植物结构研究的重点。直接使用骨骼影像学资料进行仿生设计，虽然在结构上可以更加接近的实现仿生设计，但是其所设计的微孔结构可控性低，代表性不足，孔的连通性差。而人骨断面结构与Voronoi结构相似，因此使用Voronoi方法设计骨小梁结构是实现仿生设计的重要方法。有学者报道了使用Voronoi方法设计骨小梁结构，但是其所设计的骨小梁仅为局部结构，无法完成系统的骨内植物结构设计(Gomez,S.,etal.,Designandpropertiesof3Dscaffoldsforbonetis sueengineering.ActaBiomater,2016.42:p.341
‑
350)；且对微孔参数的控制不佳，而微孔参数是影响微孔骨内植物骨生长的重要因素(Hollister,S.J.,ScaffoldDesignandManufacturing:FromConcept toClinic.AdvancedMaterials,2009.21(32
‑
33):p.3330
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3342)。
[0005]因此，亟需一种3D打印颈椎椎间融合器的设计方法和制备方法来解决上述的技术问题。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供一种具有可控仿生骨小梁结构的3D打印颈椎椎间融合器的设计方法，以解决上述现有技术存在的问题。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：本专利技术提供一种3D打印颈椎椎间融合器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0008]步骤S1、设计承重框架；根据患者的颈椎间盘影像学数据以及颈椎力学传导方向
的研究，设计与人体椎体相适配的承重框架；
[0009]步骤S2、设计仿生骨小梁结构；通过基于缩放因子和种子点密度的Voronoi方法进行仿生骨小梁结构的设计；
[0010]步骤S3、承重框架与仿生骨小梁结构结合；以承重框架为边界，以仿生骨小梁结构为填充进行结合；
[0011]步骤S4、输出设计参数；将获得的设计参数输出，方便后续制作。
[0012]优选的，步骤S1中，称重框架包括顶梁组件、底梁组件和若干承重柱；所述顶梁组件与患者的上位椎体下终板相匹配且完整贴合，所述顶梁组件设计为弧形穹顶式；所述底梁组件与患者的下位椎体上终板匹配切完整贴合，所述底梁组件的底端设计为斜面；若干所述承重柱固接在所述顶梁组件和所述底梁组件之间，且所述承重柱与颈椎力学传导方向相适配。
[0013]优选的，步骤S1中，所述顶梁组件包括两条对应设置的顶部悬梁，所述顶部悬梁设置为向上的弧形穹顶并与上位椎体下终板适配并贴合；所述顶部悬梁的底端两侧分别固接有一所述承重柱；两所述顶部悬梁的前端之间固接有向前凸起的第一前部悬梁，两所述顶部悬梁的后端之间固接有后板，所述后板的底端与所述底梁组件固接；所述顶部悬梁和所述第一前部悬梁的顶端分别固接有若干顶部防滑齿，所述顶部防滑齿与所述顶部悬梁的走向垂直。
[0014]优选的，所述底梁组件包括两条对应设置的底部悬梁，所述底部悬梁与所述顶部悬梁上下对应设置，所述底部悬梁与下位椎体上终板匹配切完整贴合；所述底部悬梁的顶端两侧分别与对应的所述承重柱底端固接；两所述底部悬梁的前端之间固接有向前凸起第二前部悬梁，两所述底部悬梁的后端与所述后板的底端固接；所述底部悬梁和所述第二前部悬梁的底端分别固接有若干底部防滑齿，所述底部防滑齿与所述底部悬梁的走向垂直。
[0015]优选的，所述后板设置为向内凹陷的弧形，且人体颈椎走向相适配，所述后板的两侧分别与后端的两所述承重柱固接；所述后板的中心贯穿开设有后板孔。
[0016]优选的，步骤S2中，仿生骨小梁结构的设计包括以下步骤：
[0017]步骤S21、以所述承重框架为空间边界，确定仿生骨小梁结构的整体体积和区域形态；
[0018]步骤S22、确定仿生骨小梁结构所需的微孔参数，微孔参数包括孔隙率和孔径；
[0019]步骤S23、计算控制参数，控制参数包括种子点密度和缩放因子；
[0020]步骤S24、根据仿生骨小梁结构的体积和种子点密度获得种子点的数量，并将种子点随机布置在仿生骨小梁结构的区域内；
[0021]步骤S25、通过软件生成空间Voronoi单元；
[0022]步骤S26、根据计算得到的缩放因子，以空间Voronoi单元的重心和单元表面形心为中心，将生成的空间Voronoi单元及表面进行缩放；
[0023]步骤S27、提取原始和缩放后的空间Voronoi单元和其几何面，最终成初始的Voronoi结构；
[0024]步骤S28、处理完善仿生骨小梁结构模型设计。
[0025]优选的，步骤S23中，缩放因子的计算公式为：
[0026][0027]种子点密度的计算公式为：
[0028][0029]其中，P为孔隙率；D为孔径，单位：mm；为种子点密度，单位为：个
·
mL
‑
1；为缩放因子。
[0030]优选的，步骤S3中，以承重框架作为边界，以其内部空白区域为基础设计的仿生骨小梁结构作为内部填充，通过布尔运算，实现二者完整结合；仿生骨小梁结构包括中心骨小梁和侧边骨小梁。
[0031]一种3D打印颈椎椎间融合器的制备方法，采用选择性激光熔融3D打印技术实现一种具有可控仿生骨小梁结构的3D打印颈椎椎间融合器的制备。
[0032]优选的3D打印的参数设置本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种3D打印颈椎椎间融合器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1、设计承重框架；根据患者的颈椎间盘影像学数据以及颈椎力学传导方向的研究，设计与人体椎体相适配的承重框架；步骤S2、设计仿生骨小梁结构；通过基于缩放因子和种子点密度的Voronoi方法进行仿生骨小梁结构的设计；步骤S3、承重框架与仿生骨小梁结构结合；以承重框架为边界，以仿生骨小梁结构为填充进行结合；步骤S4、输出设计参数；将获得的设计参数输出，方便后续制作。2.根据权利要求1所述的3D打印颈椎椎间融合器的设计方法，其特征在于：步骤S1中，称重框架包括顶梁组件、底梁组件和若干承重柱(7)；所述顶梁组件与患者的上位椎体下终板相匹配且完整贴合，所述顶梁组件设计为弧形穹顶式；所述底梁组件与患者的下位椎体上终板匹配切完整贴合，所述底梁组件的底端设计为斜面；若干所述承重柱(7)固接在所述顶梁组件和所述底梁组件之间，且所述承重柱(7)与颈椎力学传导方向相适配。3.根据权利要求2所述的3D打印颈椎椎间融合器的设计方法，其特征在于：步骤S1中，所述顶梁组件包括两条对应设置的顶部悬梁(3)，所述顶部悬梁(3)设置为向上的弧形穹顶并与上位椎体下终板适配并贴合；所述顶部悬梁(3)的底端两侧分别固接有一所述承重柱(7)；两所述顶部悬梁(3)的前端之间固接有向前凸起的第一前部悬梁(8)，两所述顶部悬梁(3)的后端之间固接有后板(9)，所述后板(9)的底端与所述底梁组件固接；所述顶部悬梁(3)和所述第一前部悬梁(8)的顶端分别固接有若干顶部防滑齿(4)，所述顶部防滑齿(4)与所述顶部悬梁(3)的走向垂直。4.根据权利要求3所述的3D打印颈椎椎间融合器的设计方法，其特征在于：所述底梁组件包括两条对应设置的底部悬梁(5)，所述底部悬梁(5)与所述顶部悬梁(3)上下对应设置，所述底部悬梁(5)与下位椎体上终板匹配切完整贴合；所述底部悬梁(5)的顶端两侧分别与对应的所述承重柱(7)底端固接；两所述底部悬梁(5)的前端之间固接有向前凸起第二前部悬梁(11)，两所述底部悬梁(5)的后端与所述后板(9)的底端固接；所述底部悬梁(5)和所述第二前部悬梁(11)的底端分别固接有若干底部防滑齿(6)，所述底部防滑齿(6)与所述底部悬梁(5)的走向垂直。5.根据权利要求4所述的3D打印颈椎椎间融合器的设计方法，其特征在于：所述后板(9)设...

【专利技术属性】
技术研发人员：李家良，贺西京，魏馨雨，李嘉熙，杨于冰，郭栋，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：