一种骨植入物制造方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种骨植入物制造方法及系统，涉及医疗材料技术领域，所述方法包括：获取骨缺损部位的骨骼影像数据并构建骨植入物模型；将骨植入物的材料性能参数导入至骨植入物模型中进行优化计算，以获得骨植入物模型中的应力、应变和温度分布结果。当分布结果符合预设的约束条件时，根据骨植入物模型中的材料性能参数的分布结果从预设的性能

【技术实现步骤摘要】
一种骨植入物制造方法及系统


[0001]本专利技术涉及医疗材料
，尤其涉及一种骨植入物制造方法及系统。

技术介绍

[0002]临床治疗恶性骨肿瘤常采用外科手术彻底切除病灶，并植入骨替代物进行修复重建，再术后联合辅助放/化疗。由于现有骨植入物多以金属材料、陶瓷材料、聚合物材料及其复合材料来重建人体宿主骨缺损形态和承载能力，但面向肿瘤性骨缺损的修复，骨植入物在满足形态和力学承载能力的基础上，还需兼具抗肿瘤、抗菌、促进成骨等多功能特性以提高临床治疗效果。
[0003]随着纳米材料和光学技术的迅猛发展，相比传统手术治疗、放/化疗等，光热治疗在增加肿瘤治疗效果、减少副作用、促进骨再生等方面表现出独特的优势，被认为是极具临床前景的癌症治疗方法之一。光热治疗是通过对光热转换材料进行近红外照射，产生局部高温得以杀死癌细胞和消融肿瘤，同时一定的热刺激也能有助于诱导和加速新骨再生。因此，采用光热响应材料与骨植入物材料融合，通过近红外光照射将有利于进一步改善和提高肿瘤性骨缺损修复的抗肿瘤、抗菌、力学适配和促进成骨的多功能特性。
[0004]目前，前沿基础研究从材料学和生物学层面已证实光热治疗在抗肿瘤与促进成骨方面起到良好作用，但现有技术主要侧重于光热响应复合材料的组分设计与制备方法，以及通过设计光热响应复合材料多孔支架或通过多孔支架表面涂覆光热响应材料改性方式来修复肿瘤性骨缺损。然而对于人体复杂的生物力学环境和抗肿瘤等多方面功能需求作用下，缺乏一种基于人体的力学环境和不同功能需求下调整骨植入物内部光热响应复合材料组分配制及其微观多孔结构，以适应不同情况的骨缺损修复并满足在安全性要求的前提下，具有良好的抗肿瘤与促进成骨能力的骨植入物。因此，亟需一种骨植入物制造方法及系统来解决上述技术问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题在于，提供一种骨植入物制造方法及系统，能根据不同情况下的骨缺损修复环境来设计调整骨植入物的光热响应复合材料组分及多孔结构以使制得的骨植入物具有可靠的承载安全性、良好的抗肿瘤与促进成骨能力。
[0006]为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种骨植入物制造方法，包括：S1、通过医学影像技术获取骨缺损部位的骨骼影像数据并构建骨骼三维模型；S2、根据骨骼三维模型及模拟环境参数进行有限元模型构建处理以获得骨植入物模型；S3、将预设的材料性能参数导入至骨植入物模型中进行优化计算，以获得骨植入物模型中的应力、应变和温度分布结果，其中，材料性能参数包括刚度参数、屈服强度参数和导热参数；S4、判断骨植入物模型中的应力、应变和温度分布结果是否符合预设的约束条件，
判断为是时，执行步骤S5，判断为否时，筛选出不符合约束条件的分布区域并调整其材料性能参数，返回步骤S3；S5、根据优化所得的骨植入物模型中的材料性能参数的分布结果从预设的性能
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材料
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多孔结构的映射关参数据库中筛选出对应的骨植入物的光热响应复合材料组分及多孔结构数据以重构出骨植入物几何模型；S6、将骨植入物几何模型导入至3D打印设备中，以制造出所需的骨植入物。
[0007]作为上述方案的改进，判断骨植入物模型中的应力、应变和温度分布结果是否符合预设的约束条件的步骤包括：通过骨植入物模型中的应力、应变和温度分布结果能相应获得每个网格单元的应力、应变和温度数据；判断每个网格单元的应力是否小于其屈服强度参数、骨植入物模型与宿主骨接触面界面的相关网格单元的应变是否介于预设应变范围内且每个网格单元的温度是否介于预设温度范围内，判断为是时，则表示骨植入物模型符合预设的约束条件，判断为否时，则表示骨植入物模型不符合预设的约束条件。
[0008]作为上述方案的改进，筛选出不符合约束条件的分布区域并调整其材料性能参数的步骤包括：当筛选出的网格单元的应力大于等于其屈服强度参数时，在其刚度参数上增加预设刚度参数以获得当前调整后的刚度参数；当筛选出的骨植入物模型与宿主骨接触面界面的相关网格单元的应变不是介于预设应变范围内且小于预设应变范围中的最小应变时，在其刚度参数上增加预设刚度参数以获得当前调整后的刚度参数；当筛选出的骨植入物模型与宿主骨接触面界面的相关网格单元的应变不是介于预设应变范围内且大于预设应变范围中的最大应变时，在其刚度参数上减小预设刚度参数以获得当前调整后的刚度参数；当筛选出的网格单元的温度不是介于预设温度范围内且小于预设温度范围中的最小温度时，在其导热参数上增加预设导热参数以获得当前调整后的刚度参数；当筛选出的网格单元的温度不是介于预设温度范围内且大于预设温度范围中的最大温度时，在其导热参数上减小预设导热参数以获得当前调整后的导热参数；输出筛选后的网格单元及其当前调整后的材料性能参数。
[0009]作为上述方案的改进，根据骨骼三维模型及模拟环境参数进行有限元模型构建处理以获得骨植入物模型的步骤包括：根据骨骼三维模型进行初始模型构建处理以构建初始骨植入物模型，其中，初始模型构建处理包括曲面光滑处理和实体化；通过有限元分析及模拟环境参数对初始骨植入物模型进行调整以获得骨植入物模型。
[0010]作为上述方案的改进，性能
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材料
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多孔结构的映射关参数据库包括骨植入物的光热响应复合材料组分、多孔结构和材料性能参数之间的映射关参数据库；光热响应复合材料组分包括作为基材的热塑性聚合物以及作为功能添加相的生物陶瓷和光热响应材料，其中，热塑性聚合物占比范围为30
‑
90wt%、生物陶瓷占比范围为5
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40wt%，光热响应材料占比范围为5
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30wt%；多孔结构的晶格单元的空间尺寸为长方体，其长宽高为1
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4mm，孔径为100
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1000μm，孔隙率为0
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90%。
[0011]作为上述方案的改进，骨植入物的光热响应复合材料组分、多孔结构和材料性能参数之间的映射关系式为：
其中，C
i
为刚度矩阵参数，σ
s
为等效屈服强度，λ为等效导热参数，f
φ
为复合材料组分配比参数，f
ϕ
为多孔结构的孔隙率参数，f
w
为外部光照功率参数，F
c
为刚度矩阵性能控制函数，F
σ
为等效屈服强度性能控制函数和F
λ
为等效导热性能控制函数。
[0012]本专利技术还提供了一种骨植入物制造系统，包括：骨骼模型构建模块，用于通过医学影像技术获取骨缺损部位的骨骼影像数据并构建骨骼三维模型；模型构建处理模块，用于根据骨骼三维模型及模拟环境参数进行有限元模型构建处理以获得骨植入物模型；优化处理模块，用于将预设的材料性能参数导入至骨植入物模型中进行优化计算，以获得骨植入物模型中的应力、应变和温度分布结果，其中，材料性能参数包括刚度参数、屈服强度参数和导热参数；约束处理模块，用于当骨植入物模型中的应力、应变和温度分布结果符合预设的约束条件本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种骨植入物制造方法，其特征在于，包括：S1、通过医学影像技术获取骨缺损部位的骨骼影像数据并构建骨骼三维模型；S2、根据所述骨骼三维模型及模拟环境参数进行有限元模型构建处理以获得骨植入物模型；S3、将预设的材料性能参数导入至所述骨植入物模型中进行优化计算，以获得所述骨植入物模型中的应力、应变和温度分布结果，其中，所述材料性能参数包括刚度参数、屈服强度参数和导热参数；S4、判断所述骨植入物模型中的应力、应变和温度分布结果是否符合预设的约束条件，判断为是时，执行步骤S5，判断为否时，筛选出不符合约束条件的分布区域并调整其材料性能参数，返回步骤S3；S5、根据优化所得的所述骨植入物模型中的材料性能参数的分布结果从预设的性能
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材料
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多孔结构的映射关参数据库中筛选出对应的骨植入物的光热响应复合材料组分及多孔结构数据以重构出骨植入物几何模型；S6、将所述骨植入物几何模型导入至3D打印设备中，以制造出所需的骨植入物；其中，所述判断所述骨植入物模型中的应力、应变和温度分布结果是否符合预设的约束条件的步骤包括：通过所述骨植入物模型中的应力、应变和温度分布结果能相应获得每个网格单元的应力、应变和温度数据；判断每个网格单元的应力是否小于其屈服强度参数、骨植入物模型与宿主骨接触面界面的相关网格单元的应变是否介于预设应变范围内且每个网格单元的温度是否介于预设温度范围内，判断为是时，则表示所述骨植入物模型符合预设的约束条件，判断为否时，则表示所述骨植入物模型不符合预设的约束条件。2.根据权利要求1所述的骨植入物制造方法，其特征在于，所述筛选出不符合约束条件的分布区域并调整其材料性能参数的步骤包括：当筛选出的网格单元的应力大于等于其屈服强度参数时，在其刚度参数上增加预设刚度参数以获得当前调整后的刚度参数；当筛选出的骨植入物模型与宿主骨接触面界面的相关网格单元的应变不是介于预设应变范围内且小于预设应变范围中的最小应变时，在其刚度参数上增加预设刚度参数以获得当前调整后的刚度参数；当筛选出的骨植入物模型与宿主骨接触面界面的相关网格单元的应变不是介于预设应变范围内且大于预设应变范围中的最大应变时，在其刚度参数上减小预设刚度参数以获得当前调整后的刚度参数；当筛选出的网格单元的温度不是介于预设温度范围内且小于预设温度范围中的最小温度时，在其导热参数上增加预设导热参数以获得当前调整后的刚度参数；当筛选出的网格单元的温度不是介于预设温度范围内且大于预设温度范围中的最大温度时，在其导热参数上减小预设导热参数以获得当前调整后的导热参数；输出筛选后的网格单元及其当前调整后的材料性能参数。3.根据权利要求1所述的骨植入物制造方法，其特征在于，所述根据所述骨骼三维模型及模拟环境参数进行有限元模型构建处理以获得骨植入物模型的步骤包括：根据所述骨骼三维模型进行初始模型构建处理以构建初始骨植入物模型，其中，初始
模型构建处理包括曲面光滑处理和实体化；通过有限元分析及所述模拟环境参数对所述初始骨植入物模型进行调整以获得骨植入物模型。4.根据权利要求1所述的骨植入物制造方法，其特征在于，所述性能
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材料
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多孔结构的映射关参数据库包括骨植入物的光热响应复合材料组分、多孔结构和材料性能参数之间的映射关参数据库；所述光热响应复合材料组分包括作为基材的热塑性聚合物以及作为功能添加相的生物陶瓷和光热响应材料，其中，热塑性聚合物占比范围为30
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90wt%、生物陶瓷占比范围为5
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40wt%，光热响应材料占比范围为5
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30wt%；所述多孔结构的晶格单元的空间尺寸为长方体，其长宽高为1
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4mm，孔径为100
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1000μm，孔隙率为0
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90%。5.根据权利要求4所述的骨植...

【专利技术属性】
技术研发人员：康建峰，乔健，伍言龙，杨景卫，
申请(专利权)人：佛山科学技术学院，
类型：发明
国别省市：