一种具备梯度力学过渡的肋骨植入结构制造技术

本发明专利技术一种具备梯度力学过渡的肋骨植入结构

【技术实现步骤摘要】
一种具备梯度力学过渡的肋骨植入结构、设计方法及应用


[0001]本专利技术属于人工假体
，具体涉及一种具备梯度力学过渡的肋骨植入结构
、
设计方法及应用
。

技术介绍

[0002]胸壁肿瘤患者术后常常出现大面积胸肋骨缺损，胸壁重建是唯一有效的治疗手段
。
近年来，增材制造技术在医学的应用逐渐深入，激光增材制造
TC4
肋骨植入物因其个性化适配能力，能够使胸壁重建技术得到极大改善
。
现阶段，激光增材制造
TC4
肋骨植入物已开展了初期的临床植入工作，其仍存在的限制及不足主要集中于以下两个方面：一是现有的肋骨植入物仅仅满足了解剖学胸壁外形修复的目的，而单纯的
TC4
肋骨植入物刚性重建因其模量过高而未能较好地实现与呼吸功能直接相关的肋软骨等生理结构的功能重现，从而导致患者术后出现限制性肺通气功能障碍，严重时可诱导呼吸衰竭问题；二是由于钛合金生物活性有限，大面积置换时会导致植入物周围软组织延迟愈合，创面感染，降低了术后恢复能力
。
[0003]针对肋骨植入物早期出现的应力屏蔽现象，对植入物的设计经历了传统式板条状肋骨植入物
、
棒状
/
丝状肋骨植入物
、
多孔式肋骨植入物和“希腊波”结构肋骨植入物等结构的不断改进
。“希腊波”结构植入物相较于前几种静态重建
、
僵硬不具备生理灵活性的结构而言，可能会具有更好的弹性，但是目前这些结构均在处于初步尝试阶段，缺乏相关的结构力学性能基础数据，无法准确地评估其与自然肋骨的匹配度以及对生物功能的恢复程度
。
[0004]现有技术中，公开了将弹性结构的棒状植入物作为连接至少两个骨段的固定元件，在临床应用中实现了胸骨
、
肋骨
、
肋软骨植入物的轻量化，并具有一定的弹性功能，但该结构的设计没有考虑肋骨本身弹性模量等参数对功能的影响，其结构力学性能，以及与人体自然肋骨的匹配性均未有报道，仍无法判断植入后对人体呼吸功能的影响
。
[0005]现有技术中，公开了采用弹性结构的肋软骨假体植入物，其中间为弹性结构，两端为固定结构，通过改变中间弹性结构的参数，使得该肋软骨假体植入物的弹性系数能够根据植入部位不同进行相应的改变
。
但该技术仅是对于肋软骨部分的设计，对于两端的固定结构没有任何说明，如果只是采用常规结构会导致应力集中，无法真实的模拟人体肋骨
。
该文件中提及了打印材料可以为
PEEK
和钛合金，但未提及钛合金的具体打印参数，且即使为同种结构，
PEEK
与钛合金二者材料属性也相差过大，不可能达到相同性能
。
[0006]表1展示了文献报道的肋骨力学性能，其中肋骨皮质骨的弯曲弹性模量为
11.5GPa
左右，具有伸缩功能的肋骨的弯曲弹性模量很低，在
8.7
‑
12.6MPa
之间，而在现有技术中的肋骨植入物的弹性模量无法达到肋软骨范围，也不能同时满足肋骨和肋软骨弹性模量，因此现有技术中的仿生肋骨植入物仍然会使患者术后出现限制性肺通气功能障碍，导致患者呼吸功能的恢复受到抑制
。
[0007]表1肋骨力学特性
[0008]
技术实现思路

[0009]要解决的技术问题：
[0010]为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提供一种具备梯度力学过渡的肋骨植入结构
、
设计方法及应用，专利技术人通过对肋骨植入物模型进行有限元模拟力学分析，得出结构参数对弹性模量变化影响机理，并通过计算获得了符合自然肋骨生物力学的合理结构参数范围；同时根据人体肋骨和肋软骨弹性模量的不同，采用梯度过渡，设计出对呼吸功能起主要作用的第2肋至第6肋的梯度力学变截面肋骨植入物，使其同时具有肋软骨部分以及肋骨部分的功能
。
本专利技术解决了肋骨植入物与肋软骨
、
肋骨弹性模量不一致，无法满足患者术后正常呼吸的问题
。
[0011]本专利技术的技术方案是：一种具备梯度力学过渡的肋骨植入结构，所述肋骨植入结构为弹性模量呈梯度变化的弹性结构，沿长度方向力学水平依次满足人体肋软骨部分和肋骨部分力学性能，肋软骨部分和肋骨部分之间采用力学的梯度过渡结构，所述肋软骨部分的外端与胸骨植入物连接，所述肋骨部分的外端与人体肋骨缺失端连接；
[0012]所述梯度过渡结构衔接于肋软骨部分和肋骨部分之间，实现植入肋骨从低模量到高模量结构力学梯度过渡
。
[0013]本专利技术的进一步技术方案是：所述肋骨植入结构的外包络椭圆尺寸设定与人体自然肋骨外形尺寸一致，当长半轴
A
＝
3.4mm
，短半轴
B
＝
3.0mm
时，肋软骨部分弯曲弹性模量为
396MPa
，肋骨部分弯曲弹性模量为
10.9GPa
；当长半轴
A
＝
5.0mm
，短半轴
B
＝
3.0mm
时，肋软骨部分弯曲弹性模量为
170MPa
，肋骨部分弯曲弹性模量为
3.6GPa。
[0014]本专利技术的进一步技术方案是：所述肋骨植入结构为类弹簧状肋骨结构；所述梯度肋骨部分为
TC4
钛合金，从肋软骨部分到肋骨部分之间包括三阶梯度变化，三阶梯度的弹簧丝截面长半轴
a
依次分别为
1.6
‑
2.4mm、2.4
‑
3.2mm、3.2
‑
4.8mm
，三阶梯度的短半轴
b
均为
1.0mm
，三阶梯度的弹簧丝节距
t
依次分别为
5.5、7.0、10.0mm。
[0015]本专利技术的进一步技术方案是：所述肋软骨部分为
TC4
钛合金类弹簧结构，类弹簧外包络椭圆尺寸的长半轴
A
为
3.4
‑
5.0mm
，短半轴
B
为
3.0mm
，其弹簧丝横截面椭圆尺寸的长半轴
a
为
1.3
‑
1.5mm
，短半轴
b
为
0.8
‑
1.0mm
，弹簧丝节距
t
为
4.0
‑
6.3mm
，其弯曲弹性模量为
170
‑
396MPa。
[0016]所述肋骨部分为
TC4
钛合金类弹簧结构，类弹簧外包络椭圆尺寸的长半轴
A
为
3.4
‑
5.0mm
，短半轴
B<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种具备梯度力学过渡的肋骨植入结构，其特征在于：所述肋骨植入结构为弹性模量呈梯度变化的弹性结构，沿长度方向力学水平依次满足人体肋软骨部分和肋骨部分力学性能，肋软骨部分和肋骨部分之间采用力学的梯度过渡结构，所述肋软骨部分的外端与胸骨植入物连接，所述肋骨部分的外端与人体肋骨缺失端连接；所述梯度过渡结构衔接于肋软骨部分和肋骨部分之间，实现植入肋骨从低模量到高模量结构力学梯度过渡
。2.
根据权利要求1所述一种具备梯度力学过渡的肋骨植入结构，其特征在于：所述肋骨植入结构的外包络椭圆尺寸设定与人体自然肋骨外形尺寸一致，当长半轴
A
＝
3.4mm
，短半轴
B
＝
3.0mm
时，肋软骨部分弯曲弹性模量为
396MPa
，肋骨部分弯曲弹性模量为
10.9GPa
；当长半轴
A
＝
5.0mm
，短半轴
B
＝
3.0mm
时，肋软骨部分弯曲弹性模量为
170MPa
，肋骨部分弯曲弹性模量为
3.6GPa。3.
根据权利要求1所述一种具备梯度力学过渡的肋骨植入结构，其特征在于：所述肋骨植入结构为类弹簧状肋骨结构；所述梯度过渡结构为
TC4
钛合金，从肋软骨部分到肋骨部分之间包括三阶梯度变化，三阶梯度的弹簧丝截面长半轴
a
依次分别为
1.6
‑
2.4mm、2.4
‑
3.2mm、3.2
‑
4.8mm
，三阶梯度的短半轴
b
均为
1.0mm
，三阶梯度的弹簧丝节距
t
依次分别为
5.5、7.0、10.0mm。4.
根据权利要求3所述一种具备梯度力学过渡的肋骨植入结构，其特征在于：所述肋软骨部分为
TC4
钛合金类弹簧结构，类弹簧外包络椭圆尺寸的长半轴
A
为
3.4
‑
5.0mm
，短半轴
B
为
3.0mm
，其弹簧丝横截面椭圆尺寸的长半轴
a
为
1.3
‑
1.5mm
，短半轴
b
为
0.8
‑
1.0mm
，弹簧丝节距
t
为
4.0
‑
6.3mm
，其弯曲弹性模量为
170
‑
396MPa。
所述肋骨部分为
TC4
钛合金类弹簧结构，类弹簧外包络椭圆尺寸的长半轴
A
为
3.4
‑
5.0mm
，短半轴
B
为
3.0mm
，其弹簧丝横截面椭圆尺寸的长半轴
a
为
4.8mm
，短半轴
b
为
1.2mm
，弹簧丝节距
t
为
10.0mm
，其弯曲弹性模量为
3.6
‑
10.9GPa。5.
根据权利要求1所述一种具备梯度力学过渡的肋骨植入结构，其特征在于：所述肋软骨部分的外端与胸骨植入物之间采用加固结构连接；所述加固结构顶端截面与肋软骨部分的外端截面一致并平滑连接，其底端与胸骨植入物侧壁光滑连接，且加固结构从顶端到底端的径向截面面积沿轴向递增
。6.
一种权利要求1‑5任一项所述具备梯度力学过渡的肋骨植入结构的设计方法，其特征在于具体步骤如下：步骤1：构建弹性结构的有限元应力应变分析模型，结合实验验证肋骨植入结构的结构参数对力学性能的影响；步骤2：构建结构参数...

【专利技术属性】
技术研发人员：于君，林鑫，唐寅林，梁嘉赫，伊江浦，曹铁生，黄卫东，
申请(专利权)人：中国人民解放军空军军医大学，
类型：发明
国别省市：