具有雙重空隙的人工骨假體的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種具有雙重空隙的人工骨假體的制備方法，屬于生物醫(yī)用假體技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]交通事故、自然災(zāi)害的發(fā)生，易導(dǎo)致人體骨骼的損傷，嚴(yán)重時(shí)會造成患者殘疾甚至失去生活自理能力，幫助骨損傷患者修復(fù)缺損或缺失的硬組織，更好地恢復(fù)人體硬組織功能是醫(yī)學(xué)界一直努力探索的課題。
[0003]人工骨假體作為解決和修復(fù)自體骨骼損傷的一種技術(shù)，截至目前，已經(jīng)得到全世界的認(rèn)可。然而，人工骨假體在實(shí)際使用過程中，其生物相容性和可靠性方面仍存在較大的問題，這是因?yàn)椋羌袤w由金屬制成，其本身含有一些毒性元素，置換后易出現(xiàn)排異和不適現(xiàn)象，現(xiàn)有技術(shù)中，可通過在骨假體表面進(jìn)行粗糙化處理，或是納米化處理，或是進(jìn)行羥基磷灰石涂層處理等方法提高骨假體的生物相容性，然而，單一的表面處理只能提高骨假體表面的骨誘導(dǎo)性，無法促進(jìn)假體的長期修復(fù)，而且，涂層處理還存在涂層容易脫落的問題，例如，中國專利CN201310122806和CN201310122725，即使在金屬假體外進(jìn)行生物涂層處理，但由于金屬與涂層兩種材料力學(xué)性能不一致，很容易開裂和脫落，從而降低了骨假體的可靠性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]鑒于上述原因，本發(fā)明的目的在于提供一種具有雙重空隙的人工骨假體的制備方法，利用該方法制備出的骨假體，不僅具有良好的生物相容性，同時(shí)具有良好的穩(wěn)定性。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0006]一種具有雙重空隙的人工骨假體的制備方法，包括以下步驟:
[0007]S1:利用醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)構(gòu)造原始骨骼的三維模型；
[0008]S2:根據(jù)原始骨骼三維模型和預(yù)構(gòu)造骨體空隙的大小確定基本單元，依據(jù)原始骨骼三維模型的形狀、大小以該基本單元為基礎(chǔ)構(gòu)建生成整體單元；
[0009]S3:將原始骨骼三維模型與該整體單元通過布爾運(yùn)算處理后，生成具有骨體空隙的骨骼三維模型；
[0010]S4:對生成的具有骨體空隙的骨骼三維模型進(jìn)行優(yōu)化處理；
[0011]S5:基于優(yōu)化后的骨骼三維模型，利用增材制造技術(shù)打印出具有骨體空隙的骨骼基體；
[0012]S6:在具有骨體空隙的骨骼基體上，進(jìn)行生物涂層處理。
[0013]進(jìn)一步的，
[0014]所述步驟S6中，進(jìn)行生物涂層處理包括以下步驟:
[0015]在所述骨骼基體上進(jìn)行第一層的涂層處理，將生物陶瓷溶液通過所述骨骼基體上的骨體空隙進(jìn)入骨假體內(nèi)部，形成骨骼基體的第一涂層，該第一涂層形成有稀松的粗空隙；
[0016]在所述骨骼基體上進(jìn)行第二層的涂層處理，將生物陶瓷溶液通過所述骨骼基體上的骨體空隙進(jìn)入骨假體內(nèi)部，形成骨骼基體的第二涂層，該第二涂層形成有密集的細(xì)空隙。
[0017]所述步驟S2中，根據(jù)骨假體的具體部位、臨床置換方案、固定情況及相關(guān)的生物力學(xué)知識確定出預(yù)構(gòu)造骨體空隙的分布范圍、疏密程度等。
[0018]所述步驟S2中，將所述基本單元分別于橫向、縱向上進(jìn)行復(fù)制、拼接，生成所述整體單元。
[0019]所述步驟S3中，將所述原始骨骼三維模型與整體單元進(jìn)行對齊處理，然后進(jìn)行布爾運(yùn)算，在所述原始骨骼三維模型的范圍內(nèi)減去所述整體單元，得到所述具有骨體空隙的骨骼三維模型，該模型從里到外呈現(xiàn)完全相通的骨體空隙。
[0020]所述步驟S2中，所述基本單元的具體形態(tài)根據(jù)骨骼的體積或薄厚程度確定，該基本單元的受力情況與其微觀受力形式相一致。
[0021]所述基本單元的形態(tài)可以呈HCP、FCC、BCC晶體形態(tài)。
[0022]所述步驟S4中，對所述具有骨體空隙的骨骼三維模型，進(jìn)行虛擬仿真分析及優(yōu)化，該虛擬仿真分析包括靜力學(xué)分析、運(yùn)動學(xué)分析、動力學(xué)分析。
[0023]所述步驟S5中，打印所述骨骼基體時(shí)，將骨骼三維模型整體縮小一定比例，為后續(xù)的生物涂層處理預(yù)留厚度空間。
[0024]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0025]依本發(fā)明的方法制備出的人工骨假體，具有雙重空隙:金屬制的骨骼基體具有骨體空隙，有利于生物陶瓷溶液經(jīng)骨體空隙進(jìn)入基體內(nèi)部，提高基體與涂層之間的結(jié)合穩(wěn)定性，防止涂層脫落；生物涂層具有兩層，且兩層涂層具有疏密度不同的空隙，稀疏的空隙有利于細(xì)胞的附著、生長與修復(fù)，密集的空隙可提高骨假體表面的致密度，提高耐磨性和強(qiáng)度，提高骨假體的可靠性。另外，本發(fā)明利用增材制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)，能夠快速打印出骨假體，且可節(jié)約材料，降低假體質(zhì)量。
【附圖說明】
[0026]圖1是本發(fā)明的方法流程示意圖。
[0027]圖2是本發(fā)明的人工骨假體的截面的微觀示意圖。
[0028]圖3是本發(fā)明一具體實(shí)施例的基本單元的微觀結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029]以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0030]圖1是本發(fā)明的方法流程示意圖，如圖所示，本發(fā)明公開的具有雙重空隙的人工骨假體的制備方法，包括以下步驟:
[0031]S1:利用醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)構(gòu)造原始骨骼的三維模型；
[0032]在人體骨骼MRI或CT數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，逐層提取出骨骼的外輪廓(可利用Mimics軟件提取)，然后根據(jù)每一層的外輪廓整體擬合生成原始骨骼的三維模型。
[0033]S2:根據(jù)原始骨骼的三維模型和預(yù)構(gòu)造骨體空隙的大小確定基本單元，依據(jù)原始骨骼三維模型的形狀、大小以基本單元為基礎(chǔ)構(gòu)建生成整體單元；
[0034]首先，根據(jù)原始骨骼的三維模型和預(yù)構(gòu)造骨體空隙的大小確定一種形態(tài)的基本單元，并根據(jù)骨假體的部位、臨床置換方案、固定情況及相關(guān)的生物力學(xué)知識確定出預(yù)構(gòu)造骨體空隙的分布范圍、疏密程度等，如，大體積的骨假體(如長骨)，構(gòu)造的骨體空隙應(yīng)大些，較薄的假體(如指骨)，構(gòu)造的骨體空隙應(yīng)密集一些；骨假體的固定部位及邊緣部分不易分布空隙，以免影響強(qiáng)度；
[0035]然后，根據(jù)原始骨骼三維模型的形狀、大小，將基本單元分別于橫向、縱向上進(jìn)行復(fù)制、拼接，生成與原始骨骼三維模型形狀、大小大體相適應(yīng)的整體單元；
[0036]圖3是本發(fā)明一具體實(shí)施例的基本單元的微觀結(jié)構(gòu)示意圖，如圖所示，基本單元6經(jīng)過橫向復(fù)制、拼接后生成橫向單元7，橫向單元7再經(jīng)過縱向復(fù)制、拼接后生成整體單元8;其中的復(fù)制、拼接過程是指，設(shè)置基本單元的復(fù)制個(gè)數(shù)及移動距離，實(shí)現(xiàn)多個(gè)基體單元的建模，并保證骨體空隙的相通、一致，以利于后續(xù)涂層的制作以及置換后細(xì)胞的修復(fù)。
[0037]基本單元的具體形態(tài)可以根據(jù)骨骼的體積或薄厚程度進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)原則是盡量使其受力情況與微觀受力形式相一致，基本單元的形態(tài)可以參考常見的晶體結(jié)構(gòu)，如HCP、FCC、BCC 等。
[0038]S3:將原始骨骼三維模型與整體單元通過布爾運(yùn)算處理后，生成具有骨體空隙的骨骼三維模型；
[0039]將原始骨骼三維模型與整體單元進(jìn)行對齊處理，然后進(jìn)行布爾運(yùn)算，在原始骨骼三維模型的范圍內(nèi)減去整體單元，得到具有骨體空隙的骨骼三維模型，該模型從里到外呈現(xiàn)出完全相通的骨體空隙。
[0040]S4:對生成的具有骨體空隙的骨骼三維模型進(jìn)行優(yōu)化處理；
[0041]對具有骨體空隙的骨骼三維模型，進(jìn)行虛擬仿真分析及優(yōu)化，具體的說，
[0042]根據(jù)生物力學(xué)知識，利用可實(shí)現(xiàn)靜力學(xué)虛擬仿真分析的軟件(如ABAQUS軟件)進(jìn)行靜力學(xué)分析，以保證人工骨假體結(jié)構(gòu)在靜態(tài)條件下的可靠性；然后，利用可實(shí)現(xiàn)動力學(xué)仿真分析的軟件(如ADAMS軟件)，建立與人工骨假體相配合的其他骨骼模型，并基于人體生物力學(xué)和康復(fù)工程中的相關(guān)知識進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真以確保人工骨假體在運(yùn)動條件下的可靠性和穩(wěn)定性；最后，利用MATLAB軟件進(jìn)行動力學(xué)仿真，進(jìn)一步確