一种骨诱导差异化的金属骨小梁膝关节假体及其制备方法与流程

本发明涉及医疗器械领域，尤其涉及一种骨诱导差异化的金属骨小梁膝关节假体及其制备方法。

背景技术：

骨科人工假体植入手术中，如何实现假体与骨之间有效的骨整合，假体是否具备有利于后期骨长入的界面，一直是临床医生非常关心的焦点。

骨小梁结构是骨内的一种立体网状结构，孔隙之间互相连通。是一种具有紧密孔隙结构的复杂组织。

骨的受力：在正常人体骨骼中成骨细胞和破骨细胞通过受力来对骨的生长或吸收进行调控。当骨的应力低于2MPa时，骨组织发生吸收；当骨的应力约在20-60MPa时，骨组织发生生长；而当骨的应力约高于60MPa时，骨组织发生损伤。所以，如果植入假体无法满足各个接触面不同的受力需求，就会发生一些受力区域由于应力遮挡发生骨吸收或骨损伤的情况。

骨根据受力不同，骨小梁结构也不同。受力相同的前提下，菱形结构达到80％的孔隙率时，与天然骨小梁结构最接近且抗压能力最匹配。

目前，全球人工膝关节假体中，未出现根据膝关节不同受力区域配置不同金属骨小梁结构的假体设计，未能解决临床医生关心的膝关节术后假体与骨界面良好整合的问题。

现阶段的金属骨小梁产品检测手段为有损检测，而无损检测是在不损坏试件的条件下，以物理或化学方法为手段，借助先进的技术和设备器材，对试件的内部及表面的结构、性质、状态进行检查和测试的方法。其特点具有非破坏性、互容性、动态性、严格性等。解决了现阶段必须有损检测的问题，为批量化生产提供了可靠的保证。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中存在的不足，提供一种本发明所要解决的技术问题是提供一种骨诱导差异化的金属骨小梁膝关节假体结构，实现膝关节骨整合界面在受力与骨诱导性能方面的平衡，进而实现同一假体部件骨整合界面上骨整合的同步性。

本发明是通过以下技术方案予以实现：

一种骨诱导差异化的金属骨小梁膝关节假体的制备方法，包括以下步骤：

(1)膝关节金属骨小梁界面按照应力和应变进行梯度分区；

利用计算机技术建立人体股骨、胫骨、髌骨及膝关节假体模型，采用有限元分析的方法在股骨头旋转中心施加3至5倍的人体重量载荷，确认骨整合界面的应力和应变，并进行梯度分区；

当骨的应变低于100微应变、应力低于2MPa时，骨组织发生吸收，骨整合界面为菱形多孔结构；

当骨的应变在1500-3000微应变、应力在20-60MPa时，骨组织发生生长，骨整合界面为螺旋形多孔结构；

当骨的应变高于3000微应变、应力高于60MPa时，骨组织发生损伤，骨整合界面为圆形多孔结构；

(2)根据骨整合界面的特性，对膝关节金属骨小梁多孔结构进行参数化设计：当骨应力低于2MPa时，孔径在700-900μm之间，孔隙率约为90％；当骨应力在20-60MPa时，孔径在500-700μm之间，孔隙率约为80％；当骨应力高于60MPa时，孔径在300-500μm之间，孔隙率约为70％；

(3)根据不同多孔结构的数学模型，在CAD软件中分别构建其三维模型，使其达到使用要求；

(4)将三维模型转换为STL格式的文件保存，然后将该文件导入至电子束设备的系统控制软件中进行切片分层处理，最小单层厚度为50μm。

(5)将切片分层处理后的模型进行制造。在制造过程中，采用瑞典Arcam公司的Q10Plus电子束熔融技术设备，该设备具有在线监测功能，记录打印过程中的传感器示数，包括真空度、电子束功率、高压放电次数、取粉量等，所有传感器示数均设有上限报警数值和下限报警数值，并且利用机器视觉方法对打印过程进行逐层检测；Q10Plus设备的具体参数为：最大电子束功率3kW，压缩空气最大供气压力为9巴，环境温度控制在20至25摄氏度，湿度在40％以下；

(6)打印结束后，调取电子束设备生成的在线监测报告，查看是否存在缺陷。待零件在设备中自然冷却后，使用压缩空气分离金属骨小梁结构周围及孔隙内的未熔化粉末颗粒。取出零件后，对金属骨小梁结构参数进行无损快速检测，采用质量-体积直接计算法来检测孔隙率，从而验证产品各参数是否达到设计要求，最后清洗、灭菌、包装。在质量-体积直接计算法公式中，M为试样质量(g)，V为试样体积(cm³)，ρ_S为多孔体对应致密固体材质的密度(g/cm³)；

(7)在10万级洁净间内对产品进行最终清洗，清洗干燥后的产品采用3层PAPE/CPT 7层复合膜包装袋进行真空吸塑包装，外加1层包装盒和1层吸塑膜外包装，辐照灭菌后使用。

所述膝关节假体模型为后交叉韧带不保留型膝关节假体，其设有相互配合的后交叉韧带不保留型胫骨平台假体及后交叉韧带不保留型股骨髁假体，所述后交叉韧带不保留型胫骨平台假体下表面一侧设有两个胫骨平台六角形连接立柱，另一侧设有胫骨平台圆柱形连接立柱；

根据步骤(1)中的梯度区分所得的结果为：

后交叉韧带不保留型胫骨平台假体的骨整合界面中，

后交叉韧带不保留型胫骨平台下表面外侧1/2表面材质的骨的应变低于100微应变、应力低于2MPa；

后交叉韧带不保留型胫骨平台下表面内侧1/2表面材质骨的应变在1500-3000微应变、应力在20-60MPa；

胫骨平台六角形连接立柱及胫骨平台圆柱形连接立柱的表面材质的骨的应变高于3000微应变、应力高于60MPa；

后交叉韧带不保留型股骨髁假体的骨整合界面中，

后交叉韧带不保留型股骨髁假体后髁表面材质的骨的应变低于100微应变、应力低于2MPa；

后交叉韧带不保留型股骨髁假体髁间材质的骨的应变高于3000微应变、应力高于60MPa；

后交叉韧带不保留型股骨髁假体前髁及其余骨整合界面材质骨的应变在1500-3000微应变、应力在20-60MPa。

所述膝关节假体模型为后交叉韧带保留型膝关节假体，其设有相互配合的后交叉韧带保留型胫骨平台及后交叉韧带保留型股骨髁假体，后交叉韧带保留型胫骨平台假体下侧设有胫骨平台连接圆柱，连接圆柱两侧对称设有胫骨平台三角翼板；

所述后交叉韧带保留型股骨髁假体两侧对称设置股骨髁六角形连接立柱；

根据步骤(1)中的梯度区分所得的结果为：

后交叉韧带保留型胫骨平台假体的骨整合界面中，

后交叉韧带保留型胫骨平台本体下表面材质的骨的应变低于100微应变、应力低于2MPa；

后交叉韧带保留型圆柱形胫骨平台连接立柱材质的骨的应变在1500-3000微应变、应力在20-60MPa；

两个胫骨平台三角翼板材质的骨的应变高于3000微应变、应力高于60MPa；

后交叉韧带保留型股骨髁假体的骨整合界面中，

后交叉韧带保留型股骨髁假体的后髁材质的骨的应变低于100微应变、应力低于2MPa；

后交叉韧带保留型股骨髁假体的前髁材质的骨的应变在1500-3000微应变、应力在20-60MPa；

后交叉韧带保留型股骨髁的股骨髁六角形连接立柱及其余骨整合界面材质的骨的应变高于3000微应变、应力高于60MPa。

所述膝关节假体模型设有髌骨假体，髌骨假体包括髌骨假体主体及设于髌骨假体主体外侧的髌骨连接柱；

髌骨假体的骨整合面中，

髌骨假体主体外表面材质的骨的应变在1500-3000微应变、应力在20-60MPa；

髌骨连接柱外表面材质的骨的应变高于3000微应变、应力高于60MPa。

一种应用权利要求1所述的骨诱导差异化的金属骨小梁膝关节假体的制备方法制备的骨诱导差异化的金属骨小梁膝关节假体，包括胫骨平台假体，设于胫骨平台假体上的胫骨平台垫假体，设于胫骨平台垫假体上的股骨髁假体及设于胫骨平台垫假体与股骨髁假体前端的髌骨假体，所述胫骨平台假体、股骨髁假体及髌骨假体的骨整合界面为骨诱导差异化金属骨小梁结构。

所述膝关节假体模型为后交叉韧带不保留型膝关节假体，其设有相互配合的后交叉韧带不保留型胫骨平台假体及后交叉韧带不保留型股骨髁假体，所述后交叉韧带不保留型胫骨平台假体下表面一侧设有两个胫骨平台六角形连接立柱，另一侧设有胫骨平台圆柱形连接立柱；

后交叉韧带不保留型胫骨平台假体的骨整合界面中，

后交叉韧带不保留型胫骨平台下表面外侧1/2表面材质为菱形多孔结构金属骨小梁；

后交叉韧带不保留型胫骨平台下表面内侧1/2表面材质为螺旋形多孔结构的金属骨小梁；

胫骨平台六角形连接立柱及胫骨平台圆柱形连接立柱的表面材质为圆形多孔结构的金属骨小梁；

后交叉韧带不保留型股骨髁假体的骨整合界面中，

后交叉韧带不保留型股骨髁假体后髁表面材质为菱形多孔结构金属骨小梁；

后交叉韧带不保留型股骨髁假体髁间材质为圆形多孔结构的金属骨小梁；

后交叉韧带不保留型股骨髁假体前髁及其余骨整合界面材质为螺旋形多孔结构的金属骨小梁。

所述膝关节假体模型为后交叉韧带保留型膝关节假体，其设有相互配合的后交叉韧带保留型胫骨平台及后交叉韧带保留型股骨髁假体，后交叉韧带保留型胫骨平台假体下侧设有胫骨平台连接圆柱，连接圆柱两侧对称设有胫骨平台三角翼板；

所述后交叉韧带保留型股骨髁假体两侧对称设置股骨髁六角形连接立柱；

后交叉韧带保留型胫骨平台假体的骨整合界面中，

后交叉韧带保留型胫骨平台本体下表面材质为菱形多孔结构金属骨小梁；

后交叉韧带保留型圆柱形胫骨平台连接立柱材质为螺旋形多孔结构的金属骨小梁

两个胫骨平台三角翼板材质为圆形多孔结构的金属骨小梁；

后交叉韧带保留型股骨髁假体的骨整合界面中，

后交叉韧带保留型股骨髁假体的后髁材质为菱形多孔结构金属骨小梁；

后交叉韧带保留型股骨髁假体的前髁材质为螺旋形多孔结构的金属骨小梁；

后交叉韧带保留型股骨髁的股骨髁六角形连接立柱及其余骨整合界面材质为圆形多孔结构的金属骨小梁。

所述膝关节假体模型设有髌骨假体，髌骨假体包括髌骨假体主体及设于髌骨假体主体外侧的髌骨连接柱；

髌骨假体的骨整合面中，

髌骨假体主体外表面材质为螺旋形多孔结构的金属骨小梁；

髌骨连接柱外表面材质为圆形多孔结构的金属骨小梁。

本发明的有益效果是：

本发明实现了针对膝关节不同骨整合界面受力区域在受力与骨诱导性能方面的平衡，满足了骨诱导的差异化需求。

附图说明

图1是本发明的主视结构示意图。

图2是本发明的圆形多孔结构金属骨小梁结构示意图。

图3是本发明的菱形多孔结构金属骨小梁结构示意图。

图4是本发明的螺旋形多孔结构金属骨小梁结构示意图。

图5是本发明的后交叉韧带不保留型胫骨平台假体结构示意图。

图6是本发明的后交叉韧带不保留型股骨髁假体结构示意图。

图7是本发明的后交叉韧带保留型胫骨平台假体结构示意图。

图8是本发明的后交叉韧带保留型股骨髁假体结构示意图。

图9是本发明的髌骨假体主视结构示意图。

图10是本发明的制备方法的流程示意图。

图中：1.胫骨平台假体，2.胫骨平台垫假体，3.股骨髁假体，4.髌骨假体，5.圆形多孔结构，6.菱形多孔结构，7.螺旋形多孔结构，8.后交叉韧带不保留型胫骨平台假体，9.后交叉韧带不保留型股骨髁假体，10.胫骨平台六角形连接立柱，11.胫骨平台圆柱形连接立柱，12.后交叉韧带保留型胫骨平台，13.后交叉韧带保留型股骨髁假体，14.胫骨平台连接圆柱，15.胫骨平台三角翼板，16.股骨髁六角形连接立柱，17.髌骨假体主体，18.髌骨连接柱。

具体实施方式

为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和最佳实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明的骨诱导差异化的金属骨小梁膝关节假体的制备方法，包括以下步骤：

(1)膝关节金属骨小梁界面按照应力和应变进行梯度分区；

利用计算机技术建立人体股骨、胫骨、髌骨及膝关节假体模型，采用有限元分析的方法在股骨头旋转中心施加3至5倍的人体重量载荷，确认骨整合界面的应力和应变，并进行梯度分区；

当骨的应变低于100微应变、应力低于2MPa时，骨组织发生吸收，骨整合界面为菱形多孔结构；

当骨的应变在1500-3000微应变、应力在20-60MPa时，骨组织发生生长，骨整合界面为螺旋形多孔结构；

当骨的应变高于3000微应变、应力高于60MPa时，骨组织发生损伤，骨整合界面为圆形多孔结构；

(2)根据骨整合界面的特性，对膝关节金属骨小梁多孔结构进行参数化设计：当骨应力低于2MPa时，孔径在700-900μm之间，孔隙率约为90％；当骨应力在20-60MPa时，孔径在500-700μm之间，孔隙率约为80％；当骨应力高于60MPa时，孔径在300-500μm之间，孔隙率约为70％；

(3)根据不同多孔结构的数学模型，在CAD软件中分别构建其三维模型，使其达到使用要求；

(4)将三维模型转换为STL格式的文件保存，然后将该文件导入至电子束设备的系统控制软件中进行切片分层处理，最小单层厚度为50μm。

(5)将切片分层处理后的模型进行制造。在制造过程中，采用瑞典Arcam公司的Q10Plus电子束熔融技术设备，该设备具有在线监测功能，记录打印过程中的传感器示数，包括真空度、电子束功率、高压放电次数、取粉量等，所有传感器示数均设有上限报警数值和下限报警数值，并且利用机器视觉方法对打印过程进行逐层检测；Q10Plus设备的具体参数为：最大电子束功率3kW，压缩空气最大供气压力为9巴，环境温度控制在20至25摄氏度，湿度在40％以下；

(6)打印结束后，调取电子束设备生成的在线监测报告，查看是否存在缺陷。待零件在设备中自然冷却后，使用压缩空气分离金属骨小梁结构周围及孔隙内的未熔化粉末颗粒。取出零件后，对金属骨小梁结构参数进行无损快速检测，采用质量-体积直接计算法来检测孔隙率，从而验证产品各参数是否达到设计要求，最后清洗、灭菌、包装。在质量-体积直接计算法公式中，M为试样质量(g)，V为试样体积(cm³)，ρ_S为多孔体对应致密固体材质的密度(g/cm³)；

创新的使用无损检测法，替代传统的有损检测法，在不损坏试件的条件下，以物理或化学方法为手段，借助先进的技术和设备器材，对试件的内部及表面的结构、性质、状态进行检查和测试的。具有非破坏性、互容性、动态性、严格性等优点。

(7)在10万级洁净间内对产品进行最终清洗，清洗干燥后的产品采用3层PAPE/CPT 7层复合膜包装袋进行真空吸塑包装，外加1层包装盒和1层吸塑膜外包装，辐照灭菌后使用。

膝关节假体包括胫骨平台假体1，设于胫骨平台假体上的胫骨平台垫假体2，设于胫骨平台垫假体上的股骨髁假体3及设于胫骨平台垫假体与股骨髁假体前端的髌骨假体4；

根据本发明中的一种骨诱导差异化的金属骨小梁膝关节假体方法制备的膝关节假体的胫骨平台假体、股骨髁假体及髌骨假体的骨整合界面为骨诱导差异化金属骨小梁结构，即根据骨整合界面的特性，采用应力和应变越小的部位匹配骨诱导性能更佳的金属骨小梁结构的原则，在骨整合界面上按梯度分区且匹配不同结构的金属骨小梁。

如图5、图6，应用本发明骨诱导差异化的金属骨小梁膝关节假体及其制备方法所制备的膝关节假体一种实施例为：

膝关节假体模型为后交叉韧带不保留型膝关节假体，其设有相互配合的后交叉韧带不保留型胫骨平台假体8及后交叉韧带不保留型股骨髁假体9，后交叉韧带不保留型胫骨平台假体下表面一侧设有两个胫骨平台六角形连接立柱10，另一侧设有胫骨平台圆柱形连接立柱11；

根据步骤(1)中的梯度区分所得的结果为：

后交叉韧带不保留型胫骨平台假体的骨整合界面中，

后交叉韧带不保留型胫骨平台下表面外侧1/2表面材质的骨的应变低于100微应变、应力低于2MPa，因此其材质为菱形多孔结构金属骨小梁；

后交叉韧带不保留型胫骨平台下表面内侧1/2表面材质骨的应变在1500-3000微应变、应力在20-60MPa，因此其材质为螺旋形多孔结构的金属骨小梁；

胫骨平台六角形连接立柱及胫骨平台圆柱形连接立柱的表面材质的骨的应变高于3000微应变、应力高于60MPa，因此其材质为圆形多孔结构金属骨小梁；

后交叉韧带不保留型股骨髁假体的骨整合界面中，

后交叉韧带不保留型股骨髁假体后髁表面材质的骨的应变低于100微应变、应力低于2MPa，因此其材质为菱形多孔结构金属骨小梁；

后交叉韧带不保留型股骨髁假体髁间材质的骨的应变高于3000微应变、应力高于60MPa，因此其材质为圆形多孔结构的金属骨小梁；

后交叉韧带不保留型股骨髁假体前髁及其余骨整合界面材质骨的应变在1500-3000微应变、应力在20-60MPa，因此其材质为螺旋形多孔结构的金属骨小梁。

如图7、图8、应用本发明骨诱导差异化的金属骨小梁膝关节假体及其制备方法所制备的膝关节假体另一种实施例为：

所述膝关节假体模型为后交叉韧带保留型膝关节假体，其设有相互配合的后交叉韧带保留型胫骨平台12及后交叉韧带保留型股骨髁假体13，后交叉韧带保留型胫骨平台假体下侧设有胫骨平台连接圆柱14，连接圆柱两侧对称设有胫骨平台三角翼板15；

所述后交叉韧带保留型股骨髁假体两侧对称设置股骨髁六角形连接立柱16；

根据步骤(1)中的梯度区分所得的结果为：

后交叉韧带保留型胫骨平台假体的骨整合界面中，

后交叉韧带保留型胫骨平台本体下表面材质的骨的应变低于100微应变、应力低于2MPa；因此其材质为菱形多孔结构金属骨小梁；

后交叉韧带保留型圆柱形胫骨平台连接立柱材质的骨的应变在1500-3000微应变、应力在20-60MPa，因此其材质为螺旋形多孔结构的金属骨小梁。

两个胫骨平台三角翼板材质的骨的应变高于3000微应变、应力高于60MPa，因此其材质为圆形多孔结构的金属骨小梁。

后交叉韧带保留型股骨髁假体的骨整合界面中，

后交叉韧带保留型股骨髁假体的后髁材质的骨的应变低于100微应变、应力低于2MPa，因此其材质为菱形多孔结构金属骨小梁；

后交叉韧带保留型股骨髁假体的前髁材质的骨的应变在1500-3000微应变、应力在20-60MPa，因此其材质为螺旋形多孔结构的金属骨小梁；

后交叉韧带保留型股骨髁的股骨髁六角形连接立柱及其余骨整合界面材质的骨的应变高于3000微应变、应力高于60MPa。因此其材质为圆形多孔结构的金属骨小梁。

如图9，应用本发明骨诱导差异化的金属骨小梁膝关节假体及其制备方法所制备的膝关节假体，其中髌骨假体包括髌骨假体主体17,及设于髌骨假体主体外侧的髌骨连接柱18；

髌骨假体的骨整合面中，

髌骨假体主体外表面材质的骨的应变在1500-3000微应变、应力在20-60MPa，因此其材质为螺旋形多孔结构的金属骨小梁；

髌骨连接柱外表面材质的骨的应变高于3000微应变、应力高于60MPa，因此其材质为圆形多孔结构的金属骨小梁。

如图2，图3和图4，金属骨小梁的三维多孔结构主要包括圆形多孔结构5、菱形多孔结构6、螺旋形多孔结构7；本发明中的骨诱导差异化金属骨小梁结构根据膝关节受力区域的不同将三种多孔结构分别附着在膝关节假体表面的不同区域。

本发明中制作骨小梁原料的金属粉末为Ti6Al4V，Al、C、Fe、H、N、O、Ti、V中的一种或者组合。

本发明实现了针对膝关节不同骨整合界面受力区域在受力与骨诱导性能方面的平衡，满足了骨诱导的差异化需求。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。