一种3D打印个体化定制仿生微孔髋臼卯榫补块及制作方法

一种3d打印个体化定制仿生微孔髋臼卯榫补块及制作方法
技术领域
1.本发明涉及一种髋臼重建补块，特别涉及一种基于3d打印的个体化定制、具有仿生微孔结构的髋臼卯榫补块及其制作方法。


背景技术：

2.髋关节发育不良是继发性髋关节炎的常见原因之一。当出现临床症状且影响患者生活质量时，全髋关节置换是最终的治疗方式。然而髋关节发育不良患者存在髋臼形态异常，如髋臼外上方骨缺损、髋臼周围骨量减少等，给全髋关节置换术中重建髋臼、建立臼杯假体初始稳定性带来技术上的挑战。目前髋关节发育不良全髋关节置换术中常用的髋臼重建方法主要包括臼杯高旋转中心放置技术、髋臼内陷技术、髋臼结构性植骨技术、髋臼钛网联合打压植骨技术、髋臼垫块植入技术等。然而，现有技术主要存在以下问题：
3.1.臼杯高旋转中心放置、髋臼内陷技术不能保存和增加髋周骨量，并导致正常髋关节旋转中心移位，明显改变和增加髋关节受力，增加髋臼假体的松动、失败率。
4.2.髋臼结构性植骨技术、钛网联合打压植骨技术存在术后移植骨不融合、骨吸收、塌陷、钛网折弯、折断等问题,容易导致髋臼假体松动和移位。
5.3.髋臼垫块尽管能够原位填充、修补髋臼骨缺损，但现有的髋臼垫块主要存在以下缺点：(1)是按图纸标准化提前加工制造的成品，结构单一、尺寸固定，对于复杂形态髋臼骨缺损不能良好匹配，无法在手术过程中根据需要灵活调整；髋臼垫块与髋臼骨接触的面多为半球形，不易固定，容易发生位移，无法给臼杯架体足够的支撑，影响臼杯假体的稳定性；(2)表面喷涂工艺，骨长入性差，在术后长期的运动过程中，容易造成髋臼垫块的松动，不能保证髋臼假体的位置稳定性；(3)尽管钛基材料与人体骨骼生物力学特征相近，并已广泛应用于髋臼垫块等人体植入物的制作，其较高的弹性模量等力学固有属性仍存在应力遮挡导致局部骨溶解、植入物松动的风险。


技术实现要素：

6.为了解决上述技术问题，本发明提供一种3d打印个体化定制仿生微孔髋臼卯榫补块，所述的卯榫补块为3d打印的实体结构，外表面包括上表面、下表面、外侧面和内侧面，其中内侧面的上边缘和下边缘分别与上表面和下表面的一侧边相接，形成嵌入髋臼骨缺损位置的榫结构，外侧面的上边缘和下边缘分别与上表面和下表面的另一侧边相接，包围成整体卯榫补块结构；所述的下表面为弧面，与髋臼臼杯假体的弧度相同；卯榫补块的外侧面和上表面与内侧面的交界处之间设有一个或数个贯穿的第一螺纹孔，外侧面和上表面之间设有一个或数个贯穿的第二螺纹孔，外侧面和内侧面之间设有一个或数个贯穿的第三螺纹孔，上表面和下表面之间设有一个或数个贯穿的第四螺纹孔。四种形式的螺纹孔的设置能够保证对卯榫补块的多角度固定，最大限度的保证稳定性，防止侧滑或位移。
7.进一步的，卯榫补块的上表面与内侧面之间夹角为75
°
～120
°
，该角度范围能够保证卯榫补块不会侧滑或位移，能够与髋臼骨缺损处的卯槽形成牢固的卯榫嵌合。
8.作为优选，卯榫补块上设有三个第一螺纹孔，设有两个第二螺纹孔，设有四个第三螺纹孔，设有两个第四螺纹孔；在补块的外侧面上，三个第一螺纹孔等间距设在中部，两个第二螺纹孔设在上部，第二螺纹孔与第一螺纹孔交错设置；四个第三螺纹孔等间距设在下部，第三螺纹孔与第一螺纹孔交错设置；在卯榫补块的上表面上，第四螺纹孔与第一螺纹孔和第二螺纹孔交错设置。这样设计能保证卯榫补块的整体强度，又能最大限度的设置足够多的螺纹孔用于固定，且各个螺纹孔之间互不干扰不会交叉，保证卯榫补块的稳定性。
9.进一步的，所述的第一螺纹孔、第二螺纹孔、第三螺纹孔和第四螺纹孔的直径为3.5mm～4.5mm。孔径过大会影响卯榫补块的结构强度。
10.卯榫补块的外侧面和内侧面之间设有一个或数个贯穿的固定针孔。
11.进一步的，所述的固定针孔位于外侧面和内侧面的下部，固定针孔的直径为2.0mm～4.0mm，避免影响其他螺纹孔的布置，防止与螺纹孔交叉。
12.卯榫补块上设有贯穿的类骨小梁仿生微孔。
13.进一步的，所述的仿生微孔的形状为圆形、四边形或三角形中的一种或多种；孔径为200μm～600μm、孔隙率为65％～85％。
14.进一步的，所述的内侧面形状为月牙形，保证卯榫补块的应力分布更均匀，承重能力最强。
15.作为优选，卯榫补块上表面、下表面、外侧面和内侧面之间的交界处为倒角结构，防止应力集中导致的骨损伤与骨吸收。
16.本发明还提供一种3d打印个体化定制仿生微孔髋臼卯榫补块，包括以下步骤：
17.(1)髋臼骨缺损的个体化评估：
18.根据患者三维ct数据，重建髋臼骨缺损数字模型，并利用3d打印技术构建立体模型，分析评估骨缺损位置、面积与形态结构，规划骨缺损区卯榫补块填充方案；
19.(2)卯榫补块的个体化结构设计：
20.根据骨缺损位置、面积与形态结构以及髋臼臼杯假体的弧度，设计卯榫补块形态、结构尺寸参数，确定上表面、下表面、外侧面和内侧面的形状和大小，构建卯榫补块立体模型，其中内侧面的上边缘和下边缘分别与上表面和下表面的一侧边相接，上表面与内侧面之间夹角为75
°
～120
°
，形成嵌入髋臼骨缺损位置的榫结构；外侧面的上边缘和下边缘分别与上表面和下表面的另一侧边相接，包围成整体补块结构；所述的下表面为弧面，与髋臼臼杯假体的弧度相同；所述的内侧面形状为月牙形；
21.(3)设计卯榫补块的孔位结构：
22.在卯榫补块立体模型上设计第一螺纹孔、第二螺纹孔、第三螺纹孔和第四螺纹孔以及固定针孔的位置、孔径和数量；其中补块的外侧面和上表面与内侧面的交界处之间设有一个或数个贯穿的第一螺纹孔，外侧面和上表面之间设有一个或数个贯穿的第二螺纹孔，外侧面和内侧面之间设有一个或数个贯穿的第三螺纹孔，上表面和下表面之间设有一个或数个贯穿的第四螺纹孔，第一螺纹孔、第二螺纹孔、第三螺纹孔和第四螺纹孔的直径为3.5mm～4.5mm；外侧面和内侧面之间设有一个或数个贯穿的固定针孔，固定针孔的直径为2.0mm～4.0mm；
23.(4)设计卯榫补块的仿生微孔结构：
24.卯榫补块的整体设有贯穿的类骨小梁仿生微孔，仿生微孔的形状为圆形、四边形或三角形中的一种或多种；孔径为200μm～600μm、孔隙率为65％～85％；
25.(5)3d打印卯榫补块：
26.卯榫补块整体模型设计完成后，利用3d打印机进行卯榫补块的钛合金或聚醚醚酮3d打印，完成卯榫补块的制作。
27.本发明卯榫补块的使用方法：
28.根据患者实际情况完成定制打印制作卯榫补块，根据卯榫补块的结构，对患者臼杯上方髋臼骨缺损部位进行处理，形成与卯榫补块形状大小相适应的卯槽，将卯榫补块嵌入卯槽中，使卯榫补块上表面与卯槽上壁贴合，内侧面与卯槽内壁贴合，使用克氏针穿过卯榫补块的固定针孔将卯榫补块初步固定在髋臼骨缺损部位，然后依次使用螺钉穿过卯榫补块的第一螺纹孔、第二螺纹孔、第三螺纹孔和第四螺纹孔将卯榫补块固定在髋臼骨缺损部位。
29.本发明的有益效果：
30.本发明解决了现有技术在髋臼骨缺损重建过程中，不利于恢复髋关节旋转中心、植入物与骨缺损形态不匹配、植入物骨长入不良、初始与远期稳定性差等问题。以匹配骨缺损形态、提高髋臼假体的位置稳定性为目的，与改变髋关节旋转中心或改进各类植骨技术相比，直接优化髋臼垫块形态结构的方法更加灵活，并对髋臼假体本身影响较小。本发明采用3d打印技术个体化评估髋臼骨缺损形态，并定制与其相匹配的髋臼补块，在个体化形态匹配基础上，改良传统髋臼垫块的结构性设计，可以在保证原位重建髋关节旋转中心的同时，最大程度的增加臼杯、补块和骨缺损形态匹配程度，这样可以更加有效的增加臼杯上方覆盖和力学支撑强度，增加臼杯、补块、髋臼骨量之间的约束和位置稳定性，应用克氏针、螺钉固定，通过补块与骨缺损形成卯榫结合的方式最大程度防止移位的发生，进一步提高植入物的位置稳定性。本发明参考中国古建筑卯榫结构进行骨缺损的修补、重建，有效提高骨缺损局部填充物的位置稳定性。在人体植入物的材质选择方面，与传统钛合金材料相比，聚醚醚酮的力学特征更接近于人体骨骼，并具有良好人体相容性。同时，与传统髋臼假体或垫块表面喷涂工艺相比，仿照人体骨小梁结构的仿生微孔结构设计，能够更有利于植入物在体内的骨长入和长期位置稳定性。
附图说明
31.图1为本发明整体结构示意图；
32.图2为本发明侧视结构示意图；
33.图3为本发明上表面观测示意图；
34.图4为本发明内侧面观测示意图；
35.图5为本发明外侧面观测示意图；
36.图6为本发明下表面观测示意图；
37.图7为本发明中轴纵切面及体内植入示意图；
38.图8为本发明中轴旁纵切面及体内植入示意图一；
39.图9为本发明中轴旁纵切面及体内植入示意图二；
40.1、上表面2、下表面3、外侧面4、内侧面5、臼杯假体6、固定针孔7、仿生微孔8、髋臼
骨a、第一螺纹孔b、第二螺纹孔c、第三螺纹孔d、第四螺纹孔。
具体实施方式
41.请参阅图1
‑
6所示：
42.本发明提供一种3d打印个体化定制仿生微孔髋臼卯榫补块，所述的卯榫补块为3d打印的实体结构，外表面包括上表面1、下表面2、外侧面3和内侧面4，其中内侧面4的上边缘和下边缘分别与上表面1和下表面2的一侧边相接，上表面与内侧面之间夹角为75
°
或90
°
或105
°
或120
°
，形成嵌入髋臼骨缺损位置的榫结构；外侧面3的上边缘和下边缘分别与上表面1和下表面2的另一侧边相接，包围成整体卯榫补块结构；本实施例卯榫补块的内侧面4为月牙形结构，下表面2为弧面，与髋臼臼杯假体5的弧度相同，对应臼杯假体5的直径为44mm～60mm；卯榫补块的外侧面3和上表面1与内侧面4的交界处之间设有三个贯穿的第一螺纹孔a，外侧面3和上表面1之间设有两个贯穿的第二螺纹孔b，外侧面3和内侧面4之间设有四个贯穿的第三螺纹孔c，上表面1和下表面2之间设有两个贯穿的第四螺纹孔d。
43.在补块的外侧面3上，三个第一螺纹孔a等间距设在中部，两个第二螺纹孔b设在上部，第二螺纹孔b与第一螺纹孔a交错设置；四个第三螺纹孔c等间距设在下部，第三螺纹孔c与第一螺纹孔a交错设置；在卯榫补块的上表面1上，第四螺纹孔d与第一螺纹孔a和第二螺纹孔b交错设置。
44.进一步的，所述的第一螺纹孔a、第二螺纹孔b、第三螺纹孔c和第四螺纹孔d的直径为3.5mm～4.5mm。
45.卯榫补块的外侧面3和内侧面4之间设有五个贯穿的固定针孔6。
46.进一步的，所述的固定针孔6位于外侧面3和内侧面4的下部，固定针孔6的直径为2.0mm～4.0mm。
47.卯榫补块上设有贯穿的类骨小梁仿生微孔7。
48.进一步的，所述的仿生微孔7的形状为圆形、四边形或三角形中的一种或多种；孔径为220μm、孔隙率为65％～85％。
49.卯榫补块上表面1、下表面2、外侧面3和内侧面4之间的交界处为倒角结构。
50.本发明还提供一种3d打印个体化定制仿生微孔髋臼卯榫补块，包括以下步骤：
51.(1)髋臼骨缺损的个体化评估：
52.根据患者三维ct数据，重建髋臼骨8缺损位置数字模型，并利用3d打印技术构建立体模型，分析评估骨缺损位置、面积与形态结构，规划骨缺损区卯榫补块填充方案；
53.(2)卯榫补块的个体化结构设计：
54.根据骨缺损位置、面积与形态结构以及髋臼臼杯假体5的弧度，设计卯榫补块形态、结构尺寸参数，确定上表面1、下表面2、外侧面3和内侧面4的形状和大小，构建卯榫补块立体模型，卯榫补块内侧面4的上边缘和下边缘分别与上表面1和下表面2的一侧边相接，上表面1与内侧面4之间夹角α为75
°
或90
°
或105
°
或120
°
，形成嵌入髋臼骨8缺损位置的榫结构；外侧面3的上边缘和下边缘分别与上表面1和下表面2的另一侧边相接，包围成整体补块结构；所述的下表面2为弧面，与臼杯假体5的弧度相同；所述的内侧面形状为月牙形。
55.(3)设计卯榫补块的孔位结构：
56.在卯榫补块立体模型上设计第一螺纹孔a、第二螺纹孔b、第三螺纹孔c和第四螺纹孔d以及固定针孔6的位置、孔径和数量；卯榫补块的外侧面3和上表面1与内侧面4的交界处之间设有三个贯穿的第一螺纹孔a，外侧面3和上表面1之间设有两个贯穿的第二螺纹孔b，外侧面3和内侧面4之间设有四个贯穿的第三螺纹孔c，上表面1和下表面2之间设有两个贯穿的第四螺纹孔d，第一螺纹孔a、第二螺纹孔b、第三螺纹孔c和第四螺纹孔d的直径为3.5mm～4.5mm；外侧面3和内侧面4之间设有五个贯穿的固定针孔6，固定针孔6的直径为2.0mm～4.0mm；
57.(4)设计卯榫补块的仿生微孔结构：
58.卯榫补块的整体设有贯穿的类骨小梁仿生微孔7，仿生微孔7的形状为圆形、四边形或三角形中的一种或多种；孔径为220μm、孔隙率为65％～85％；
59.(5)3d打印卯榫补块：
60.卯榫补块整体模型设计完成后，利用3d打印机进行卯榫补块的钛合金或聚醚醚酮3d打印，完成卯榫补块的制作。
61.请参阅图7
‑
9所示：
62.本发明卯榫补块的使用方法：
63.根据患者实际情况完成定制打印制作卯榫补块，根据卯榫补块的结构，对患者臼杯上方髋臼骨8缺损部位进行处理，形成与卯榫补块形状大小相适应的卯槽，将卯榫补块嵌入卯槽中，使卯榫补块上表面1与卯槽上壁贴合，内侧面4与卯槽内壁贴合，使用克氏针穿过卯榫补块的固定针孔6将卯榫补块初步固定在髋臼骨8缺损部位，然后依次使用螺钉穿过卯榫补块的第一螺纹孔a、第二螺纹孔b、第三螺纹孔c和第四螺纹孔d将卯榫补块固定在髋臼骨8缺损部位。