具有双重空隙的人工骨假体的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种具有双重空隙的人工骨假体的制备方法，属于生物医用假体技术领域。
【背景技术】
[0002]交通事故、自然灾害的发生，易导致人体骨骼的损伤，严重时会造成患者残疾甚至失去生活自理能力，帮助骨损伤患者修复缺损或缺失的硬组织，更好地恢复人体硬组织功能是医学界一直努力探索的课题。
[0003]人工骨假体作为解决和修复自体骨骼损伤的一种技术，截至目前，已经得到全世界的认可。然而，人工骨假体在实际使用过程中，其生物相容性和可靠性方面仍存在较大的问题，这是因为，骨假体由金属制成，其本身含有一些毒性元素，置换后易出现排异和不适现象，现有技术中，可通过在骨假体表面进行粗糙化处理，或是纳米化处理，或是进行羟基磷灰石涂层处理等方法提高骨假体的生物相容性，然而，单一的表面处理只能提高骨假体表面的骨诱导性，无法促进假体的长期修复，而且，涂层处理还存在涂层容易脱落的问题，例如，中国专利CN201310122806和CN201310122725，即使在金属假体外进行生物涂层处理，但由于金属与涂层两种材料力学性能不一致，很容易开裂和脱落，从而降低了骨假体的可靠性。
【发明内容】
[0004]鉴于上述原因，本发明的目的在于提供一种具有双重空隙的人工骨假体的制备方法，利用该方法制备出的骨假体，不仅具有良好的生物相容性，同时具有良好的稳定性。
[0005]为实现上述目的，本发明采用以下技术方案:
[0006]一种具有双重空隙的人工骨假体的制备方法，包括以下步骤:
[0007]S1:利用医学影像数据构造原始骨骼的三维模型；
[0008]S2:根据原始骨骼三维模型和预构造骨体空隙的大小确定基本单元，依据原始骨骼三维模型的形状、大小以该基本单元为基础构建生成整体单元；
[0009]S3:将原始骨骼三维模型与该整体单元通过布尔运算处理后，生成具有骨体空隙的骨骼三维模型；
[0010]S4:对生成的具有骨体空隙的骨骼三维模型进行优化处理；
[0011]S5:基于优化后的骨骼三维模型，利用增材制造技术打印出具有骨体空隙的骨骼基体；
[0012]S6:在具有骨体空隙的骨骼基体上，进行生物涂层处理。
[0013]进一步的，
[0014]所述步骤S6中，进行生物涂层处理包括以下步骤:
[0015]在所述骨骼基体上进行第一层的涂层处理，将生物陶瓷溶液通过所述骨骼基体上的骨体空隙进入骨假体内部，形成骨骼基体的第一涂层，该第一涂层形成有稀松的粗空隙；
[0016]在所述骨骼基体上进行第二层的涂层处理，将生物陶瓷溶液通过所述骨骼基体上的骨体空隙进入骨假体内部，形成骨骼基体的第二涂层，该第二涂层形成有密集的细空隙。
[0017]所述步骤S2中，根据骨假体的具体部位、临床置换方案、固定情况及相关的生物力学知识确定出预构造骨体空隙的分布范围、疏密程度等。
[0018]所述步骤S2中，将所述基本单元分别于横向、纵向上进行复制、拼接，生成所述整体单元。
[0019]所述步骤S3中，将所述原始骨骼三维模型与整体单元进行对齐处理，然后进行布尔运算，在所述原始骨骼三维模型的范围内减去所述整体单元，得到所述具有骨体空隙的骨骼三维模型，该模型从里到外呈现完全相通的骨体空隙。
[0020]所述步骤S2中，所述基本单元的具体形态根据骨骼的体积或薄厚程度确定，该基本单元的受力情况与其微观受力形式相一致。
[0021]所述基本单元的形态可以呈HCP、FCC、BCC晶体形态。
[0022]所述步骤S4中，对所述具有骨体空隙的骨骼三维模型，进行虚拟仿真分析及优化，该虚拟仿真分析包括静力学分析、运动学分析、动力学分析。
[0023]所述步骤S5中，打印所述骨骼基体时，将骨骼三维模型整体缩小一定比例，为后续的生物涂层处理预留厚度空间。
[0024]本发明的优点在于:
[0025]依本发明的方法制备出的人工骨假体，具有双重空隙:金属制的骨骼基体具有骨体空隙，有利于生物陶瓷溶液经骨体空隙进入基体内部，提高基体与涂层之间的结合稳定性，防止涂层脱落；生物涂层具有两层，且两层涂层具有疏密度不同的空隙，稀疏的空隙有利于细胞的附着、生长与修复，密集的空隙可提高骨假体表面的致密度，提高耐磨性和强度，提高骨假体的可靠性。另外，本发明利用增材制造技术实现，能够快速打印出骨假体，且可节约材料，降低假体质量。
【附图说明】
[0026]图1是本发明的方法流程示意图。
[0027]图2是本发明的人工骨假体的截面的微观示意图。
[0028]图3是本发明一具体实施例的基本单元的微观结构示意图。
【具体实施方式】
[0029]以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。
[0030]图1是本发明的方法流程示意图，如图所示，本发明公开的具有双重空隙的人工骨假体的制备方法，包括以下步骤:
[0031]S1:利用医学影像数据构造原始骨骼的三维模型；
[0032]在人体骨骼MRI或CT数据的基础上，逐层提取出骨骼的外轮廓(可利用Mimics软件提取)，然后根据每一层的外轮廓整体拟合生成原始骨骼的三维模型。
[0033]S2:根据原始骨骼的三维模型和预构造骨体空隙的大小确定基本单元，依据原始骨骼三维模型的形状、大小以基本单元为基础构建生成整体单元；
[0034]首先，根据原始骨骼的三维模型和预构造骨体空隙的大小确定一种形态的基本单元，并根据骨假体的部位、临床置换方案、固定情况及相关的生物力学知识确定出预构造骨体空隙的分布范围、疏密程度等，如，大体积的骨假体(如长骨)，构造的骨体空隙应大些，较薄的假体(如指骨)，构造的骨体空隙应密集一些；骨假体的固定部位及边缘部分不易分布空隙，以免影响强度；
[0035]然后，根据原始骨骼三维模型的形状、大小，将基本单元分别于横向、纵向上进行复制、拼接，生成与原始骨骼三维模型形状、大小大体相适应的整体单元；
[0036]图3是本发明一具体实施例的基本单元的微观结构示意图，如图所示，基本单元6经过横向复制、拼接后生成横向单元7，横向单元7再经过纵向复制、拼接后生成整体单元8;其中的复制、拼接过程是指，设置基本单元的复制个数及移动距离，实现多个基体单元的建模，并保证骨体空隙的相通、一致，以利于后续涂层的制作以及置换后细胞的修复。
[0037]基本单元的具体形态可以根据骨骼的体积或薄厚程度进行设计，设计原则是尽量使其受力情况与微观受力形式相一致，基本单元的形态可以参考常见的晶体结构，如HCP、FCC、BCC 等。
[0038]S3:将原始骨骼三维模型与整体单元通过布尔运算处理后，生成具有骨体空隙的骨骼三维模型；
[0039]将原始骨骼三维模型与整体单元进行对齐处理，然后进行布尔运算，在原始骨骼三维模型的范围内减去整体单元，得到具有骨体空隙的骨骼三维模型，该模型从里到外呈现出完全相通的骨体空隙。
[0040]S4:对生成的具有骨体空隙的骨骼三维模型进行优化处理；
[0041]对具有骨体空隙的骨骼三维模型，进行虚拟仿真分析及优化，具体的说，
[0042]根据生物力学知识，利用可实现静力学虚拟仿真分析的软件(如ABAQUS软件)进行静力学分析，以保证人工骨假体结构在静态条件下的可靠性；然后，利用可实现动力学仿真分析的软件(如ADAMS软件)，建立与人工骨假体相配合的其他骨骼模型，并基于人体生物力学和康复工程中的相关知识进行运动学仿真以确保人工骨假体在运动条件下的可靠性和稳定性；最后，利用MATLAB软件进行动力学仿真，进一步确