一种钛合金多孔跟骨植入体结构及其加工方法与流程

本发明属于医疗器械技术领域，涉及一种钛合金多孔跟骨植入体结构，本发明还涉及上述结构的加工方法。

背景技术：

跟骨作为足部最大的一块跗骨主，是支撑人体结构和保持平衡的关键骨骼。在人体运动过程中，跟骨会频繁与外界环境发生接触及碰撞，易出现骨折损伤及骨刺等病症，如果出现严重损伤或肿瘤的情况，需要对跟骨进行切除，利用其他植入体来实现跟骨的置换。

针对跟骨的置换，传统方法主要采用植入钢板对部分骨结构进行拼接修复，近似形成类跟骨结构的几何特征，或是采用骨移植的方式来置换病患跟骨。由于跟骨结构特征较为复杂，整个结构由异形曲面包裹构成，采用植入钢板拼接修复的方式，很难与原始跟骨结构相匹配，不能实现跟骨的功能性，且钢板或钛板类结构弹性模量与人体差距较大，易出现“应力遮挡”问题。采用骨移植的方式，需要通过自体骨或异体骨移植，但会存在异体骨的排异反应和自体骨的二次创伤问题，且植入骨形状也无法与切除的跟骨相一致。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种钛合金多孔跟骨植入体结构，该跟骨结构直接基于患者原始跟骨结构ct影像，通过数字化三维模型重构实现植入体三维模型，保证其与原始跟骨结构的高度一致性，进而使其能在植入之后充分实现原始跟骨的功能性。

本发明的目的是还提供一种钛合金多孔跟骨植入体结构的加工方法。本发明所采用的技术方案是，一种钛合金多孔跟骨植入体结构，包括与人体跟骨结构相同的跟骨植入体本体，跟骨植入体本体的骰关节面侧壁上设有导板a，跟骨植入体本体的中距关节面侧壁上设有导板b，跟骨植入体本体的表面均匀开设有若干个圆孔。

本发明的特点还在于，

跟骨植入体本体为薄壁结构，壁厚为0.8～2mm。

导板a与骰关节面侧壁共面延伸，导板a为长方形结构，导板a的边缘采用圆角过渡，导板a的长度为12～20mm。

导板b从中距关节面侧壁上呈“l”形弧度延伸。

导板b为长方形结构，导板b的边缘采用圆角过渡，导板b的长度为10～15mm。

导板a和导板b均分别设有2～4个螺钉孔。

圆孔的轴线与对应的跟骨植入体本体呈法向关系，圆孔的孔径为1～6mm。

跟骨植入体本体上的圆孔所在区域被划分为小孔区、中间过渡区及大小孔交错区；

小孔区为靠近跟骨植入体本体边缘处的各圆孔所在区域；位于小孔区的圆孔孔径为1～2mm；

中间过渡区为小孔区与大小孔交错区之间的区域，位于中间过渡区的圆孔孔径为2～4mm；

大小孔交错区为远离跟骨植入体本体边缘的各圆孔所在区域；位于大小孔交错区的圆孔孔径为大孔和小孔相互交错设置，大孔的孔径为4～6mm；小孔的孔径为1～2mm。

相邻两个圆孔之间的间距大于等于0.8mm；位于小孔区的圆孔与跟骨植入体本体边缘的距离不小于1mm。

本发明采用的另一种技术方案为，一种钛合金多孔跟骨植入体结构的加工方法，具体包括如下步骤：

步骤1，对患者患处进行ct扫描，将ct扫描数据导入商用几何模型处理工具中，利用该工具中的几何修复功能，修复ct扫描后所得的患处离散面片特征及开发性边界，形成包络封闭的跟骨三维数据模型；

步骤2，参照ct影像，在步骤1获得的跟骨三维数据模型上设计导板a和导板b，导板a位置位于骰关节面侧壁，并与骰关节面侧壁共面延伸；

导板b位置位于中距关节面侧壁处，从中距关节面侧壁处呈“l”形弧度延伸以实现与周围骨骼贴合；

步骤3，将步骤2设计的导板a和导板b与步骤1获得的跟骨三维数据模型进行布尔运算求和，并在求和后的模型上连接过渡区进行面片光整处理；

步骤4，在步骤3所得的模型表面开设圆孔；各圆孔的轴线与对应开孔处的跟骨三维数据模型呈法向关系，即沿跟骨三维数据模型曲面法向开孔；

步骤5，将步骤4设计完成的模型输出为stl数据格式，导入商用前处理软件之中，形成切片文件，设定切片层厚为0.03～0.06mm；

步骤6，将步骤5形成的切片文件导入激光3d打印机中，采用钛合金粉末，设定激光选区熔化参数：激光功率：300kw～390kw、扫描速度：750～1300mm/s、搭接率：35％～60％，铺粉层厚与切片层厚保持一致，通过激光一次成形钛合金多孔跟骨植入体结构。

本发明的有益效果是，本发明一种钛合金多孔跟骨植入体结构与患者原始跟骨结构形貌几乎完全一致，可高度实现原始跟骨结构的功能性，植入体与导板为一体化连接，避免了采用常规手术导板造成的连接区域松动及配合不良的问题，植入体表面孔隙可形成周围肌体组织长入的通道，促进植入体与肌体的融合。多孔结构可有效降低原始结构的弹性模量从而降低“应力遮挡”的风险。

附图说明

图1是本发明一种钛合金多孔跟骨植入体结构的结构示意图；

图2是本发明一种钛合金多孔跟骨植入体结构中导板a与骰关节面连接处的结构示意图；

图3是本发明一种钛合金多孔跟骨植入体结构中导板b与中距关节面连接处的结构示意图；

图4是本发明一种钛合金多孔跟骨植入体结构中小孔区、中间过渡区及大小孔交错区的分布结构示意图。

图中，1.跟骨植入体本体，2.导板a，3.导板b，4.圆孔，5.骰关节面，6.中距关节面，7.小孔区，9.大小孔交错区。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种钛合金多孔跟骨植入体结构，如图1～3所示，包括与人体跟骨结构相同的跟骨植入体本体1，跟骨植入体本体1的骰关节面5侧壁上设有导板a2，跟骨植入体本体1的中距关节面6侧壁上设有导板b3，跟骨植入体本体1的表面均匀开设有若干个圆孔4。导板a2、导板b3均与跟骨植入体本体1为一体化结构；

跟骨植入体本体1为薄壁结构，壁厚为0.8～2mm。

导板a2与骰关节面5侧壁共面延伸，导板a2为长方形结构，导板a2的边缘采用圆角过渡，导板a2的长度为12～20mm。

导板b3从中距关节面6侧壁上呈“l”形弧度延伸，以实现与周围骨骼更好的贴合性。

导板b3为长方形结构，导板b3的边缘采用圆角过渡，导板b3的长度为10～15mm。

导板a2和导板b3上分别设有2～4个螺钉孔(用于安装医用螺钉)，该螺钉孔为植入体固定孔。

圆孔4的轴线与对应的跟骨植入体本体1呈法向关系，圆孔4的孔径为1～6mm。

如图4所示，跟骨植入体本体1上的圆孔4所在区域被划分为小孔区、中间过渡区及大小孔交错区；

小孔区为靠近跟骨植入体本体1边缘处的各圆孔4所在区域；位于小孔区的圆孔4孔径为1～2mm；

中间过渡区为小孔区7与大小孔交错区9之间的区域，位于中间过渡区的圆孔4孔径为2～4mm；

大小孔交错区9为远离跟骨植入体本体1边缘的各圆孔4所在区域；位于大小孔交错区9的圆孔4孔径为大孔和小孔相互交错设置，大孔的孔径为4～6mm；小孔的孔径为1～2mm。

相邻两个圆孔4之间的间距大于等于0.8mm；位于小孔区7的圆孔4与跟骨植入体本体1边缘的距离不小于1mm，以保证植入体内部及轮廓边缘的结构强度，跟骨植入体上均匀分布的圆孔可再植入人体后作为周围肌体组织长入的通道，促进植入体与人体的结合，同时多孔结构的添加可将金属植入体结构的弹性模量降至金属原始模量的20～40％，从而能有效降低“应力遮挡”的风险。

本发明一种钛合金多孔跟骨植入体结构的特点为，采用钛合金材料制备，该材料与人体生物相容性较好。为实现跟骨高度异形的结构，该跟骨植入体的制备工艺采用金属3d打印工艺，首先在加工之前首先匹配基板预热温度、激光功率、扫描速度、搭接率来获得相应金属材料的优选工艺参数，

进一步将根据患者ct影像逆向设计完成的跟骨植入体三维数模导入工艺前处理软件中进行支撑设计，形成跟骨植入体的工艺模型，最后选择对应的工艺参数实现跟骨植入体的制造。

本发明一种钛合金多孔跟骨植入体结构的加工方法，具体包括如下步骤：

步骤1，对患者患处进行ct扫描，将ct扫描数据导入商用几何模型处理工具中，利用该工具中的几何修复功能，修复ct扫描后所得的患处离散面片特征及开发性边界，形成包络封闭的跟骨三维数据模型；跟骨三维数据模型的壁厚为0.8～2mm，优选1mm；

步骤2，参照ct影像，在步骤1获得的跟骨三维数据模型上设计导板a和导板b，导板a位置位于骰关节面侧壁，并与骰关节面侧壁共面延伸；边缘圆角过渡，导板长度尺寸由实际患者跟骨尺寸确定，导板a2的长度为12～20mm，优选13mm；

导板b位置位于中距关节面侧壁处，从中距关节面侧壁处呈“l”形弧度延伸以实现与周围骨骼贴合；导板b边缘圆角过渡，导板b的长度为10～15mm，优选11mm；导板a和导板b均分别设有2个螺钉孔(用于安装医用螺钉)，该螺钉孔为植入体固定孔。

步骤3，将步骤2设计的导板a和导板b与步骤1获得的跟骨三维数据模型进行布尔运算求和，并在求和后的模型上连接过渡区进行面片光整处理；

步骤4，在步骤3所得的模型表面开设圆孔；各圆孔的轴线与对应开孔处的跟骨三维数据模型呈法向关系，即沿跟骨三维数据模型曲面法向开孔，以避免开孔方向与跟骨薄壁结构倾斜交切后形成带有锐角的薄边，导致后期在使用过程中产生应力集中；各圆孔之间间距不小于0.8mm，圆孔与植入体轮廓边缘处距离不小于1mm，整个结构孔隙率约75％。跟骨三维数据模型表面的圆孔孔径大小不一，孔径为2～5mm的圆孔占整个圆孔4在三维数据模型上分布的90％；

步骤5，将步骤4设计完成的模型输出为stl数据格式，导入商用前处理软件之中，形成切片文件，设定切片层厚为0.03～0.06mm；

步骤6，将步骤5形成的切片文件导入激光3d打印机中，采用钛合金粉末，设定激光选区熔化参数：激光功率：300kw～390kw、扫描速度：750～1300mm/s、搭接率：35％～60％，铺粉层厚与切片层厚保持一致，通过激光一次成形钛合金多孔跟骨植入体结构。