一种3D打印仿生人工椎间关节假体

一种3d打印仿生人工椎间关节假体
技术领域
1.本发明涉及骨科手术植入体领域，尤其涉及一种3d打印仿生人工椎间关节假体。


背景技术：

2.人工椎间盘置换术（total disc replacement tdr）是近年来治疗椎间盘退变性疾病的新方法，于20世纪80年代开始临床应用。它不仅切除了病变椎间盘，同时恢复了该节段椎体的稳定性和活动功能，理论上可以避免脊柱融合术加速相邻节段退变的情况发生。
3.自20世纪60年代，人们开始设计人工颈椎间盘假体，选材和设计不断得到优化。
4.人工椎间盘置换术主要用于治疗椎间盘源性腰痛等椎间盘退变性疾病。
5.近年来国内外开展了人工椎间盘的研制与应用，其目的在于，既可以打到人体椎间盘切除减压和固定融合的效果，又能防止相邻节段的退变，同时保持脊柱的生理活动范围。
6.尽管人工椎间盘置换术作为脊柱退变性疾病的治疗方案之一具有许多独特的有点，但是一些客观存在的缺陷也限制了它的广泛应用。3d打印植入物作为骨科个性化治疗的有力补充，是多学科相互融合的结果，更是医学发展的趋势。而作为近几年才逐渐成熟起来的金属材料3d打印技术，全世界都站在同一起跑线上，这无疑是中国医学从追随到超越的一次难能可贵的机遇。2018年2月7日华钛三维与南方医院脊柱骨外科联合澳大利亚技术科学与工程院吴鑫华院士领导的莫纳什大学增材制造研究中心合作的3d打印个性化“人工椎体/椎间盘一体化”植入手术成功实施。2019年5月，西安市红会医院成功实施了一例3d打印人工颈椎间盘置换术。但是其假体设计存在缺陷，假体为两片盘状结构固定于终板，假体高度不够，也没有充分考虑脊柱运动单元意义，极易出现一系列并发症，特别是异位骨化和假体脱位等。
7.我国从2003年底开展人工颈椎间盘置换术，多年采用的都是进口产品，目前我国人工颈椎间盘市场上的产品全依赖进口。且目前只有针对椎间盘损坏及病变的治疗手段，对部分椎体病变或损坏的情况没有有效的可以保留部分健康椎体的治疗手段。


技术实现要素：

8.本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种3d打印仿生人工椎间关节假体。可解决现有技术中椎间盘假体无法应对椎体病变的问题和假体关节面耐磨性不能兼顾的问题以及椎间融合术活动度不足以及椎间盘假体术后异位骨化和假体脱位等问题。与其他治疗手段的主要区别在于，可以截去部分病变及损坏椎体，保留部分健康椎体，进行部分椎体及间盘的替换，尽最大程度保存患者自体骨。
9.为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种3d打印仿生人工椎间关节假体，设置在相邻的第一锥体与截骨的第二锥体之间，包括：人工椎间盘（10），包括一体结构的人工纤维环上凸面（11）、人工纤维环（12）、若干孔洞（13）、固定盘（14），所述人工纤维环（12）设置于所述人工纤维环上凸面（11）与所述固
定盘（14）之间，所述孔洞（13）径向贯穿所述人工纤维环（12）；人工椎体植入假体（20），包括安装座（22）、螺钉孔、假体主体（25），所述安装座设置于所述假体主体的顶面，所述固定盘（14）形状吻合地安装于所述安装座中，所述螺钉孔设置于所述假体主体（25），所述假体主体（25）用于安装在所述截骨的第二锥体内部替代被截去部分；表面多孔结构（30），设置于所述假体主体（25）的表面；第一安装盘（40），包括与第一锥体终板进行固定的棘刺（41），与第一椎体终板接触的上接触面（42），与人工纤维环上凸面（11）配合的下凹面（43）以及提供假体运动角度的第一安装盘下表面（44）。
10.其中，所述固定盘（14）与所述安装座（22）通过超半圆配合连接。
11.其中，所述人工纤维环（12）与所述第一锥体的终板接触，执行人体纤维环的功能。
12.其中，所述棘刺（41）数量至少为一个，用于与上终板进行固定连接。
13.其中，所述第一安装盘下表面（44）呈8
°
弧面。
14.其中，所述螺钉孔数量为两个，通过打椎弓根钉入松质骨进行术中固定。
15.其中，两个所述螺钉孔的中心轴线空间异面。
16.其中，所述人工间盘（10）所采用的材料为超高分子聚乙烯，所述人工椎体植入假体（20）采用材料为ti6al4v-eli。
17.其中，所述多孔结构（30）由slm技术3d打印于所述假体主体（25）表面。
18.实施本发明实施例，具有如下有益效果：本发明的人工椎间盘上下两个表面不同的工作状态需要不同的性能要求，上表面与终板接触对弹性及耐磨性有较高要求，下表面参与固定，较上表面有更大的刚度，使用slm技术，充分发挥增材制造的复杂成型梯度打印的优势，使假体结构内外成梯度变化，可以适应不同部位的不同需求，上述结构与特征最大限度地发挥了增材制造的优势，并且根据不同病人病情进行截骨，依据截骨范围进行个性化定制的3d打印仿生人工颈椎间关节假体制造，可以将适应症扩大到整个椎体各种不同需要截骨的病症，并能够解决植入后假体退化移位等问题，且能为患者提供更好的活动度。
附图说明
19.图1示出了根据本发明的3d打印仿生人工椎间关节假体的实施例的结构示意图；图2示出了图1安装之后半剖的示意图；图3示出了图1的第一安装盘的俯视示意图；图4示出了图1的第一安装盘的平视示意图；图5示出了图1的人工纤维环的平视示意图；图6示出了图1的人工纤维环的俯视示意图；图7示出了图1的人工椎体植入假体的示意图；图8示出了图1的人工椎体植入假体的半剖示意图；其中，上述附图包括以下附图标记：10、人工椎间盘；11、人工纤维环上凸面；12、人工纤维环；13、十二组孔洞；14、固定盘；20、人工椎体植入假体； 22、安装座；23、第一螺钉孔；24、第二螺钉孔；25、假体主体；30、表面多孔结构；40、第一安装盘；41、棘刺；42、上接触面；43、下凹面；44、第一安装盘下表面。
具体实施方式
20.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
21.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
22.需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
23.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
24.本发明一种3d打印仿生人工椎间关节假体，是设置在相邻的第一锥体和第二锥体之间，截去第一锥体部分病变及损伤椎体后，植入本假体。
25.图1示出了根据本发明的椎间盘假体的实施例的结构示意图，如图1至图2所示，本发明实施例的一种3d打印仿生人工椎间关节假体，包括人工椎间盘（10）、人工椎体植入假体（20）、表面多孔结构（30）、第一安装盘（40）。
26.人工椎间盘（10）包括与第一安装盘（40）相接触的人工纤维环上凸面（11）、防止纤维环脱位的固定盘（14）、人工纤维环（12）及其上的十二组孔洞（13）。
27.人工椎体植入假体（20）包括用于与固定盘（14）结合以固定人工纤维环的安装座（22）、第一螺钉孔（23）、第二螺钉孔（24）、与、截骨的第二锥体接触的假体主体（25）。人工椎间盘（10）与第一安装盘（40）相配合以完成椎间关节假体的活动。第一安装盘（40）与第一锥体终板固定，通过棘刺（41）防止脱落，经过处理的上表面（42）与第一锥体骨进行结合固定。
28.第一安装盘（40），包括与第一锥体终板进行固定的棘刺（41），与第一椎体终板接触的上接触面（42），与人工纤维环上凸面（11）配合的下凹面（43）以及提供假体运动角度的第一安装盘下表面（44）。
29.需要说明的是，此处所提到的“椎间关节假体的活动”是指，椎间关节假体模仿生物椎间关节做出的转动和平移动作。如图1所示的空间坐标系，假设人工椎间盘（10）、人工椎体植入假体（20）、第一安装盘（40）、第一锥体和第二锥体沿z轴方向布置，则本实施例的椎间关节假体可以做相对于z轴的转动及弯扭活动，以及沿x轴和/或y轴的平动。另外，在人工椎间盘（10）、人工椎体植入假体（20）不分离的条件下，第一锥体的终板与本实施例的椎间关节假体也可以在一定范围内沿z轴方向相对平移和转动。
30.另外，为了方便表述椎间关节的活动维度，建立了上述空间坐标系，本实施例的椎间关节假体的活动范围并不局限于单纯的沿轴线的平动和转动，也可以在立体空间中完成
多维度叠加的复杂运动。
31.应用本实施例的技术方案，人工椎间盘（10）针对其上下两个表面不同的工作状态分成为与第一安装盘（40）相配合的人工纤维环上凸面（11）和于人工锥体植入假体（20）相配合的固定盘（14），并分别采用不同的表面处理方式，以最大限度地满足各自的应用环境。同理，人工椎体植入假体（20）的安装座（22）与表面多孔结构（30）采用不同的结构和后处理方法，以最大限度地满足各自的应用环境。上述结构最大程度地解决了目前椎间盘假体不能解决地材质单一、结构单一以及假体结合缺陷带来地植入生物体后效果不佳、术后失效严重地问题。
32.具体地，针对人工锥体植入假体（20）表面多孔结构（30）需要与第二锥体相稳固链接并保持相对静止地工作状态，以及人工椎间盘（10）需要与第一锥体相对运动并产生摩擦地工作状态，本实施例的表面多孔结构（30）所采用的材料的骨长入能力，人工锥体植入假体（20）所采用材料的耐磨性优于第一安装盘（10）。
33.如图2所示，人工椎体植入假体（20）的表面0.5mm厚度进行轻量化处理形成容置表面多孔结构（30）的凹位，凹位满足在slm技术3d打印于该凹位中，表面多孔结构（30）刚好与人工椎体植入假体（20）的表面平整。
34.具体地，针对人工锥体植入假体（20）表面多孔结构（30）需要与第二锥体相稳固链接并保持相对静止地工作状态，表面多孔结构（30）采用多孔结构，孔隙率及排布方式依据最适于骨长入设计，有良好的骨细胞依附性与生物活性。
35.简要说明的是，此处的骨长入能力（或称骨整合能力等）是指在骨组织与植入体的结合能力。3d打印仿生人工椎间关节假体植入人体后，椎体与椎间盘假体相接触的表面的细胞在收到刺激后能够分化形成新骨。根据材料和结构的不同，不同椎间关节假体刺激和接受新骨形成的能力不同，本实施例的人工锥体植入假体（20）表面多孔结构（30）均采用骨长入能力较高的材料，以提高椎间关节假体和第二椎体间的相容性和连接强度。
36.在图中未示出的其他实施例中，也可通过在人工锥体植入假体（20）表面多孔结构（30）表面增加镀层的方式提高耐磨性，通过在表面多孔结构（30）上进行羟基磷灰石的表面处理以提高其骨长入能力。
37.优选地，人工锥体植入假体（20）、第一安装盘（40）和表面多孔结构（30）优选采用钛合金，人工椎间盘（10）优选采用高分子量聚乙烯。钛因其良好的“生物相容性”对生物体内的体液、分泌物等具有良好的耐腐蚀性，并且能够适应常用的杀菌方法，适用于与生物体骨质或肌肉纤维相接触的地方。聚乙烯具有良好的化学稳定性，无毒无味吸水率低，小于0.01%。
38.人工间盘（10）所采用的材料为超高分子聚乙烯，所述人工椎体植入假体（20）采用材料为ti6al4v-eli。
39.如图1至图8所示，本实施例的人工颈椎间盘包括与所述第一安装盘相接触的上凸面（11）和防止纤维环脱位的固定盘（14），下表面为平面，上表面为与第一锥体终板接触的曲面，曲面凸部与第一安装盘下凹面相配合。
40.人工椎间盘上用于固定的固定盘为最大直径9mm最小直径8mm的饼状结构。
41.如图1至图8所示，本实施例的人工锥体尺寸选择最细位置椎体假体底部直径7mm，最粗位置椎体顶部直径12mm，尺寸与人体颈椎椎体相匹配。
42.进一步地，图1至图8中，人工椎间盘（10）和人工锥体植入假体（20）和表面多孔结构（30）的尺寸都可以根据患者实际情况进行修改。
43.进一步地，为了手术过程中的假体固定，通过人工椎体的第一螺钉孔（23）、第二螺钉孔（24）用3.5mm椎弓根钉进行固定。术后随着骨长入，螺钉孔及椎弓根钉的固定作用逐渐被取代。
44.人工锥体植入假体上两个螺纹孔分别与水平夹角+20
°
与-20
°
，两个螺纹孔在水平面上投影夹角为60
°
，处于空间异面状态。第一安装盘的下表面8
°
倾角的结构允许此颈椎间关节假体弯扭运动范围为
±8°
。
45.从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：人工椎间盘针对其上下两个表面不同的工作状态分别成与第一锥体终板配合的人工纤维环以及与人工椎体假体固定的固定盘。人工椎体植入假体外表面采用多孔结构与骨骼实现更好的骨长入。人工椎体植入假体使用钛合金，人工椎间盘采用聚乙烯，最大程度发挥各材料的优势，回避其缺点。多孔结构与实心结构梯度变化，适应人体椎体骨骼不同位置的不同属性。钛合金材料整体使用slm技术制造。极大程度地解决了目前椎间盘假体植入生物体后效果不佳、维持时间短，扩大手术适应症，并提高人工假体成型质量，复杂度及精度。
46.以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上所述而顺畅地实施本发明；但是,凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时,凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。