一种具备梯度力学过渡的肋骨植入结构、设计方法及应用

本发明属于人工假体，具体涉及一种具备梯度力学过渡的肋骨植入结构、设计方法及应用。

背景技术：

1、胸壁肿瘤患者术后常常出现大面积胸肋骨缺损，胸壁重建是唯一有效的治疗手段。近年来，增材制造技术在医学的应用逐渐深入，激光增材制造tc4肋骨植入物因其个性化适配能力，能够使胸壁重建技术得到极大改善。现阶段，激光增材制造tc4肋骨植入物已开展了初期的临床植入工作，其仍存在的限制及不足主要集中于以下两个方面：一是现有的肋骨植入物仅仅满足了解剖学胸壁外形修复的目的，而单纯的tc4肋骨植入物刚性重建因其模量过高而未能较好地实现与呼吸功能直接相关的肋软骨等生理结构的功能重现，从而导致患者术后出现限制性肺通气功能障碍，严重时可诱导呼吸衰竭问题；二是由于钛合金生物活性有限，大面积置换时会导致植入物周围软组织延迟愈合，创面感染，降低了术后恢复能力。

2、针对肋骨植入物早期出现的应力屏蔽现象，对植入物的设计经历了传统式板条状肋骨植入物、棒状/丝状肋骨植入物、多孔式肋骨植入物和“希腊波”结构肋骨植入物等结构的不断改进。“希腊波”结构植入物相较于前几种静态重建、僵硬不具备生理灵活性的结构而言，可能会具有更好的弹性，但是目前这些结构均在处于初步尝试阶段，缺乏相关的结构力学性能基础数据，无法准确地评估其与自然肋骨的匹配度以及对生物功能的恢复程度。

3、现有技术中，公开了将弹性结构的棒状植入物作为连接至少两个骨段的固定元件，在临床应用中实现了胸骨、肋骨、肋软骨植入物的轻量化，并具有一定的弹性功能，但该结构的设计没有考虑肋骨本身弹性模量等参数对功能的影响，其结构力学性能，以及与人体自然肋骨的匹配性均未有报道，仍无法判断植入后对人体呼吸功能的影响。

4、现有技术中，公开了采用弹性结构的肋软骨假体植入物，其中间为弹性结构，两端为固定结构，通过改变中间弹性结构的参数，使得该肋软骨假体植入物的弹性系数能够根据植入部位不同进行相应的改变。但该技术仅是对于肋软骨部分的设计，对于两端的固定结构没有任何说明，如果只是采用常规结构会导致应力集中，无法真实的模拟人体肋骨。该文件中提及了打印材料可以为peek和钛合金，但未提及钛合金的具体打印参数，且即使为同种结构，peek与钛合金二者材料属性也相差过大，不可能达到相同性能。

5、表1展示了文献报道的肋骨力学性能，其中肋骨皮质骨的弯曲弹性模量为11.5gpa左右，具有伸缩功能的肋骨的弯曲弹性模量很低，在8.7-12.6mpa之间，而在现有技术中的肋骨植入物的弹性模量无法达到肋软骨范围，也不能同时满足肋骨和肋软骨弹性模量，因此现有技术中的仿生肋骨植入物仍然会使患者术后出现限制性肺通气功能障碍，导致患者呼吸功能的恢复受到抑制。

6、表1肋骨力学特性

7、

技术实现思路

1、要解决的技术问题：

2、为了避免现有技术的不足之处，本发明提供一种具备梯度力学过渡的肋骨植入结构、设计方法及应用，发明人通过对肋骨植入物模型进行有限元模拟力学分析，得出结构参数对弹性模量变化影响机理，并通过计算获得了符合自然肋骨生物力学的合理结构参数范围；同时根据人体肋骨和肋软骨弹性模量的不同，采用梯度过渡，设计出对呼吸功能起主要作用的第2肋至第6肋的梯度力学变截面肋骨植入物，使其同时具有肋软骨部分以及肋骨部分的功能。本发明解决了肋骨植入物与肋软骨、肋骨弹性模量不一致，无法满足患者术后正常呼吸的问题。

3、本发明的技术方案是：一种具备梯度力学过渡的肋骨植入结构，所述肋骨植入结构为弹性模量呈梯度变化的弹性结构，沿长度方向力学水平依次满足人体肋软骨部分和肋骨部分力学性能，肋软骨部分和肋骨部分之间采用力学的梯度过渡结构，所述肋软骨部分的外端与胸骨植入物连接，所述肋骨部分的外端与人体肋骨缺失端连接；

4、所述梯度过渡结构衔接于肋软骨部分和肋骨部分之间，实现植入肋骨从低模量到高模量结构力学梯度过渡。

5、本发明的进一步技术方案是：所述肋骨植入结构的外包络椭圆尺寸设定与人体自然肋骨外形尺寸一致，当长半轴a＝3.4mm，短半轴b＝3.0mm时，肋软骨部分弯曲弹性模量为396mpa，肋骨部分弯曲弹性模量为10.9gpa；当长半轴a＝5.0mm，短半轴b＝3.0mm时，肋软骨部分弯曲弹性模量为170mpa，肋骨部分弯曲弹性模量为3.6gpa。

6、本发明的进一步技术方案是：所述肋骨植入结构为类弹簧状肋骨结构；所述梯度肋骨部分为tc4钛合金，从肋软骨部分到肋骨部分之间包括三阶梯度变化，三阶梯度的弹簧丝截面长半轴a依次分别为1.6-2.4mm、2.4-3.2mm、3.2-4.8mm，三阶梯度的短半轴b均为1.0mm，三阶梯度的弹簧丝节距t依次分别为5.5、7.0、10.0mm。

7、本发明的进一步技术方案是：所述肋软骨部分为tc4钛合金类弹簧结构，类弹簧外包络椭圆尺寸的长半轴a为3.4-5.0mm，短半轴b为3.0mm，其弹簧丝横截面椭圆尺寸的长半轴a为1.3-1.5mm，短半轴b为0.8-1.0mm，弹簧丝节距t为4.0-6.3mm，其弯曲弹性模量为170-396mpa。

8、所述肋骨部分为tc4钛合金类弹簧结构，类弹簧外包络椭圆尺寸的长半轴a为3.4-5.0mm，短半轴b为3.0mm，其弹簧丝横截面椭圆尺寸的长半轴a为4.8mm，短半轴b为1.2mm，弹簧丝节距t为10.0mm，其弯曲弹性模量为3.6-10.9gpa。

9、本发明的进一步技术方案是：所述肋软骨部分的外端与胸骨植入物之间采用加固结构连接；

10、所述加固结构顶端截面与肋软骨部分的外端截面一致并平滑连接，其底端与胸骨植入物侧壁光滑连接，且加固结构从顶端到底端的径向截面面积沿轴向递增。

11、一种具备梯度力学过渡的肋骨植入结构的设计方法，具体步骤如下：

12、步骤1：构建弹性结构的有限元应力应变分析模型，结合实验验证类弹簧状肋骨植入结构的结构参数对力学性能的影响；

13、步骤2：构建结构参数与弯曲弹性模量e的拟合关系模型；

14、步骤3：根据肋骨和肋软骨的弯曲弹性模量，采用步骤2的拟合关系模型计算肋骨植入结构中肋骨部分和肋软骨部分的各结构参数值，确定肋骨部分和肋软骨部分的结构；

15、步骤4：根据肋骨部分和肋软骨部分的结构参数，确定两者之间的梯度变化并建立连接，得到梯度过渡结构；

16、步骤5：采用选区激光熔化方法制备肋骨部分、梯度过渡结构、肋软骨部分的一体结构，即得到肋骨植入结构。

17、本发明的进一步技术方案是：所述步骤1中，首先，构建弹性结构的模型，即类弹簧结构模型；然后，对模型进行有限元应力应变分析；之后，对有限元模拟进行验证；最后得出类弹簧状肋骨植入结构的结构参数对力学性能的影响；所述结构参数包括弹簧丝横截面椭圆尺寸的长半轴a和短半轴b、弹簧丝节距t、类弹簧外包络椭圆尺寸的长半轴a和短半轴b；

18、弹簧丝横截面尺寸a,b越大，类弹簧状肋骨植入物的结构弹性模量越大；弹簧丝横截面长短半轴的差异越大，类弹簧试样的结构弹性模量越低；且在同等条件下，椭圆状弹簧丝的截面面积对弹性模量的影响大于长短半轴的差异影响；

19、弹簧丝节距t越大，类弹簧状肋骨植入物的结构弹性模量越大；

20、类弹簧状肋骨植入物外包络椭圆尺寸a,b越小，类弹簧状肋骨植入物的结构弹性模量越大，且其长半轴的调整相比短半轴对结构弹性模量的影响显著。

21、弹簧丝横截面尺寸呈现较大的正相关性，外包络椭圆尺寸呈现较大的负相关性，二者对类弹簧状肋骨植入物的弯曲弹性模量影响较大，弹簧丝节距呈现中等的正相关性，影响较小。

22、本发明的进一步技术方案是：所述步骤2中，弯曲弹性模量e的拟合关系模型为：

23、

24、一种具备梯度力学过渡的肋骨植入结构的应用，将肋骨植入结构用于胸壁重建的肋骨替代产品；所述肋骨替代产品为一体化结构，包括第2肋至第6肋、以及胸骨植入物；

25、所述第2肋的参数为：肋软骨部分长度28mm，梯度肋骨部分的第一阶长度11mm，梯度肋骨部分的第二阶长度14mm，梯度肋骨部分的第三阶长度7mm，肋骨部分长度0；

26、所述第3肋的参数为：肋软骨部分长度28mm，梯度肋骨部分的第一阶长度11mm，梯度肋骨部分的第二阶长度14mm，梯度肋骨部分的第三阶长度7mm，肋骨部分长度0；

27、所述第4肋的参数为：肋软骨部分长度40mm，梯度肋骨部分的第一阶长度11mm，梯度肋骨部分的第二阶长度14mm，梯度肋骨部分的第三阶长度7mm，肋骨部分长度0；

28、所述第5肋的参数为：肋软骨部分长度56mm，梯度肋骨部分的第一阶长度11mm，梯度肋骨部分的第二阶长度14mm，梯度肋骨部分的第三阶长度7mm，肋骨部分长度0；

29、所述第6肋的参数为：肋软骨部分长度60mm，梯度肋骨部分的第一阶长度11mm，梯度肋骨部分的第二阶长度14mm，梯度肋骨部分的第三阶长度7mm，肋骨部分长度0。

30、本发明的进一步技术方案是：所述肋骨植入结构是孔径为400μm和500μm的表面点阵轻量化结构。

31、有益效果

32、本发明的有益效果在于：

33、(1)本发明构建了具备梯度力学过渡的肋骨植入结构三点弯曲有限元应力应变分析模型，结合实验验证了模拟的准确性和有效性。基于结构参数对弹性结构肋骨植入物弯曲弹性模量的影响的研究，对试验数据进行统计分析得到了各结构参数的相关性系数，并构建了具备梯度力学过渡的肋骨植入结构的弯曲弹性模量与各结构参数的拟合数据模型。实现了肋骨植入结构梯度力学同时贴近肋软骨部分与肋骨部分的力学需求，且二者之间采用梯度结构衔接实现力学精细过渡，肋软骨部分的弹性模量为170-396mpa mpa、肋骨部分的弹性模量为3.6-10.9gpa gpa，能够有效恢复患者术后呼吸功能。

34、(2)本发明针对激光增材制造钛合金植入物应用于胸壁骨性重建面临的呼吸受限问题，引入结构“梯度力学”思路，同时建立贴近肋软骨和肋骨弹性模量的类弹簧结构并采用梯度力学过渡，实现新型类弹簧状结构梯度力学仿生tc4肋骨植入物的设计与制备。

35、(3)本发明针对大面积胸壁植入术后创面反复感染，恢复能力差的问题，应用点阵结构构建了tc4表面微结构，基于多孔表面微结构的细胞相容性及细胞生长形态分析，推荐优先采用孔径为400μm和500μm的表面点阵轻量化结构。

36、(4)本发明在实际应用中，对呼吸功能起主要影响的第2肋至第6肋的仿生肋骨植入物进行了具体的设计，通过力学性能评价，结果显示本发明的结构实现力学性能的分区调控；实现胸肋一体模型的变模量设计。