CN112690932A - 椎体假体的加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种椎体假体的加工方法包括:得到包含椎体的模型和椎间盘的模型的第一组合结构并获取第一应力分布和第一平均位移;建立选定材质的孔隙率和弹性模量之间的函数关系;根据函数关系得到多个弹性模量,并得到多个第二组合结构并获取第二应力分布和第二平均位移。比较第一应力分布与每个第二应力分布,比较第一平均位移和每个第二平均位移,确定椎体假体最终模型,并得到椎体假体最终模型的弹性模量;将椎体假体最终模型的弹性模量带入函数关系中,得到最终孔隙率,进而得到椎体假体。本申请的技术方案有效地解决了相关技术中的椎体假体模型的调整过程复杂,设计难度较大的问题。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域,具体而言,涉及一种椎体假体的加工方法。
背景技术
椎体肿瘤、严重粉碎性骨折以及某些炎症,常引起椎体的破坏,并有可能导致脊髓、神经损害或出现椎体的塌陷以及脊柱的畸形。神经功能障碍或者畸形常需要行椎体假体置换来恢复脊柱的稳定性。椎体假体置换可以有效撑开椎间隙,对恢复满意的椎节高度、生理曲度、矫正屈曲畸形以及恢复椎管容量有重要意义。
在临床椎体假体置换术中,椎体假体的大小、形状等宏观结构与术中神经损伤、植入稳定性以及长期融合效果密切相关。但是,因为患者体内力学环境个性化差异较大,标准化、批量化、序列化生产的椎体假体与人体的相互作用难以最优化,尤其是针对骨质疏松患者,导致椎体假体植入体内后,发生沉降、疲劳失效等问题。
在相关技术中,针对椎体假体的设计,通常包括以下步骤:
1、构建脊柱的有限元模型;
2、将构建的有限元模型进行模拟生物力学实验;
3、根据椎体假体所承受的应力分布,调整椎体假体尺寸或位置,得到最符合脊柱生物力学的椎体假体模型。
上述的步骤中,工作人员只能够依据经验对椎体假体模型进行调整,这样会导致调整过程复杂,设计难度较大。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种椎体假体的加工方法,以解决相关技术中的在椎体假体的设计中,椎体假体模型的调整过程复杂,设计难度较大的问题。
为了实现上述目的,本发明提供了一种椎体假体的加工方法,包括:步骤S10:得到包含椎体的模型和椎间盘的模型的第一组合结构;步骤S20:获取第一组合结构的第一应力分布和第一平均位移;步骤S30:建立选定材质的孔隙率和弹性模量之间的函数关系;步骤S40:根据函数关系得到多个弹性模量,根据多个弹性模量得到多个第二组合结构,每个第二组合结构包含椎体的模型和椎体假体中间模型,椎体假体中间模型由选定材质制成;步骤S50:获取每个第二组合结构的第二应力分布和第二平均位移;步骤S60:将第一应力分布与每个第二应力分布进行比较以及将第一平均位移和每个第二平均位移进行比较,当第一应力分布和其中一个第二应力分布的比较结果以及第一平均位移和其中一个第二平均位移的比较结果同时满足第一预设条件时,确定满足第一预设条件的第二组合结构中的椎体假体中间模型为椎体假体最终模型,并得到椎体假体最终模型的弹性模量;步骤S70:将椎体假体最终模型的弹性模量带入函数关系中,得到最终孔隙率,根据最终孔隙率加工得到椎体假体。
进一步地,函数关系为:Y=23143n2-46210n+23043.1;其中,Y为弹性模量,n为孔隙率,n满足40%<n<90%。
进一步地,步骤S10包括:步骤S11:通过CT对人体腰椎进行扫描;步骤S12:将扫描的结果导入图像处理软件中,得到包含椎体的模型和椎间盘的模型的第一组合结构。
进一步地,比较第一应力分布和第二应力分布以及第一平均位移和第二平均位移的步骤包括:比较第一应力分布和第二应力分布之间是否满足第二预设条件,并且比较第一平均位移和第二平均位移之间的差值是否满足第三预设条件。
进一步地,步骤S70包括:步骤S71:对椎体假体进行热等静压处理;步骤S72:将进行热等静压处理后的椎体假体放置到丙酮溶液中清洗,清洗后使用纯化水对椎体假体进行冲洗;步骤S73:向去离子水中添加钙离子、磷离子以及锶离子,得到电解液;步骤S74:以不锈钢作为阴极,以使用纯化水冲洗后的椎体假体为阳极,在电解液中进行微弧氧化处理;步骤S75:对进行微弧氧化处理后的椎体假体进行冲洗,将冲洗后的椎体假体在去离子水中浸泡,浸泡后对椎体假体进行吹干。
进一步地,微弧氧化处理的氧化电压处于200~400V之间,电源的输出脉宽为40~100μs,峰值电流设置为40~200A,氧化时间为2~10min。
进一步地,步骤S71:热等静压处理的最高温度的范围在850℃至880℃之间,升温速度的范围在8℃/min至10℃/min之间,热等静压处理的介质为氩气,最高压力的范围在90MPa至100MPa之间,升压速率的范围在1.0MPa/min至1.4MPa/min之间,保温保压时间的范围在0.5小时至2小时之间。
进一步地,钙离子的浓度C在0.01mol/L至0.42mol/L之间,磷离子的浓度P与钙离子的浓度C的关系为P=(0.95C+0.07),锶离子的浓度S与磷离子的浓度P和钙离子的浓度C的关系满足S=C+0.75P。
进一步地,椎体假体的的表面形成含有钙离子、磷离子以及锶离子的膜层,膜层的厚度在0.5μm至3μm之间,在膜层中钙离子的含量:Ca≥3wt.%,磷离子的含量:P≥0.5wt.%,锶离子的含量:Sr≥0.2wt.%。
进一步地,椎体假体的加工方法包括激光立体成形、选择性激光烧结/熔化和电子束熔融技术中的一种或几种;椎体假体的材质为钛合金,钛合金为Ti-6Al-4V、Ti-6Al-17Nb、Ti-13Nb-13Zr或Ti-5Zr-3Mo-15Nb。
应用本发明的技术方案,通过获得上述的孔隙率和弹性模量的函数关系,使得在椎体假体整个的设计过程中,简化步骤,当得到椎体假体最终模型的弹性模量之后,带入函数关系即可得到最终孔隙率,进而降低了加工的难度。并且能够提高椎体假体的整体效果。因此本申请的技术方案有效地解决了相关技术中的在椎体假体的设计中,椎体假体模型的调整过程复杂,设计难度较大的问题。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
图1示出了根据本发明的椎体假体的加工方法的实施例的流程示意图;
图2示出了图1的椎体假体的加工方法中的步骤S10的具体流程示意图;
图3示出了图1的椎体假体的加工方法中的步骤S70的具体流程示意图;
图4示出了图1的椎体假体的加工方法中的椎体和椎间盘的立体结构示意图;
图5示出了图4的椎体假体的加工方法中的椎体和椎间盘的另一视角的立体结构示意图;
图6示出了图1的椎体假体的加工方法中的椎体和椎体假体的立体结构示意图;
图7示出了图6的椎体假体的加工方法中的椎体和椎体假体的另一视角的立体结构示意图;
图8示出了图1的椎体假体的加工方法中的第一应力分布示意图;
图9示出了图1的椎体假体的加工方法中的第二应力分布示意图;
图10示出了图1的椎体假体的加工方法中的函数关系示意图;
图11示出了图1的椎体假体的加工方法中的椎体假体的多孔结构示意图;以及
图12示出了图1的椎体假体的加工方法中的椎体假体的表面膜层形貌示意图。
其中,上述附图包括以下附图标记:
10、椎体;20、椎间盘;30、椎体假体。
具体实施方式
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,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的,决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
需要注意的是,这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式,而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的,除非上下文另外明确指出,否则单数形式也意图包括复数形式,此外,还应当理解的是,当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时,其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明,否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时,应当明白,为了便于描述,附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论,但在适当情况下,所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中,任何具体值应被解释为仅仅是示例性的,而不是作为限制。因此,示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到:相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项,因此,一旦某一项在一个附图中被定义,则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
目前,专利号为CN111281613A的发明专利提供了一种基于3D打印PEEK的仿生多孔人工椎体加工方法,但并未解决在骨质疏松状态下的椎体假体的设计与制造,尤其是PEEK为生物惰性材料,既无生物活性,又不能起到抗骨质疏松作用。同时,该专利中提出的孔隙结构为PEEK材质状态下参数,并未给多孔钛合金植入材料提供相应参数。专利号为CN110495951A的发明专利提供了一种个性化腰椎椎体斜外侧入路复位模型的制作方法,以达到手术前规划的融合器的大小形状以及预测术后腰椎复位情况的目的,但并未涉及到3D打印钛合金椎体假体的制造、力学适配与功能化。专利号为CN109766599A的发明专利提供一种基于骨重建原理的个性化前路椎体假体设计方法,但并未对力学适配提出具体的假体设计与制造,更未解决椎体假体的生物活性功能。针对上述的问题,本实施例的技术方案提供了一种椎体假体的加工方法,对椎体假体的宏观结构进行人体力学环境适配的设计,主要是建立了孔隙率和弹性模量的函数关系,通过该函数关系以简化整个设计的过程。并且通过增材制造打印出符合设计要求的椎体假体,并进行热等静压处理,提高多孔椎体假体的力学性能。随后对椎体假体进行生物功能化处理,从而使椎体假体植入后与人体骨组织具有良好的生物力学适配、骨组织诱导和抗骨质疏松的功能。
如图1以及图4至图8所示,在本实施例中,椎体假体的加工方法包括:
步骤S10:得到包含椎体10的模型和椎间盘20的模型的第一组合结构。
步骤S20:获取第一组合结构的第一应力分布和第一平均位移;对第一组合结构进行有限元分析可以得到第一应力分布,并对椎体10的模型和椎间盘20的模型进行测量,可以得到第一平均位移。
步骤S30:建立选定材质的孔隙率和弹性模量之间的函数关系。在该步骤中,对于选定材质,选择多个孔隙率,得到与多个孔隙率一一对应的弹性模量,得到孔隙率和弹性模量之间的函数关系。具体地,根据经验值选定孔隙率的范围,在该范围内选择多个点值,比如6个点值(40%、50%、60%、70%、80%以及90%)。椎体假体中间模型由所述选定材质制成,选定材质为多孔结构。可以通过液压实验载物台进行压缩实验,不改变多孔结构的大小,测试不同的孔隙率下的多孔结构的弹性模量,用Origin软件(函数绘图软件)拟合曲线,得到多孔结构的弹性模量与孔隙率的函数关系表达式。
步骤S40:根据函数关系得到多个弹性模量,根据多个弹性模量得到多个第二组合结构,每个第二组合结构包含椎体10的模型和椎体假体中间模型,椎体假体中间模型由所述选定材质制成。根据函数关系得到多个弹性模量具体是指:根据上述函数关系,选定孔隙率的取值范围,可以得到对应的弹性模量的取值范围。在该取值范围内按照一定差值选择多个弹性模量。多个第二组合结构中包含多个椎体假体中间模型,多个椎体假体中间模型是依据多个弹性模量进行设计。
步骤S50:获取每个第二组合结构的第二应力分布和第二平均位移。对每个第二组合结构依次进行有限元分析得到多个第二应力分布,并对椎体10的模型和多个椎体假体中间模型进行测量,得到多个第二平均位移。
步骤S60:将第一应力分布与每个第二应力分布进行比较以及将第一平均位移和每个第二平均位移进行比较,当第一应力分布和其中一个第二应力分布的比较结果以及第一平均位移和其中一个第二平均位移的比较结果同时满足第一预设条件时,确定满足第一预设条件的第二组合结构中的椎体假体中间模型为椎体假体最终模型,并得到椎体假体最终模型的弹性模量。比较方式在下文将进行详细介绍。
步骤S70:将椎体假体最终模型的弹性模量带入函数关系中,得到最终孔隙率,根据最终孔隙率加工得到椎体假体30。
应用本实施例的技术方案,通过获得上述的孔隙率和弹性模量的函数关系,使得在椎体假体整个的设计过程中,简化步骤,当得到椎体假体最终模型的弹性模量之后,带入函数关系即可得到最终孔隙率,进而降低了加工的难度。并且能够提高椎体假体的整体效果。因此本实施例的技术方案有效地解决了相关技术中的在椎体假体的设计中,椎体假体模型的调整过程复杂,设计难度较大的问题。
如图1和图8所示,在本实施例中,函数关系为:Y=23143n2-46210n+23043.1;其中,Y为弹性模量,n为孔隙率,n满足40%<n<90%。孔隙率的取值范围是通过经验值选定的。上述的函数关系的建立,有效地降低了椎体假体的设计的难度,能够节约设计时间,进而能够有效地提高效率。从图8中可以看出函数关系的确认过程。根据经验值得到多个孔隙率,通过压缩实验得出与每个孔隙率对应的弹性模量,用Origin软件(函数绘图软件)拟合曲线,得到多孔结构的弹性模量与孔隙率的函数关系表达式。
如图1和图2所示,在本实施例中,步骤S10包括:步骤S11:通过CT对人体腰椎进行扫描;步骤S12:将扫描的结果导入图像处理软件中,得到包含椎体10的模型和椎间盘20的模型的第一组合结构。将患有骨质疏松患者的L3-L4-L5节段腰椎进行CT扫描,然后将CT扫描获取的椎骨原始数据导入mimics图像处理软件中,重建出需要植入椎体假体30的上、中、下三节段椎体10的三维结构,得到三维椎体模型,即椎体10的模型和椎间盘20的模型。上述的三维椎体模型是通过UG软件进行的。对第一组合结构和第二组合结构的网格划分在3-matic软件进行,椎体10、椎间盘20、椎体假体30和固定装置网格采用四面体单元;载荷采用400N施加于椎体10(即L3上终板);椎体10的材料属性在mimics软件上根据灰度的与密度、弹性模量以及泊松比数学模型进行赋予、椎间盘材料属性可根据经验值赋予。这样便得到第一组合结构的第一应力分布和第一平均位移和第二组合结构的第二应力分布和第二平均位移。当然,上述的椎体、椎间盘、椎体假体和固定装置网格还可以采用六面体单元或者其他形式。
如图4至图7所示,在本实施例中,比较第一应力分布和第二应力分布以及第一平均位移和第二平均位移的步骤包括:比较第一应力分布和第二应力分布之间是否满足第二预设条件,并且比较第一平均位移和第二平均位移之间的差值是否满足第三预设条件。第二预设条件具体为判断第一应力分布和第二应力分布是否相同。也即在力学分析软件中,观察第一应力分布云图的颜色和第二应力分布云图的颜色,如果它们对应区域的颜色基本相同,则判断为满足第二预设条件,如果它们对应区域的颜色存在明显差异,则判断为不满足第二预设条件。第三预设条件为判断第一平均位移和第二平均位移是否相同。当满足第二预设条件,但不满足第三预设条件时,则不满足第一预设条件。当不满足第二预设条件条件而满足第三预设条件时,此时不满足第一预设条件。当不满足第二预设条件,以及不满足第三预设条件时,此时不满足第一预设条件。只有当第二预设条件和第三预设条件均满足时,此时,第一预设条件满足条件,在该条件下,才能够确定椎体假体中间模型为椎体假体最终模型。
在图6和图7中,图6示出了椎体和椎间盘的有限元分布云图,图7示出了椎体和椎体假体坯体的有限元分布云图。在比较的过程中,比较图6中的上方的方框中的颜色和图7中的上方的方框中的颜色是否相同。同时,比较图6中的下方的方框中的颜色和图7中的下方的方框中的颜色是否相同。
目前,已有研究表明,锶元素对体内骨骼中代谢有显著影响,锶既可抑制骨吸收,又可促进骨形成的作用。因此,锶盐具有抗骨吸收和增进骨形成双重作用,针对锶的利用发明人经过大量的试验研究后,成功地在椎体假体的表面形成含有锶的膜层,这样有效地提高了椎体假体的骨组织诱导能力和抗骨质疏松的能力。
如图1和图3所示,在本实施例中,步骤S70包括:步骤S71:对椎体假体30进行热等静压处理;步骤S72:将进行热等静压处理后的椎体假体30放置到丙酮溶液中清洗,清洗后使用纯化水对椎体假体30进行冲洗;步骤S73:向去离子水中添加钙离子、磷离子以及锶离子,得到电解液;步骤S74:以不锈钢作为阴极,以使用纯化水冲洗后的椎体假体30为阳极,在电解液中进行微弧氧化处理;步骤S75:对进行微弧氧化处理后的椎体假体30进行冲洗,将冲洗后的椎体假体30在去离子水中浸泡,浸泡后对椎体假体30进行吹干。通过上述的热等静压处理,能够有效地提高椎体假体30的组织致密度和疲劳性能。进而有效地提高了椎体假体30的疲劳强度以及长期服役的安全性。步骤S72至步骤S75是对椎体假体30进行表面改性操作,该操作是为了改变椎体假体坯体表面性质,使得椎体假体30表面的材质具有生物活性物质,进而能够使得当椎体假体30植入人体后,能够较好地与人体骨结构连接,实现生物固定。具体地,在本实施例中,去离子水的温度为30℃,此时能够保证钙离子、磷离子以及锶离子的性质,当然上述的温度范围均能够使得钙离子、磷离子以及锶离子保证原有的性质。上述的钙离子是选自乙酸钙,磷离子是选自甘油磷酸钠,锶离子是选自乙酸锶。当然,钙离子还可以选自氯化钙、磷酸二氢钙、甘油磷酸钙、柠檬酸钙、乳酸钙和氧化钙的一种或几种;磷离子还可以选自磷酸二氢钠、磷酸氢二钠、六偏磷酸钠以及聚磷酸钠中的一种或几种;锶离子还可以选自氢氧化锶。上述的物质在化学领域均较为常见,并且容易得到。上述的电解液在配置完成后,向电解液中添加EDTA-2Na作为络合剂,并用搅拌器搅拌均匀。
如图1至图3以及图9和图10所示,在本实施例中,微弧氧化处理的氧化电压处于200V至400V之间,电源的输出脉宽在40μs至100μs之间,峰值电流设置在40A至200A之间,氧化时间在2min至10min之间。微弧氧化处理过程中电解液温度控制在30℃至45℃之间。上述的条件的设定使得椎体假体坯体的表面形成具有钙离子和磷离子的生物活性层已经形成具有锶离子的抗骨质疏松的功能性层。具体地,在本实施例中,氧化电压为280V,电源的输出脉宽为60μs,峰值电流为100A,氧化时间为5min,微弧氧化处理过程中的电解液的温度为36℃。
如图1和图3以及图9和图10所示,在本实施例中,步骤S71:热等静压处理的最高温度的范围在850℃至880℃之间,升温速度的范围在8℃/min至10℃/min之间,热等静压处理的介质为氩气,最高压力的范围在90MPa至100MPa之间,升压速率的范围在1.0MPa/min至1.4MPa/min之间,保温保压时间的范围在0.5小时至2小时之间。发明人经过大量的实验后,得到了上述的数据。最高温度的范围在850℃至880℃之间,升温速度的范围在8℃/min至10℃/min之间,热等静压处理的介质为氩气,最高压力的范围在90MPa至100MPa之间,升压速率的范围在1.0MPa/min至1.4MPa/min之间,保温保压时间的范围在0.5小时至2小时之间,能够保证热等静压处理的效果,使得椎体假体具有较好的力学性能。具体地,在本实施例中,热等静压处理的最高温度的范围为860℃,热等静压处理的介质为氩气,最高压力为95MPa,保温保压时间为1小时,升压速率为1.2MPa/min,升温速率为9℃/min。
如图1至图3所示,在本实施例中,钙离子的浓度C在0.01mol/L至0.42mol/L之间,磷离子的浓度P与钙离子的浓度C的关系为P=(0.95C+0.07),锶离子的浓度S与磷离子的浓度P和钙离子的浓度C的关系满足S=C+0.75P。在确定钙离子的浓度后,不断调整磷离子的浓度和锶离子的浓度。得到钙离子和磷离子的比值关系以及钙离子、磷离子以及锶离子的比值关系,通过上述的比值关系能够分别得到钙离子的浓度、磷离子的浓度以及锶离子的浓度。
如图1至图3所示,在本实施例中,椎体假体30的的表面形成含有钙离子、磷离子以及锶离子的膜层,膜层的厚度在0.5μm至3μm之间,在膜层中钙离子的含量:Ca≥3wt.%,磷离子的含量:P≥0.5wt.%,锶离子的含量:Sr≥0.2wt.%。上述的钙离子、磷离子以及锶离子的含量有效地保证了椎体假体的表面具有生物活性和抗骨质疏松性。
如图1至图3以及图9和图10所示,在本实施例中,椎体假体30的加工方法包括激光立体成形、选择性激光烧结/熔化和电子束熔融技术中的一种或几种;椎体假体30的材质为钛合金,钛合金为Ti-6Al-4V、Ti-6Al-17Nb、Ti-13Nb-13Zr或Ti-5Zr-3Mo-15Nb中的一种。椎体假体30为多孔结构,多孔结构包括不定形孔结构、立方结构、六棱柱结构、金刚石结构、菱形十二面体结构、截角八面体结构、骨小梁结构中的一种或多种。
具体地,将病人站立位L2-L3节段腰椎进行CT扫描,然后将CT扫描获取的椎骨原始数据导入mimics图像处理软件中,重建出需要植入椎体假体30的上、下两节椎体10的三维结构,得到三维椎体模型。三维模型的几何特征数据包括上椎体和下椎体的表面轮廓和椎间隙高度,利用UG软件重建出与上椎体和下椎体吻合椎间盘中间模型,上椎体和下椎体的高度为椎间隙平均高度11.5mm。在3-matic软件进行网格划分,椎体10、椎间盘20、椎体假体30和固定装置网格采用四面体单元或六面体单元;载荷采用400N施加于上椎体;椎体材料属性在mimics软件上根据灰度的与密度、弹性模量以及泊松比数学模型进行赋予,椎间盘20的材料属性可根据经验值赋予椎体10和椎间盘20的有限元模型和椎体10和椎体假体30的有限元模型。根据椎间隙平均高度11.5mm,在3-matic软件上对椎体假体30和固定装置进行模拟植入。根据在abaqus软件上进行受力分析,得到椎体10和椎间盘20的应力分布图,输出上椎体的平均位移量;椎体10和椎体假体30的应力分布图,最大应力点在椎体假体30与上椎体相接触的位置;在不改变其他参数的条件下,通过不断调整椎体假体30的弹性模量,计算结果与椎体10和椎间盘20的有限元仿真结果进行比对,选择出椎体假体30的弹性模量最合适的值,进而得到对应的刚度值。根据有限元仿真优化出的最佳弹性模量,将弹性模量带入至孔隙率和弹性模量对应的函数关系中,进而得到椎体假体30的的孔隙率,用实验方法验证3D打印的椎体假体30的刚度值;应用增材制造工艺制造椎体假体30;根据设计要求,将符合设计要求的椎体假体30的数据输入增材制造设备。椎体假体的制造方法可以为激光立体成形、选择性激光烧结/熔化和电子束熔融技术中的一种或几种。钛合金为Ti-6Al-4V、Ti-6Al-17Nb、Ti-13Nb-13Zr或Ti-5Zr-3Mo-15Nb中的一种。椎体假体30的多孔结构可以为不定形孔结构、立方结构、六棱柱结构、金刚石结构、菱形十二面体结构、截角八面体结构、骨小梁结构中的一种或几种;对打印出的椎体假体30进行热等静压处理:以提高增材制造的椎体假体30的致密度及其疲劳性能。对得到椎体假体30进行微弧氧化处理,最终得到具有力学适配、骨组织诱导和抗骨质疏松的能力的椎体假体30。
需要说明的是,图11示出多孔结构的具体结构;图12示出了椎体假体30的表面的膜层的具体结构。
在本发明的描述中,需要理解的是,方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,在未作相反说明的情况下,这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明保护范围的限制;方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为了便于描述,在这里可以使用空间相对术语,如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等,用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是,空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如,如果附图中的器件被倒置,则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而,示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位),并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外,需要说明的是,使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件,仅仅是为了便于对相应零部件进行区别,如没有另行声明,上述词语并没有特殊含义,因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种椎体假体的加工方法,其特征在于,包括:
步骤S10:得到包含椎体(10)的模型和椎间盘(20)的模型的第一组合结构;
步骤S20:获取所述第一组合结构的第一应力分布和第一平均位移;
步骤S30:建立选定材质的孔隙率和弹性模量之间的函数关系;
步骤S40:根据所述函数关系得到多个所述弹性模量,根据多个所述弹性模量得到多个第二组合结构,每个所述第二组合结构包含椎体(10)的模型和椎体假体中间模型,所述椎体假体中间模型由所述选定材质制成;
步骤S50:获取每个所述第二组合结构的第二应力分布和第二平均位移;
步骤S60:将所述第一应力分布与每个第二应力分布进行比较以及将所述第一平均位移和每个第二平均位移进行比较,当所述第一应力分布和其中一个所述第二应力分布的比较结果以及所述第一平均位移和其中一个所述第二平均位移的比较结果同时满足第一预设条件时,确定满足所述第一预设条件的所述第二组合结构中的椎体假体中间模型为椎体假体最终模型,并得到所述椎体假体最终模型的弹性模量;
步骤S70:将所述椎体假体最终模型的所述弹性模量带入所述函数关系中,得到最终孔隙率,根据所述最终孔隙率加工得到椎体假体(30)。
2.根据权利要求1所述的椎体假体的加工方法,其特征在于,所述函数关系为:Y=23143n2-46210n+23043.1;其中,Y为弹性模量,n为孔隙率,n满足40%<n<90%。
3.根据权利要求1所述的椎体假体的加工方法,其特征在于,所述步骤S10包括:
步骤S11:通过CT对人体腰椎进行扫描;
步骤S12:将扫描的结果导入图像处理软件中,得到包含所述椎体(10)的模型和所述椎间盘(20)的模型的所述第一组合结构。
4.根据权利要求1所述的椎体假体的加工方法,其特征在于,所述比较所述第一应力分布和第二应力分布以及所述第一平均位移和第二平均位移的步骤包括:
比较所述第一应力分布和第二应力分布之间是否满足第二预设条件,并且比较所述第一平均位移和第二平均位移之间的差值是否满足第三预设条件。
5.根据权利要求1所述的椎体假体的加工方法,其特征在于,所述步骤S70包括:
步骤S71:对所述椎体假体(30)进行热等静压处理;
步骤S72:将进行所述热等静压处理后的所述椎体假体(30)放置到丙酮溶液中清洗,清洗后使用纯化水对所述椎体假体(30)进行冲洗;
步骤S73:向去离子水中添加钙离子、磷离子以及锶离子,得到电解液;
步骤S74:以不锈钢作为阴极,以使用纯化水冲洗后的所述椎体假体(30)为阳极,在所述电解液中进行微弧氧化处理;
步骤S75:对进行所述微弧氧化处理后的所述椎体假体(30)进行冲洗,将冲洗后的所述椎体假体(30)在去离子水中浸泡,浸泡后对所述椎体假体(30)进行吹干。
6.根据权利要求5所述的椎体假体的加工方法,其特征在于,所述微弧氧化处理的氧化电压处于200~400V之间,电源的输出脉宽为40~100μs,峰值电流设置为40~200A,氧化时间为2~10min。
7.根据权利要求5所述的椎体假体的加工方法,其特征在于,所述步骤S71:所述热等静压处理的最高温度的范围在850℃至880℃之间,升温速度的范围在8℃/min至10℃/min之间,热等静压处理的介质为氩气,最高压力的范围在90MPa至100MPa之间,升压速率的范围在1.0MPa/min至1.4MPa/min之间,保温保压时间的范围在0.5小时至2小时之间。
8.根据权利要求5所述的椎体假体的加工方法,其特征在于,所述钙离子的浓度C在0.01mol/L至0.42mol/L之间,磷离子的浓度P与钙离子的浓度C的关系为P=(0.95C+0.07),锶离子的浓度S与磷离子的浓度P和钙离子的浓度C的关系满足S=C+0.75P。
9.根据权利要求5所述的椎体假体的加工方法,其特征在于,所述椎体假体(30)的的表面形成含有钙离子、磷离子以及锶离子的膜层,所述膜层的厚度在0.5μm至3μm之间,在所述膜层中钙离子的含量:Ca≥3wt.%,磷离子的含量:P≥0.5wt.%,锶离子的含量:Sr≥0.2wt.%。
10.根据权利要求1所述的椎体假体的加工方法,其特征在于,所述椎体假体(30)的加工方法包括激光立体成形、选择性激光烧结/熔化和电子束熔融技术中的一种或几种;所述选定材质为钛合金,所述钛合金为Ti-6Al-4V、Ti-6Al-17Nb、Ti-13Nb-13Zr或Ti-5Zr-3Mo-15Nb。
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