專利名稱：一種股骨頭內(nèi)支撐架的制造方法及其產(chǎn)品的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制備作為人體植入物的股骨頭內(nèi)支撐架的制備方法；本發(fā)明還涉及按該方法制備的股骨頭內(nèi)支撐架。
背景技術(shù)：
股骨頭壞死的常用治療方法為髓芯減壓術(shù)。為防止髓芯減壓術(shù)所形成的骨缺損和股骨頸薄弱導(dǎo)致加速股骨頭塌陷，人們?cè)诠晒穷^內(nèi)部植入支撐物以提供支撐力。這種植入物被稱為股骨頭內(nèi)支撐架。為使支撐架能與骨組織結(jié)合良好，需要支撐架有粗糙的外表面和多孔的架身結(jié)構(gòu)。目前多數(shù)在用的機(jī)械加工方法很難將支撐架的架身做出與骨組織結(jié)構(gòu)相近的多孔結(jié)構(gòu)。中國(guó)專利ZL200810111686.6公開(kāi)了一種采用電子束重熔加工鈦粉的方法制作股骨頭內(nèi)支撐架，較之機(jī)械加工是個(gè)很大進(jìn)步，但其產(chǎn)品內(nèi)部的多孔結(jié)構(gòu)存在非均一性的缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種股骨頭內(nèi)支撐架的制備方法，以及按該方法生產(chǎn)的股骨頭內(nèi)支撐架。該支撐架可以提供股骨頭內(nèi)永久結(jié)構(gòu)性支撐力并減小和消除因彈性模量差引起的應(yīng)力屏障，同時(shí)提供骨組織向支撐架內(nèi)生長(zhǎng)的條件。本發(fā)明制備股骨頭內(nèi)支撐架的方法是，以激光器為能量源，通過(guò)激光束使金屬粉末材料均勻地?zé)Y(jié)在加工面上，得到所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，稱為選擇性激光燒結(jié)(Selective Laser Sintering, SLS)技術(shù)。其工藝步驟為，使用計(jì)算機(jī)制圖軟件CAD生成三維實(shí)體模型， 再通過(guò)分層軟件將設(shè)計(jì)的產(chǎn)品模型分成若干細(xì)小薄層，每個(gè)薄層斷面的二維數(shù)據(jù)用于驅(qū)動(dòng)控制激光光束，激光束掃描之處，粉末燒結(jié)成一定厚度的實(shí)體分層，未受到激光掃描的金屬粉末保持松散的粉末狀態(tài)。根據(jù)物體截層厚度而升降工作臺(tái)，鋪粉滾筒再次將粉末鋪平臺(tái)， 進(jìn)行新一層的掃描。如此反復(fù)，直至掃描完所有層面，經(jīng)激光燒結(jié)的金屬粉末就構(gòu)成了所設(shè)計(jì)的器件，去除未經(jīng)激光燒結(jié)的金屬粉末，再經(jīng)修磨、烘干處理獲得成品。按本發(fā)明選擇性激光燒結(jié)技術(shù)制備的股骨頭內(nèi)支撐架其實(shí)質(zhì)為多孔結(jié)構(gòu)，其微觀結(jié)構(gòu)是由形狀相同或近似的小單元體疊加構(gòu)成，每個(gè)小單元體是由12條棱構(gòu)成的六面框架體，其中每4條棱構(gòu)成一個(gè)矩形面，由8條棱構(gòu)成的兩個(gè)矩形面位置上下相對(duì)，兩面平行； 在上下兩個(gè)矩形面之間有豎置的四條棱。在此矩形六面框架中，構(gòu)成上下兩個(gè)矩形面的棱稱作橫梁，支撐兩個(gè)矩形面的豎置棱稱作縱柱。梁和柱的截面形狀可以是矩形或圓形。優(yōu)選組合為，8條橫梁的截面均為矩形，4根縱柱的截面均為圓形。在此矩形六面框架中，在三維方向上各有四條棱平行走行，長(zhǎng)短一致。每一個(gè)矩形六面框架是一個(gè)小單元體，由無(wú)數(shù)小單元體疊加構(gòu)成本發(fā)明股骨頭內(nèi)支撐架的實(shí)質(zhì)。本發(fā)明股骨頭內(nèi)支撐架宏觀切面孔隙率為30% -70%，優(yōu)選孔隙率為 45% -55%，孔隙尺寸為 300-800 μ m。本發(fā)明股骨頭內(nèi)支撐架為改善器件表面的平整度，為使邊角處形狀規(guī)矩，在設(shè)計(jì)、加工時(shí)對(duì)所涉及的單元體采用壓縮或拉伸的方法畸變單元框架，在達(dá)到表面平整的同時(shí)保持單元格的完整，不出現(xiàn)斷棱端。按本發(fā)明方法制造股骨頭內(nèi)支撐架，在計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中可以按照理論上理想的需要安排支撐架體的內(nèi)部孔隙，激光燒結(jié)的精準(zhǔn)程度可以保證其內(nèi)部結(jié)構(gòu)均勻一致。微米級(jí)的孔隙，在保證支撐架足夠強(qiáng)度的同時(shí)，架體表面凹凸有致，架體內(nèi)部的多孔結(jié)構(gòu)為骨組織生長(zhǎng)提供了空間，其孔隙的大小和分布適合骨組織生長(zhǎng)需要。


圖1為本發(fā)明股骨頭內(nèi)支撐架成品形狀圖；圖2為本發(fā)明股骨頭內(nèi)支撐架一個(gè)實(shí)施例微觀單元梁柱結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明股骨頭內(nèi)支撐架另一個(gè)實(shí)施例微觀單元梁柱結(jié)構(gòu)示意圖。圖中標(biāo)號(hào)所表示的部件或部位為1-支撐架體部；2-支撐架頭部；3-支撐架尾部；4-微觀單元橫梁；5-微觀單元縱柱；6-微觀單元梁柱交結(jié)點(diǎn)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明。如圖1所示，本發(fā)明股骨頭內(nèi)支撐架的大體結(jié)構(gòu)與本申請(qǐng)人的在先專利申請(qǐng) "201010573866. 3 一種股骨頭內(nèi)支撐架”相同，是由頭部2、體部1、尾部3三部分組成的圓柱形體，其前端頭部2為半球形，體部1為圓柱形，尾部3為設(shè)有外螺紋的圓柱體。其顯微結(jié)構(gòu)是由結(jié)構(gòu)相同的小單元體疊加構(gòu)成，每個(gè)小單元體是如圖2或圖3所示的六面框架體。圖2所示為本發(fā)明股骨頭內(nèi)支撐架微觀結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)施例。圖示為一個(gè)小結(jié)構(gòu)單元，該單元是由12條棱構(gòu)成的中空矩形六面框架體，每一面存在一個(gè)矩形孔。構(gòu)成上下兩個(gè)平面的棱4稱為橫梁，有8根；兩個(gè)平面之間豎置的棱5稱為縱柱，有4根。圖2所示實(shí)施例中，8根橫梁等長(zhǎng)，均為方柱體，4根縱柱等長(zhǎng)，均為圓柱體。圖2所示實(shí)施例設(shè)計(jì)矩形六面框架中，梁的截面邊長(zhǎng)、柱的截面直徑、側(cè)面孔的一側(cè)邊長(zhǎng)三者相等，均為300-800 μ m， 優(yōu)選500 μ m。如此孔隙設(shè)置符合骨組織生長(zhǎng)需要。圖3所示為本發(fā)明股骨頭內(nèi)支撐架微觀結(jié)構(gòu)的另一個(gè)實(shí)施例。其基本結(jié)構(gòu)與圖2 所示實(shí)施例相同，不同點(diǎn)在于，所有12條棱，包括橫梁4、縱柱5、均為圓柱形，而且等長(zhǎng)，所組合成的矩形六面框架為正方形六面框架；梁、柱截面直徑與側(cè)面孔的邊長(zhǎng)不等；梁柱交結(jié)點(diǎn)7膨隆為球形。在實(shí)際應(yīng)用中，任何梁、柱均可以在方柱形與圓柱形之間進(jìn)行選擇。無(wú)數(shù)個(gè)如圖 2或圖3所示的單元框架疊加構(gòu)成股骨頭內(nèi)支撐架的整體，其孔隙率為30-70%，孔隙尺寸 300-800 μm0在對(duì)股骨頭內(nèi)支撐架的形狀、大小作出選擇后用計(jì)算機(jī)三維制圖軟件作圖，生成三維實(shí)體模型的數(shù)據(jù)，再通過(guò)分層軟件Magics RP分成若干細(xì)小薄層，每個(gè)薄層斷面的二維數(shù)據(jù)用于驅(qū)動(dòng)控制激光光束。激光束掃描之處，粉末燒結(jié)成一定厚度的實(shí)體層，未掃描的地方保持松散的粉末狀。在完成一個(gè)層面的激光束掃描燒結(jié)后，根據(jù)物體截層厚度升降工作臺(tái)，鋪粉滾筒再次將粉末鋪于平臺(tái)，進(jìn)行新一層的掃描。如此反復(fù)，直至掃描完所有層面，去除多余粉末，經(jīng)修磨、烘干等處理后獲得設(shè)計(jì)需要的器件。可供使用的設(shè)備有德國(guó)EOS公司生產(chǎn)的EOSINT M270快速激光燒結(jié)成型系統(tǒng)。材料選擇植入級(jí)純鈦粉末。 對(duì)于器件表面和邊角處所涉 及的單元體，可采用壓縮或拉伸的方法畸變單元框
架，以取得表面的平整，同時(shí)保持單元格的完整，無(wú)斷棱端。
權(quán)利要求
1.一種制造股骨頭內(nèi)支撐架的方法，其特征在于，采用選擇性激光燒結(jié)技術(shù)制得所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，其工藝步驟為，使用計(jì)算機(jī)制圖軟件CAD生成三維實(shí)體模型，再通過(guò)分層軟件將設(shè)計(jì)的產(chǎn)品模型分成若干細(xì)小薄層，每個(gè)薄層斷面的二維數(shù)據(jù)用于驅(qū)動(dòng)控制激光光束，激光束掃描之處粉末燒結(jié)成一定厚度的實(shí)體層，未受到激光掃描的金屬粉末保持松散的粉末狀態(tài)；根據(jù)物體截層厚度而升降工作臺(tái)，鋪粉滾筒再次將金屬粉末鋪于平臺(tái)，進(jìn)行新一層掃描；如此反復(fù)，直至掃描完所有層面，經(jīng)激光燒結(jié)的金屬粉末就構(gòu)成了所設(shè)計(jì)的器件，去除未經(jīng)激光燒結(jié)的金屬粉末，再經(jīng)修磨、烘干處理獲得成品。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造股骨頭內(nèi)支撐架的方法，其特征在于，所使用的金屬粉末材料為植入級(jí)純鈦粉末。
3.按照權(quán)利要求1所述方法制造的股骨頭內(nèi)支撐架，其特征在于，支撐架各部位的微觀結(jié)構(gòu)是由形狀相同或近似的小單元體疊加構(gòu)成，每個(gè)小單元體是由12條棱構(gòu)成的矩形六面框架體；其中，水平走行的8條棱為橫梁， 垂直走行的4條棱為縱柱。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的股骨頭內(nèi)支撐架，其特征在于，構(gòu)成矩形六面框架體的梁和柱的截面形狀是矩形或圓形。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的股骨頭內(nèi)支撐架，其特征在于，構(gòu)成矩形六面框架體的8條梁的截面均為矩形，4根柱的截面均為圓形。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的股骨頭內(nèi)支撐架，其特征在于，構(gòu)成矩形六面框架體所有梁、 柱均等長(zhǎng)，所組成的矩形六面框架體為正方形六面框架體。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的股骨頭內(nèi)支撐架，其特征在于，矩形六面框架體的所有梁、柱均為圓柱形，梁柱交結(jié)點(diǎn)膨隆為球形。
8.根據(jù)權(quán)利要求3-7任一權(quán)利要求所述的股骨頭內(nèi)支撐架，其特征在于，由矩形六面框架疊加構(gòu)成的股骨頭內(nèi)支撐架宏觀切面孔隙率為30% -70%，孔隙尺寸為300-800μπι。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的股骨頭內(nèi)支撐架，其特征在于，器件表面和邊角處所涉及的單元體，是經(jīng)過(guò)壓縮或拉伸方法畸變的單元框架，單元格完整，無(wú)斷棱端。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種制造股骨頭內(nèi)支撐架的方法，其是通過(guò)計(jì)算機(jī)控制的激光束掃描使金屬粉末材料分層燒結(jié)疊加制得所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品。按本發(fā)明方法制備的股骨頭內(nèi)支撐架其各部位的實(shí)質(zhì)顯微結(jié)構(gòu)是由結(jié)構(gòu)相同的單元體疊加構(gòu)成，每個(gè)小單元體是由12條棱構(gòu)成的矩形六面框架體。成品支撐架在具備足夠強(qiáng)度的同時(shí)，架體表面粗糙，架體內(nèi)部為有規(guī)律的多孔結(jié)構(gòu)，適合骨組織生長(zhǎng)。
文檔編號(hào)A61F2/36GK102178573SQ20111008631
公開(kāi)日2011年9月14日 申請(qǐng)日期2011年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月7日
發(fā)明者包娟娟, 吳春生, 尹曉宇, 沈龍, 邱芹 申請(qǐng)人:北京暢想天行醫(yī)療技術(shù)有限公司