[发明专利]3D打印金属微孔髓腔内种植体及其制作方法

说明书

本发明涉及一种3D打印金属微孔髓腔内种植体及其制作方法，所述方法包括步骤：采集患者肢体残端的CT数据，利用mimics软件和Magics软件得到种植体模型；利用有限元分析软件对种植体模型进行拓扑优化；在Rhino软件中依据拓扑优化结果制作表面梯度网格化髓腔内种植体模型，并对该模型进行有限元分析，若表面梯度网格化髓腔内种植体模型所受最大应力没有超过屈服强度，则对进行金属3D打印，得到3D打印金属微孔髓腔内种植体。本发明采用了拓扑优化技术对种植体的外层即网格层进行优化，能够获得最佳材料力学配比，且种植体的微孔表面有利于骨整合，3D打印的种植体便于骨长入且稳定性好。

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，特别是涉及一种3D打印金属微孔髓腔内种植体及其制作方法。

背景技术

现有技术中的假肢以工具性假肢和结构性假肢为主，前者主要便于劳动和运动，后者则主要恢复肢体的外观整体性，也有兼顾工具性和结构性的假肢和带有机电结构的智能假肢。但大部分假肢均采用接受腔与肢体残端相固定，主要包括外壳式结构、组件式结构和骨骼式结构，原理均是根据患者肢体残端的形状进行适配，即制作一个套筒样接受腔(假肢套)将假肢固定到肢体残端。但这种的接受腔与肢体残端固定的方式存在生物力学结构不符、残肢状况较差、穿着不适、易松动等技术缺陷。

也有少部分假肢连接装置采取了新的设计，如公开号为CN206867312U的实用新型专利公开了一种新型假肢连接装置，其采用了螺纹杆的设计，螺纹杆的一端为用于钻入负重骨髓腔内的螺纹部，另一端为露于皮肤外用于连接假肢的杆部。但单纯的螺纹设计未考虑连接器与髓腔形状的匹配问题，与骨的贴合不够，且也没有考虑骨整合等问题，无法实现骨长入，仅仅是依靠螺纹结构来起到初期的固定作用。

发明内容

为解决目前假肢固定存在的技术问题，本发明提供一种3D打印金属微孔髓腔内种植体及其制作方法。

一种3D打印金属微孔髓腔内种植体的制作方法，包括以下步骤：

步骤一：采集患者肢体残端的CT数据，在mimics软件中根据所述CT数据对患者肢体残端的残骨进行三维重建，得到三维模型，并将三维模型以STL格式导出到Magics软件中，在Magics软件中提取三维模型中的髓腔，并根据预设的种植体髓腔插入深度对髓腔进行切割截取，将切割截取的髓腔段与原髓腔进行预装配操作，预装配操作完成之后，对切割截取的髓腔段进行两次向内抽壳操作，得到种植体模型并将种植体模型导入到有限元分析软件中，所述种植体模型包括内部的空腔实心层和位于所述空腔实心层外的网格层；

步骤二：在有限元分析软件中，以种植体模型的网格层的加权应变能最小化为目标函数，体积分数为约束的条件下对网格层进行拓扑优化，得到拓扑优化结果，并将拓扑优化结果输入到Rhino软件中；

步骤三：在Rhino软件中依据拓扑优化结果制作表面梯度网格化髓腔内种植体模型，所述表面梯度网格化髓腔内种植体模型的优化后保留区域为与皮质骨弹性模量相近的随机网格结构，优化掉的区域为适合于骨长入网格大小的随机网格结构；

步骤四：将所述表面梯度网格化髓腔内种植体模型导入有限元分析软件，并对所述表面梯度网格化髓腔内种植体模型施加步骤二中相同的工况和约束进行有限元分析，判断所述表面梯度网格化髓腔内种植体模型所受最大应力是否超过了屈服强度，若是，则返回步骤二进行重新优化；否则进入步骤五；

步骤五：对所述表面梯度网格化髓腔内种植体模型进行金属3D打印，得到3D打印金属微孔髓腔内种植体。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明的3D打印金属微孔髓腔内种植体及其制作方法采用了拓扑优化技术对种植体的外层即网格层进行优化，能够获得最佳材料力学配比，且种植体的微孔表面有利于骨整合；