[发明专利]一种用于人工假体的中空缓冲结构

说明书

技术领域

本发明属于人工假体技术领域，具体涉及一种用于人工假体的中空缓冲结构。

背景技术

人工假体是治疗各类骨缺损或严重关节疾病的最终极手段。现有人工假体产品以金属材料为主，植入后要在人体内长期承载。然而金属材料假体的刚度远大于人体骨骼，植入后会造成显著的应力屏蔽效应，假体承担了较多的应力而周围骨承担的应力减少。这种情况下，骨会根据所受应力情况发生改建，应力降低时骨组织会萎缩，引发假体远期松动。假体松动后，翻修手术的实施不仅会给病人带来额外的负担，同时，由于骨质流失引起的剩余骨量缺乏也会增加手术难度。

降低假体的刚度以获得与骨相近的弹性模量是解决远期松动的根本途径。具有多孔结构的假体被认为能够有效降低假体的结构刚度，一定程度解决假体植入后的远期松动问题，同时多孔结构能够为骨组织生长提供空间，实现远期生物固定。但是，假体孔隙率的提高不可避免的会带来强度的降低，因此低模量假体设计面临的核心问题就是假体结构刚度和强度之间的矛盾。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的缺点，本发明的目的在于提供一种用于人工假体的中空缓冲结构，避免人工假体植入后周围骨流失，提高人工假体植入后的稳定性和使用寿命。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种用于人工假体的中空缓冲结构，包括闭口薄壁部分1和其外部的缓冲结构2，闭口薄壁部分1为封闭中空结构，位于人工假体内部，被缓冲结构2包裹；缓冲结构2为三维网格状，填充于闭口薄壁部分1之外，人工假体外轮廓之内；所述的闭口薄壁部分1上设有排出闭口薄壁部分1内部残留粉末的小通孔3。

所述的闭口薄壁部分1的位置和厚度满足安全性要求，选定若干具有不同位置和厚度的闭口薄壁部分1的待选中空缓冲结构，在有限元分析中，根据所采用的材料，为闭口薄壁部分1赋予弹性模量，为缓冲结构2赋予弹性模量为0，通过有限元分析模拟待选中空缓冲结构植入后的应力分布；闭口薄壁部分1所受最大应力σ_max满足安全条件：

其中，[σ]为中空缓冲结构所采用的材料的屈服强度，N为安全系数，最小值为1。

所述的缓冲结构2通过通过三维网格结构来构建，三维网格结构的相对密度的变化范围为20-80％，三维网格结构的支柱的截面尺寸的变化范围为0.2mm-5mm，在同一人工假体的缓冲结构2中，三维网格结构的相对密度和支柱的截面尺寸不一定在各处均相同。

所述的缓冲结构2在人工假体最外层形成的孔径范围为100μm-1mm。

所述的缓冲结构2与闭口薄壁部分1接触的三维网格结构的支柱与闭口薄壁部分1的外表面之间有圆角，圆角尺寸不超过该支柱的长度。

所述的小通孔3直径范围为500μm-2mm。

所述的用于人工假体的中空缓冲结构选用的材料包括具有生物相容性的金属材料、陶瓷材料、高分子材料或复合材料，采用增材制造技术一体化制造。

本发明的优点和效果在于：

1.本发明采用的中空薄壁结构能够在相同的截面面积和材料重量的情况下，具有较高的抗弯、抗扭能力。人工假体植入后主要承受三类载荷，即弯曲、压缩和扭转，通过有限元方法校核的中空薄壁结构能够在使用较少材料的情况下，为人工假体提供足够的强度，避免人工假体植入后折断。

2.本发明采用的多孔缓冲结构在植入后能够起到应力传导作用。由于多孔结构造成人工假体与骨接触区域的结构刚度降低，收到冲击后，人工假体可以通过形变来进行能量的传递，把应力通过低弹性模量的缓冲结构2传导到周围骨组织，从而降低对人工假体强度的要求，同时有效避免应力屏蔽导致骨组织的改建和流失。另一方面，多孔结构为骨组织的生长提供空间，加之骨组织受到的力学刺激程度提高，最终在植入后，骨组织可以向多孔部分内向生长，形成坚强的生物固定，更有利于人工假体的长期稳定性。

3.本发明通过中空的闭口薄壁部分1为假体提供有效的强度支撑，通过薄壁连接缓冲结构的设计来引导应力通过人工假体向径向周围骨的传导和后期生物固定的形成，能够解决人工假体的强度要求和结构刚度之间的矛盾，提供兼具安全性和稳定性的人工假体结构设计思路。

本发明通过内部闭口薄壁结构提供有效的强度支撑，外部多孔缓冲结构降低人工假体与骨接触部分的刚度，从而削弱人工假体植入后的应力屏蔽效应，避免人工假体植入后周围骨流失，提高人工假体植入后的稳定性和使用寿命。

附图说明

图1为本发明的示意图。

图2为图1的A-A截面示意图。