[发明专利]一种聚醚醚酮仿生多层次人工关节的设计与制造方法

说明书

一种聚醚醚酮仿生多层次人工关节的设计与制造方法，先根据实际对关节置换进行术前规划，重建患者的关节三维模型，进行力学分析得到关节应力分布结果；再根据患者的情况以及关节应力分布结果，对关节进行模量和强度的分区设计，形成有不同模量、强度、功能性区域划分的最终关节模型；最终关节模型根据不同需求的区域要求进行分区数据处理，形成包含3D打印参数的工艺数据包；将3D打印工艺数据包导入3D打印机，控制3D打印过程，根据分区设计的结果选择不同的进料，采用多喷头同时打印，通过调控不同的温度、层高的打印参数，得到所需的人工关节；本发明设计出仿生多层次耐磨与促进骨长入的关节结构，采用3D打印快速制造，形成一体化的设计与生产。

技术领域

本发明涉及聚醚醚酮的人工关节3D打印技术领域，具体涉及一种聚醚醚酮仿生多层次人工关节的设计与制造方法。

背景技术

人工关节是替代病变或损伤关节的植入性假体，需要满足一定的力学性能要求、生物相容性要求、耐磨性能要求等。目前国内外的人工关节部件主要为金属关节，如钴铬钼合金(CoCrMo)关节和钛(Ti)合金关节，但金属关节的弹性模量远远大于骨的弹性模量，因此容易产生应力遮挡效应，引起骨吸收和骨萎缩，从而导致关节无菌性的松动等并发症；另外，金属关节在X光片中会发生伪影现象，干扰医学影像检查，从而无法判断术后植入效果。

近年来，聚醚醚酮(PEEK)材料受到广泛关注，由于其优异的抗疲劳和耐磨性能，它有望成为新一代高寿命人工关节材料。目前的研究都主要集中在均质单一的PEEK材料改性和PEEK的复合材料上，如对PEEK进行表面处理改性的方式进行制造，但仅仅依靠改性难以进一步提高PEEK材料的力学性能，无法适应自然骨骼不同的弹性模量需求；也出现了碳纤维(CF)与PEEK、羟基磷灰石(HA)与PEEK等复合材料以及改性处理的复合材料的工艺研究，但大多只停留在单一材料与PEEK的复合，难以满足人工关节多样化和多层次的功能需求，且主要集中在材料的制备工艺方面，对应用于实际的人工关节设计与制造方面研究较少；此外还有部分研究设计出有一定层次的关节结构，但往往以标准化结构进行设计，无法满足病患的个性化需求，同时有的层次结构不符合人体自然特征，如采用中间骨层为硬质、内外层均为多孔的结构，将无法满足耐磨性要求且内部硬度过大，有的层次结构在材料选择上使用了金属材料，又会存在金属关节面临的种种问题，另外，这些研究尚未提出相适应的制造方式，难以用于人工关节的实际生产。目前PEEK材料的人工关节研究集中于设计、材料、工艺的某个单一方面，没有形成一体化的设计与生产方式。

发明内容

为了克服上述现有将技术的缺点，本发明的目的在于提供一种聚醚醚酮仿生多层次人工关节的设计与制造方法，根据骨生长、松质骨-皮质骨仿生模量匹配等功能要求，设计出仿生多层次耐磨与促进骨长入的关节结构，采用3D打印快速制造，形成一体化的设计与生产。

为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种聚醚醚酮仿生多层次人工关节的设计与制造方法，包括以下步骤：

1)根据实际需求，对关节置换进行术前规划；

2)通过术前规划的结果指导关节的设计：借助人体健康关节的几何模型重建患者的关节三维模型，然后对关节三维模型进行力学分析，判断是否满足关节需求，得到关节应力分布结果；

3)根据患者的年龄、体重、骨骼尺寸、骨质情况以及关节应力分布结果，对关节进行模量和强度的分区设计，得到设计关节三维模型；对设计关节三维模型划分出第1层、第2层、…、第n层，形成有不同模量、强度、功能性区域划分的最终关节模型；

4)最终关节模型根据不同需求的区域要求进行分区数据处理，并通过软件形成包含3D打印参数的工艺数据包；

5)将3D打印工艺数据包导入3D打印机，控制3D打印过程，采用多喷头同时打印的方式，不同的打印喷头进料不同，通过调控不同的温度、层高的打印参数进行打印，最终得到所需的人工关节。