[发明专利]一种定向增强3D打印聚合物股骨近端替代物及其设计方法

权利要求书

1.一种定向增强3D打印聚合物股骨近端替代物，包括主体部分(1)和固定部分，其特征在于：主体部分(1)的外形与人体缺损股骨近端的形貌相匹配，主体部分(1)和固定部分内部有增强纤维(3)，增强纤维(3)的铺设方向与股骨近端替代物的主应力迹线方向一致，增强纤维(3)的分布密度和分布区域满足股骨近端替代物的拉伸和弯曲强度要求；主体部分(1)和固定部分内部有增强颗粒(4)，增强颗粒(4)的含量满足股骨近端替代物压缩强度要求；

增强纤维(3)的分布密度和分布区域的设计方法，首先建立增强纤维(3)的分布密度α与许用拉伸强度[σ]的强度关系函数[σ]＝f(α)，以及增强纤维(3)的分布密度α与等效弹性模量E的模量关系函数E＝g(α)；为每一主应力迹线束赋予初始增强纤维分布密度α_i，i为主应力迹线束的序号，并根据模量关系函数计算每一主应力迹线束的等效弹性模量E_i；在股骨近端有限元模型中，使用每一主应力迹线束的等效弹性模量E_i为股骨近端替代物内的增强纤维(3)的分布区域赋予弹性模量，并实施有限元计算；在有限元计算的结果中提取每一主应力迹线束的最大应力σ_i,max，并根据强度关系函数计算每一主应力迹线束的许用拉伸强度[σ_i]，根据公式计算每一主应力迹线束的安全系数N_i；调整所有主应力迹线束的增强纤维(3)的分布密度α_i和分布区域的横截面积，使所有主应力迹线束的安全系数N_i大于额定安全系数[N]。

2.根据权利要求1所述的一种定向增强3D打印聚合物股骨近端替代物，其特征在于：所述固定部分采用髓内针结构(2-1)或翼板结构(2-2)。

3.根据权利要求1所述的一种定向增强3D打印聚合物股骨近端替代物的增强纤维(3)的铺设方向的设计方法，其特征在于：建立包括股骨近端替代物和残余股骨的股骨近端有限元模型，根据患者股骨近端的生物力学环境为有限元模型定义载荷和边界条件，进行有限元计算并提取计算结果的主应力迹线，将所有主应力迹线根据方向划分为若干主应力迹线束，主应力迹线束方向即为增强纤维(3)的铺设方向。

4.根据权利要求1所述的一种定向增强3D打印聚合物股骨近端替代物，其特征在于：所述增强纤维(3)的材料为碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维或金属丝纤维。

5.根据权利要求1所述的一种定向增强3D打印聚合物股骨近端替代物，其特征在于：所述的增强颗粒(4)的材料为陶瓷颗粒或金属颗粒，采用具有多材料打印功能的熔融沉积成形3D打印设备制造。

6.根据权利要求1所述的一种定向增强3D打印聚合物股骨近端替代物，其特征在于：所述定向增强3D打印聚合物股骨近端替代物选用的基体材料为具有生物相容性的高分子聚合物材料。