具有雙重空隙的人工骨假體的制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種具有雙重空隙的人工骨假體的制備方法，屬于生物醫用假體技術領域。
【背景技術】
[0002]交通事故、自然災害的發生，易導致人體骨骼的損傷，嚴重時會造成患者殘疾甚至失去生活自理能力，幫助骨損傷患者修復缺損或缺失的硬組織，更好地恢復人體硬組織功能是醫學界一直努力探索的課題。
[0003]人工骨假體作為解決和修復自體骨骼損傷的一種技術，截至目前，已經得到全世界的認可。然而，人工骨假體在實際使用過程中，其生物相容性和可靠性方面仍存在較大的問題，這是因為，骨假體由金屬制成，其本身含有一些毒性元素，置換后易出現排異和不適現象，現有技術中，可通過在骨假體表面進行粗糙化處理，或是納米化處理，或是進行羥基磷灰石涂層處理等方法提高骨假體的生物相容性，然而，單一的表面處理只能提高骨假體表面的骨誘導性，無法促進假體的長期修復，而且，涂層處理還存在涂層容易脫落的問題，例如，中國專利CN201310122806和CN201310122725，即使在金屬假體外進行生物涂層處理，但由于金屬與涂層兩種材料力學性能不一致，很容易開裂和脫落，從而降低了骨假體的可靠性。
【發明內容】
[0004]鑒于上述原因，本發明的目的在于提供一種具有雙重空隙的人工骨假體的制備方法，利用該方法制備出的骨假體，不僅具有良好的生物相容性，同時具有良好的穩定性。
[0005]為實現上述目的，本發明采用以下技術方案:
[0006]一種具有雙重空隙的人工骨假體的制備方法，包括以下步驟:
[0007]S1:利用醫學影像數據構造原始骨骼的三維模型；
[0008]S2:根據原始骨骼三維模型和預構造骨體空隙的大小確定基本單元，依據原始骨骼三維模型的形狀、大小以該基本單元為基礎構建生成整體單元；
[0009]S3:將原始骨骼三維模型與該整體單元通過布爾運算處理后，生成具有骨體空隙的骨骼三維模型；
[0010]S4:對生成的具有骨體空隙的骨骼三維模型進行優化處理；
[0011]S5:基于優化后的骨骼三維模型，利用增材制造技術打印出具有骨體空隙的骨骼基體；
[0012]S6:在具有骨體空隙的骨骼基體上，進行生物涂層處理。
[0013]進一步的，
[0014]所述步驟S6中，進行生物涂層處理包括以下步驟:
[0015]在所述骨骼基體上進行第一層的涂層處理，將生物陶瓷溶液通過所述骨骼基體上的骨體空隙進入骨假體內部，形成骨骼基體的第一涂層，該第一涂層形成有稀松的粗空隙；
[0016]在所述骨骼基體上進行第二層的涂層處理，將生物陶瓷溶液通過所述骨骼基體上的骨體空隙進入骨假體內部，形成骨骼基體的第二涂層，該第二涂層形成有密集的細空隙。
[0017]所述步驟S2中，根據骨假體的具體部位、臨床置換方案、固定情況及相關的生物力學知識確定出預構造骨體空隙的分布范圍、疏密程度等。
[0018]所述步驟S2中，將所述基本單元分別于橫向、縱向上進行復制、拼接，生成所述整體單元。
[0019]所述步驟S3中，將所述原始骨骼三維模型與整體單元進行對齊處理，然后進行布爾運算，在所述原始骨骼三維模型的范圍內減去所述整體單元，得到所述具有骨體空隙的骨骼三維模型，該模型從里到外呈現完全相通的骨體空隙。
[0020]所述步驟S2中，所述基本單元的具體形態根據骨骼的體積或薄厚程度確定，該基本單元的受力情況與其微觀受力形式相一致。
[0021]所述基本單元的形態可以呈HCP、FCC、BCC晶體形態。
[0022]所述步驟S4中，對所述具有骨體空隙的骨骼三維模型，進行虛擬仿真分析及優化，該虛擬仿真分析包括靜力學分析、運動學分析、動力學分析。
[0023]所述步驟S5中，打印所述骨骼基體時，將骨骼三維模型整體縮小一定比例，為后續的生物涂層處理預留厚度空間。
[0024]本發明的優點在于:
[0025]依本發明的方法制備出的人工骨假體，具有雙重空隙:金屬制的骨骼基體具有骨體空隙，有利于生物陶瓷溶液經骨體空隙進入基體內部，提高基體與涂層之間的結合穩定性，防止涂層脫落；生物涂層具有兩層，且兩層涂層具有疏密度不同的空隙，稀疏的空隙有利于細胞的附著、生長與修復，密集的空隙可提高骨假體表面的致密度，提高耐磨性和強度，提高骨假體的可靠性。另外，本發明利用增材制造技術實現，能夠快速打印出骨假體，且可節約材料，降低假體質量。
【附圖說明】
[0026]圖1是本發明的方法流程示意圖。
[0027]圖2是本發明的人工骨假體的截面的微觀示意圖。
[0028]圖3是本發明一具體實施例的基本單元的微觀結構示意圖。
【具體實施方式】
[0029]以下結合附圖和實施例對本發明作進一步詳細的說明。
[0030]圖1是本發明的方法流程示意圖，如圖所示，本發明公開的具有雙重空隙的人工骨假體的制備方法，包括以下步驟:
[0031]S1:利用醫學影像數據構造原始骨骼的三維模型；
[0032]在人體骨骼MRI或CT數據的基礎上，逐層提取出骨骼的外輪廓(可利用Mimics軟件提取)，然后根據每一層的外輪廓整體擬合生成原始骨骼的三維模型。
[0033]S2:根據原始骨骼的三維模型和預構造骨體空隙的大小確定基本單元，依據原始骨骼三維模型的形狀、大小以基本單元為基礎構建生成整體單元；
[0034]首先，根據原始骨骼的三維模型和預構造骨體空隙的大小確定一種形態的基本單元，并根據骨假體的部位、臨床置換方案、固定情況及相關的生物力學知識確定出預構造骨體空隙的分布范圍、疏密程度等，如，大體積的骨假體(如長骨)，構造的骨體空隙應大些，較薄的假體(如指骨)，構造的骨體空隙應密集一些；骨假體的固定部位及邊緣部分不易分布空隙，以免影響強度；
[0035]然后，根據原始骨骼三維模型的形狀、大小，將基本單元分別于橫向、縱向上進行復制、拼接，生成與原始骨骼三維模型形狀、大小大體相適應的整體單元；
[0036]圖3是本發明一具體實施例的基本單元的微觀結構示意圖，如圖所示，基本單元6經過橫向復制、拼接后生成橫向單元7，橫向單元7再經過縱向復制、拼接后生成整體單元8;其中的復制、拼接過程是指，設置基本單元的復制個數及移動距離，實現多個基體單元的建模，并保證骨體空隙的相通、一致，以利于后續涂層的制作以及置換后細胞的修復。
[0037]基本單元的具體形態可以根據骨骼的體積或薄厚程度進行設計，設計原則是盡量使其受力情況與微觀受力形式相一致，基本單元的形態可以參考常見的晶體結構，如HCP、FCC、BCC 等。
[0038]S3:將原始骨骼三維模型與整體單元通過布爾運算處理后，生成具有骨體空隙的骨骼三維模型；
[0039]將原始骨骼三維模型與整體單元進行對齊處理，然后進行布爾運算，在原始骨骼三維模型的范圍內減去整體單元，得到具有骨體空隙的骨骼三維模型，該模型從里到外呈現出完全相通的骨體空隙。
[0040]S4:對生成的具有骨體空隙的骨骼三維模型進行優化處理；
[0041]對具有骨體空隙的骨骼三維模型，進行虛擬仿真分析及優化，具體的說，
[0042]根據生物力學知識，利用可實現靜力學虛擬仿真分析的軟件(如ABAQUS軟件)進行靜力學分析，以保證人工骨假體結構在靜態條件下的可靠性；然后，利用可實現動力學仿真分析的軟件(如ADAMS軟件)，建立與人工骨假體相配合的其他骨骼模型，并基于人體生物力學和康復工程中的相關知識進行運動學仿真以確保人工骨假體在運動條件下的可靠性和穩定性；最后，利用MATLAB軟件進行動力學仿真，進一步確