CN116999218B - 一种膝关节假体及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种膝关节假体，包括胫骨平台，垫片，股骨髁，所述垫片和股骨髁通过多孔结构连接，将垫片和胫骨平台设置成一体可以有效地降低垫片脱落的概率，多孔结构在热胀冷缩的作用下将熔融状的聚乙烯挤压到多孔结构中，多孔结构的孔隙率线性变化，以消除相邻多孔结构支杆直径的变化引起的阶梯效应，从而减少假体应力集中的问题，与人体真实骨小梁的力学性能更接近；减少应力遮挡现象，提高植入后患者的舒适度。本发明还提供了一种膝关节假体的制备方法，使用选择性激光熔化SLM或电子束熔化EBM增材制造技术制造孔隙率不同的多孔结构。

Description

一种膝关节假体及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种膝关节假体及其制备方法，特别是一种通过多孔结构将胫骨平台和垫片设置在一起的改进型膝关节假体。

背景技术

传统的膝关节假体通常由单一材料制成，如用钛合金或者钴铬钼合金制造的胫骨平台和股骨髁假体，为了二者的摩擦，在二者之间设置有垫片，该垫片由陶瓷或者高分子聚乙烯构成，将垫片和胫骨平台通过某种机械结构连接在一起，但是在实际应用过程中，垫片与胫骨平台之间极易产生滑动，导致垫片脱离胫骨平台，进而加大股骨髁和垫片的磨损，长时间以后，垫片会脱落，导致整个膝关节假体瘫痪，患者不得不进行膝关节置换翻修手术。这种胫骨平台和垫片的分离式设计存在耐磨性、生物相容性和个性化定制等方面的限制。

一些膝关节假体通过设置多孔结构的方式将垫片和胫骨平台结合在一起，但是其多孔结构的孔隙率是均匀分布的，这种结构会增加假体应力的集中，且熔融状态的聚乙烯很难均匀地分布在多孔结构中，从而导致多孔结构尤其是底部存在真空，降低了膝关节假体的稳定性，使得垫片更容易脱落。因此，有必要提供一种具有改进性能和可定制特性的膝关节假体，以提高膝关节假体的稳定性。

发明内容

一种膝关节假体，包括：胫骨平台10，所述胫骨平台由下方的三角形椎体102和胫骨托101构成，胫骨托设置成多孔结构103，所述多孔结构的独立单元40呈灯笼状，由弯曲的丝状合金401组成，多孔结构的孔隙率自下而上逐渐增大；垫片20，所述垫片由聚乙烯构成，垫片和胫骨平台通过胫骨托的多孔结构连接，垫片靠近股骨髁的一端设置有与股骨髁相贴合的表面201；股骨髁30；通过将聚乙烯和合金结合的方式，减少垫片脱落的风险，增加膝关节假体的稳定性，同时，密度不同的多孔结构有助于均匀股骨髁、垫片和胫骨平台接触面的应力，防止聚乙烯垫片断裂。

进一步地，弯曲的丝状合金401具有弯曲半径范围，所述弯曲的丝状合金具有不同的半径，用于调整多孔结构的孔隙率，以满足个体患者的需求。

进一步地，多孔结构103的孔隙率逐渐增大的速率是线性的，以使得熔融状态的聚乙烯能够充分地填满多孔结构。

进一步地，所述合金材料可以由钛合金或钴铬钼合金构成。

进一步地，多孔结构的丝状合金401是交错排列的，有助于增加假体的稳定性和承载能力。

进一步地，膝关节假体的多孔结构103具有预定的形状和分布，以提供最佳的负载分布和稳定性。

这种一体式设计的膝关节假体有效地杜绝了垫片脱离的问题，在使用的过程中，股骨髁和胫骨平台直接接触，可以有效的减少二者之间的摩擦。与孔隙率相同的结构相比，本发明密度梯度变化的多孔结构可以消除相邻多孔结构直径的变化引起的阶梯效应，从而减少植入物应力集中等问题，与人体真实的力学性能更接近；减少应力遮挡现象，提高植入后患者的舒适度。

一种膝关节假体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：使用计算机辅助设计CAD软件创建膝关节假体的详细模型，包括胫骨平台、垫片、股骨髁；使用选择性激光熔化SLM或电子束熔化EBM增材制造技术打印出多孔结构；将熔融状态的聚乙烯灌入多孔结构103，此时，多孔结构受热膨胀，随着温度的降低，多孔结构的丝状合金（401）收缩，将聚乙烯压实到胫骨托的底部，使得聚乙烯和多孔结构充分融合在一起；最后，对假体表面进行喷砂、抛光或酸洗，以确保表面光滑和适合植入。

附图说明

附图中的图示及其说明对于本发明的理解具有帮助，

图1是胫骨平台的正视图；

图2是胫骨平台的仰视图；

图3是胫骨平台的剖视图；

图4是垫片的正视图；

图5是垫片的俯视图；

图6是股骨髁的主视图；

图7是独立单元的正视图；

图8是具体实施例一的多孔结构排列方式的正视图；

图9是具体实施例一的多孔结构排列方式的俯视图；

图10是具体实施例二的多孔结构排列方式的正视图；

图11是具体实施例二的多孔结构排列方式的俯视图；

图12是膝关节假体的装配图；

其中，包括以下附图标记：10、胫骨平台；101、胫骨托；102、三角形椎体；103、多孔结构；20、垫片；201、与股骨髁相贴合的表面；30、股骨髁；40、独立单元；401、弯曲的丝状合金；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

如图1-9和图12所示：一种膝关节假体，包括胫骨平台，所述胫骨平台由下方的三角形椎体和胫骨托构成，胫骨托设置成多孔结构，所述多孔结构的独立单元呈灯笼状，由弯曲的丝状合金组成，多孔结构的孔隙率自下而上逐渐增大；垫片，所述垫片由聚乙烯构成，垫片和胫骨平台通过胫骨托的多孔结构连接，垫片靠近股骨髁的一端设置有与股骨髁相贴合的表面；股骨髁；通过将聚乙烯和合金结合的方式，减少垫片脱落的风险，增加膝关节假体的稳定性，同时，密度不同的多孔结构有助于均匀股骨髁、垫片和胫骨平台接触面的应力，防止聚乙烯垫片断裂。所述多孔结构的排列方式如图8-9所示，将独立单元的丝状合金设置成不同的数量来实现多孔结构密度的变化，多孔结构自下而上丝状合金数量呈现线性的减少，通过这种改变独立单元大小的方式实现密度的梯度变化，由于钛合金热膨胀系数为9.41～10.03)×10-6/℃，钴铬钼合金的热膨胀系数为14.0~14.5╳10-6℃-1，聚乙烯的热膨胀系数为1.5×10^-4/℃，可见在温度变化时，聚乙烯的热胀冷缩现象明显低于合金的热胀冷缩现象，当熔融状态的聚乙烯灌入到多孔结构中，每个独立单元的丝状合金会受热膨胀，在聚乙烯冷却的过程中，丝状合金的冷却收缩，由于热膨胀系数的不同，聚乙烯的收缩不及合金的收缩，所以熔融状态的聚乙烯将逐渐被挤压到胫骨托的底部，使得聚乙烯分子之间的距离降低，这种结构相比于均匀的多孔结构而言具有更好的固定作用，因为，垫片和胫骨平台之间的应力被分散到不同的独立单元中，减少应力集中，增加了膝关节假体的稳定性。

如图10-11所示：所述多孔结构的排列方式也可以不同大小的独立单元构成，其中，由于热膨胀系数的不同，聚乙烯的收缩不及合金的收缩，多孔结构自下而上的设置成大小按照均匀速率增加，其丝状合金的数量不变，通过这种改变独立单元大小的方式实现密度的梯度变化，当熔融状态的聚乙烯灌入到多孔结构中，每个独立单元的丝状合金会受热膨胀，在聚乙烯冷却的过程中，丝状合金的冷却收缩，所以熔融状态的聚乙烯将逐渐被挤压到胫骨托的底部，使得聚乙烯分子之间的距离降低，由于上层密度较大，下层密度较小，这种结构相比于均匀的多孔结构而言具有更好的固定作用，因为，垫片和胫骨平台之间的应力被分散到不同的独立单元中，减少应力集中，增加了膝关节假体的稳定性。

本发明所述的多孔结构也可以应用在上述股骨髁上，例如：将股骨髁靠近人造关节面的部位设置成多孔结构，同时，将熔融状态的聚乙烯灌入到股骨髁中，将胫骨平台和垫片一体化设置成合金结构，实现本发明所提到的功能。

Claims (3)

1.一种膝关节假体，其特征在于，包括：

胫骨平台（10），垫片（20），股骨髁（30），所述胫骨平台（10）包括胫骨托（101），所述胫骨平台（10）与所述垫片（20）通过所述胫骨托（101）连接，所述股骨髁（30）与所述垫片（20）之间抵接；

所述胫骨平台（10）还包括三角形椎体（102），所述胫骨托（101）位于所述胫骨平台（10）的上方，所述三角形椎体（102）位于所述胫骨平台（10）的下方；

所述胫骨托（101）为多孔结构（103），所述多孔结构（103）设置有多个独立单元（40），所述独立单元（40）成灯笼状，呈纵向排列，由弯曲的丝状合金（401）组成；

所述多孔结构（103）是通过保持独立单元（40）大小不变自下而上的减少独立单元（40）的数量，或是独立单元（40）数量不变，自下而上的增加独立单元（40）的大小，用来调整多孔结构的密度梯度变化；将熔融状态下的垫片（20）与所述多孔结构（103）融合，其中，所述垫片（20）为聚乙烯材质。

2.根据权利要求1所述的膝关节假体，其特征在于：多孔结构（103）的孔隙率逐渐增大的速率是线性的，以使得熔融状态的聚乙烯能够充分地填满多孔结构。

3.根据权利要求1所述的膝关节假体，其特征在于：所述合金材料可以由钛合金或钴铬钼合金构成。