一种合金陶瓷复合材料的膝关节假体

技术领域

本发明涉及一种合金陶瓷复合材料的膝关节假体，特别是一种用于膝关节置换手术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。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

为了解决现有膝关节假体植入的局限性，本发明提供了一种合金陶瓷复合材料的膝关节假体。该膝关节假体通过取消分离式垫片的设计，将垫片和胫骨平台融合以提升膝关节假体的稳定性，避免膝关节假体的二次置换。

为了实现上述目的，本发明提供一种合金陶瓷复合材料的膝关节假体，其特征在于，包括：胫骨平台、股骨髁，所述胫骨平台和股骨髁均由合金陶瓷复合材料制成，所述胫骨平台的底部由具有高强度和耐磨性合金制成，胫骨平台的顶部由合金和陶瓷材料混合并通过3D打印制成，该胫骨平台的顶部自下而上合金的含量从100%-0%逐渐均匀减少，陶瓷的含量由0%-100%逐渐均匀增加，使得胫骨平台与股骨髁接触的表面材料为100%陶瓷，如附图4所示：线条的密度代表钛合金粉末的浓度，靠近底部的一端钛合金的浓度较高，靠近顶部的一端陶瓷的浓度较高，所述股骨髁垂直于人工关节面的方向由内而外合金的浓度从100%-0%逐渐均匀减少，陶瓷的浓度由0%-100%逐渐均匀增加，使得与胫骨平台接触的表面材料为100%陶瓷，如图6的201所示，点的密度表示合金粉末的含量，股骨髁靠近胫骨平台的一端陶瓷粉末的比例高，另一端合金的比例高，在保证减少磨损的同时，由于设置成一体型结构增加了膝关节假体的稳定性，降低膝关节假体置换的风险。

进一步地，所述合金可以是Ti-6Al-4v钛合金或者CoCrMo钴铬钼合金。

进一步地，所述陶瓷材料包括氧化锆陶瓷或氧化铝陶瓷，以提供卓越的耐磨性和生物相容性。

进一步地，所述合金陶瓷复合材料的制备过程包括粉末冶金技术和3D打印技术的结合，以实现精确的材料分布和结构。

进一步地，所述假体的外形和尺寸可以根据患者的个体需要进行定制制造，以提供更好的匹配和功能恢复。

进一步地，所述胫骨平台和股骨髁与人体骨骼接触的表面具有微纳米级的表面纹理，以促进骨细胞生长和骨结合。微纳米级的表面纹理是指在微观和纳米级别上的细小凹凸、纹路或结构，在材料表面上。这些纹理可以通过多种方式制备，包括酸洗、喷砂、化学蚀刻、电化学腐蚀等方法。微纳米级的表面纹理包括极小的微观结构，如纳米级的颗粒、小孔或坑洞，以及微观层次上的微小纹路。这些结构可以增加表面积，提供更多的接触点，有助于骨细胞附着并促进生长，同时也提高了假体与周围骨骼的机械锚定力。

这种一体式设计的膝关节假体有效的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，并且由于二者接触的表面都设置有陶瓷结构，可以有效的减少二者之间的摩擦。

一种合金陶瓷复合材料膝关节假体的制备方法，包括上述内容中任意一项所述的膝关节假体，具有以下步骤：

使用计算机辅助设计（CAD）软件创建膝关节假体的详细模型，包括合金和陶瓷的部分；

选择Ti-6Al-4v或者CoCrMo作为钛合金粉末打印材料，选择氧化锆或氧化铝作为陶瓷粉末打印材料；

将Ti-6Al-4v或者CoCrMo合金粉末和氧化锆或氧化铝陶瓷粉末按照预定比例混合，以获得所需的复合材料；

使用选择性激光熔化（SLM）或电子束熔化（EBM）3D打印技术，将混合材料逐层堆积成膝关节假体的形状，3D打印过程可以根据CAD设计模型逐层堆积粉末并熔化，形成实体结构；

完成3D打印后，利用粉末冶金技术对假体进行烧结和热处理，以消除残余应力并提高材料的力学性能；

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。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益效果：

第一，通过将胫骨平台和垫片的一体式设计可以有效地提高膝关节假体的稳定性，防止垫片脱落导致患者需要进行二次植入，提高假体的使用寿命。

第二，借助医工交互平台和3D打印技术可以实现个性化定制，弥补人体结构的个体化差异，更好的适应患者的身体，减少不适感。

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是一种钛合金陶瓷复合材料的膝关节假体的装配图；

图2是胫骨平台的正视图；

图3是胫骨平台的仰视图；

图4是胫骨平台的剖视图；

图5是股骨髁的正视图；

图6是股骨髁的剖面图；

其中，上述附图包括以下附图标记：10、胫骨平台；101、胫骨平台的顶部；102、胫骨平台的卡爪；103、胫骨平台复合材料部位；20、股骨髁；201、股骨髁复合材料部位。

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、完整的描述，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作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，示例性实施例的其它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。

具体实施例1：如图1-6所示：该复合材料假体包括：胫骨平台10、股骨髁20，所述胫骨平台和股骨髁均由钛合金陶瓷复合材料制成，所述胫骨平台的底部由具有高强度和耐磨性的钛合金制成，胫骨平台的顶部101由钛合金和陶瓷材料混合并通过3D打印制成，该胫骨平台的顶部自下而上钛合金的含量从100%-0%逐渐均匀减少，陶瓷的含量由0%-100%逐渐均匀增加，使得胫骨平台与股骨髁接触的表面材料为100%陶瓷，胫骨平台的底部102设置有三角形椎体结构，方便植入人体，胫骨平台的顶部设置有与股骨髁凸起贴合的凹状表面，所述股骨髁沿着垂直于人工关节面由内而外钛合金的浓度从100%-0%逐渐均匀减少，陶瓷的浓度由0%-100%逐渐均匀增加，使得与胫骨平台接触的表面材料为100%陶瓷，在保证减少磨损的同时，由于设置成一体型结构增加了膝关节假体的稳定性，降低膝关节假体置换的风险。在生产制造的过程中，取消了膝关节的胫骨平台和股骨髁之间的垫片，将胫骨平台与股骨髁接触的表面设置成陶瓷结构，有效地解决了垫片脱落的问题，股骨髁和胫骨平台直接接触的面由陶瓷构成，为了保证接触面陶瓷的稳定性，防止脱落，将陶瓷和钛合金按照一定比例的浓度混合，然后通过3D打印技术形成一种复合材料，有效地加强了整个膝关节的稳定性。

具体实施例2：该复合材料假体包括：胫骨平台10、股骨髁20，所述胫骨平台和股骨髁均由钴铬钼合金陶瓷复合材料制成，所述胫骨平台的底部由具有高强度和耐磨性的钴铬钼合金制成，胫骨平台的顶部101由钴铬钼合金和陶瓷材料混合并通过3D打印制成，该胫骨平台的顶部自下而上钴铬钼合金的含量从100%-0%逐渐均匀减少，陶瓷的含量由0%-100%逐渐均匀增加，使得胫骨平台与股骨髁接触的表面材料为100%陶瓷，胫骨平台的底部102设置有三角形椎体结构，方便植入人体，胫骨平台的顶部设置有与股骨髁凸起贴合的凹状表面，所述股骨髁沿着垂直于人工关节面由内而外钴铬钼合金的浓度从100%-0%逐渐均匀减少，陶瓷的浓度由0%-100%逐渐均匀增加，使得与胫骨平台接触的表面材料为100%陶瓷。

具体实施例3：为了节约成本，所述股骨髁和胫骨平台的复合材料可以是择一的，例如，可以将胫骨平台设置成钛合金和陶瓷的复合材料，而股骨髁设置成钛合金材料，或者，将股骨髁设置成钛合金和陶瓷的复合材料，胫骨平台设置成钛合金材料。该实施方式将会降低工艺难度，减少成本。

结合上述任意实施例，其中陶瓷粉末材料可以使用氧化锆陶瓷或氧化铝陶瓷，以提供卓越的耐磨性，整个膝关节假体的大小可以借助医工交互平台和3D打印技术进行个性化定制，解决了不同人体膝关节的尺寸不同的问题。