用于植入物部件的添加制造的装置和方法

文档序号:1293893阅读:231来源:国知局
用于植入物部件的添加制造的装置和方法
【专利摘要】公开用于植入物部件的添加制造的改进装置和方法,包括与采用支承结构、在制造设备内对准植入物设计以及制造适应患者的植入物相关的改进。
【专利说明】用于植入物部件的添加制造的装置和方法
[0001] 相关申请
[0002] 本申请要求 2012 年 4 月 13 日提交的题为 "Devices and Methods for Additive Manufacturing of Implant Components" 的美国临时申请序列 No. 61/623, 776 的权利,该 申请的公开内容通过引用整体合并于此。

【技术领域】
[0003] 这里描述的实施方式涉及用于使用添加金属技术制造植入物、植入物部件和/或 相关工具的装置和方法,添加金属技术包括SLM(选择性激光熔化)技术。更具体地,这里 描述的多种实施方式包括用于改进形成适应患者的膝关节植入物的一部分的股骨植入物 部件的SLM制造的方法。

【背景技术】
[0004] 历史上,病变、伤害或缺陷关节(例如具有骨关节炎的关节)使用标准的成品植入 物和其他外科装置来修复。对于植入物设计采用一种尺寸匹配所有(以及甚至采用"几种 尺寸匹配所有"的方法的那些,包括模块化组装系统)的方法的外科植入物系统通常不需要 有关患者解剖结构的高精度信息。相反,这些系统采用例如植入物部位处的最大骨尺寸的 总解剖测量值以及患者重量和年龄来确定"适当"的植入物。外科手术接着集中于改变下 面的骨解剖支承结构(例如通过切割、钻孔和/或通过其他方式调整骨结构)来适应预先 制造的植入物的现有接触表面。通过这些系统,可以制造和储存变化质量的植入物和/或 植入物部件。一旦识别潜在患者,可以选择适当植入物和/或部件,运输到外科地点并用于 患者的外科手术。
[0005] 近年来,关节置换领域开始包含"适应患者"(即"患者特异性"和/或"患者工程 化")植入物系统的理念。通过这些系统,外科植入物、相关外科工具和手术被设计成或通过 其他方式调整以解决和适应进行外科手术的患者的独立解剖结构。这些系统通常采用术前 单独获取的非侵入成像数据,来指导植入物、外科工具以及外科手术本身的计划的设计和/ 或选择。这些较新系统的多个目的包括(1)减小被移除以适应植入物的骨解剖结构的量, (2)设计/选择复制和/或改进天然关节功能的植入物,(3)增加植入物的耐用性和功能寿 命,(4)简化医生的外科手术,(5)减少患者恢复时间和/或不适,以及(6)改进患者结果。
[0006] 由于"患者特异性"和"患者工程化"植入物系统使用来自特定患者的解剖结构信 息来生成,这些系统通常在患者已被指定为"外科手术人选"并进行非侵入成像之后生成。 但是,因为这些系统通常不是以多种尺寸预先制造和储存(如同传统系统),在患者诊断和 实际外科手术之间存在显著延迟,大部分由于使用患者成像数据来设计和制造"患者特异 性"和/或"患者工程化"植入物部件所需的时间量。
[0007] 患者诊断/成像和实际外科手术之间的任何延迟的大部分会通常归因于根据特 定患者解剖结构制造每个"患者特异性"和/或"患者工程化"植入物系统所需的时间。通 常,使用第三方供应商,这些植入物被单独或小批量制造,与传统非定制植入物所使用的大 批量制造相比,这可大大增加生成这些植入物部件的成本。
[0008] 另外,因为"患者特异性"和/或"患者工程化"植入物系统以有限的量制造,制造 过程中的任何时刻识别的裂纹、失效或充分差异会具有很大影响,包括在需要时植入物部 件不可用,和/或需要重新制造植入物部件,和/或加急定制植入物(且更加昂贵)以满足 最终期限。
[0009] 因此,本领域需要一种先进的方法、技术、装置和系统来以成本有效和高效的方式 确保"患者特异性"和/或"患者工程化"植入物部件对于计划外科手术的可用性。


【发明内容】

[0010] 这里描述的实施方式包括添加制造技术在患者特异性和/或患者工程化植入物 部件的设计、选择、开发、制造和/或成品化的使用中或与其相关的发展和改进,添加制造 技术包括选择性激光熔化(SLM)制造技术。这里描述的多种实施方式以更成本有效和/或 高效的方式促进"患者特异性"或"患者工程化"植入物的制造。
[0011] 这里描述的多种实施方式包括用于改进使用SLM或类似材料添加制造技术制造 的植入物部件的强度、质量、性能和/或耐用性的方法。
[0012] 这里描述的多种实施方式包括改进和/或简化使用SLM或类似材料添加制造技术 制造的植入物部件的后制造处理和/或"成品化"的方法。
[0013] 这里描述的多种实施方式包括评价和/或优化SLM制造方法和/或调整植入物设 计特征以适应与SLM制造技术和过程相关的不同限制的方法。
[0014] 理解到这里描述的多种实施方式的特征不相互排斥,并且可以多种组合和交换的 形式存在。

【专利附图】

【附图说明】
[0015] 通过结合附图,参照以下说明书,多种实施方式的目的、方面、特征和优点将变得 更清楚,并且可以更好理解,附图中:
[0016] 图1描述SLM设备的示意图;
[0017] 图2A是股骨植入物的透视图;
[0018] 图2B是股骨植入物的透视图;
[0019] 图3是股骨植入物和支承结构的透视图;
[0020] 图4是制造有支承结构的股骨植入物的近观透视图;
[0021] 图5描述植入物柱之间延伸的支承结构的侧视图;
[0022] 图6A描述在植入物柱之间延伸的支承结构的侧视图;
[0023] 图6B是股骨植入物和支承结构的透视图;
[0024] 图7描述在植入物柱之间延伸的支承结构的侧视图;
[0025] 图8描述在植入物柱之间延伸的支承结构的侧视图;
[0026] 图9描述多种销钉/柱设计;
[0027] 图10描述植入物设计和制造定向的示例性实施方式的横截面图;
[0028] 图11描述植入物设计和制造定向的示例性实施方式的横截面图;
[0029] 图12描述植入物设计和制造定向的示例性实施方式的横截面图;以及
[0030] 图13描述植入物设计和制造定向的示例性实施方式的横截面图。
[0031] 附加的【专利附图】
附图
【附图说明】被包括在下面的文字中。除非另外在每幅附图的说明中表明,一 些附图中的"M"和"L"分别指示视图的内侧和外侧;一些附图中的"A"和"P"分别指示视 图的前侧和后侧;并且一些附图中的"S"和" I "分别指示视图的上侧和下侧。

【具体实施方式】
[0032] 患者特异性植入物和相关外科手术的广泛采用面临许多显著挑战,其中许多挑战 与制造植入物所需的时间量以及与生成用于每个单独外科患者的独特植入物相关的显著 成本相关。不同于标准和/或模块化植入物,其大批量制造并储存以便需要时使用,患者特 异性植入物通常在患者已经被识别为外科手术人选之后生成,并且使用从所需患者解剖结 构获得的成像数据,设计和/或选择植入物。设计、制造和成品化植入物的过程会涉及许多 步骤,通常涉及许多供应商,并且此过程必须在医生出现之前造成可接受的植入物。在一些 情况下,由患者成像数据生成患者特异性植入物的传统方法会需要多于4-7周,这对于医 生和患者都是显著的延迟。
[0033] 患者特异性植入物被人们接受所面临的另外挑战涉及与生成用于每个单独患者 的独特植入物相关的显著成本。每个患者特异性植入物的独特特性不能根据包括大体积铸 造技术的大批量制造方法来使其生成。相反,单独植入物部件通常以个体为基础地设计和 熔模铸造,或者可以由大块原材料设计和加工,这会是费时和昂贵的过程。
[0034] 与患者特异性植入物的使用相关的另外问题涉及处理和制造设备的可用性以及 植入物部件将被处理并可用于外科手术的确定性。由于每个患者特异性植入物是独特的, 并且由于需要大量的时间和努力来生成每个植入物,通常的实践是制造用于单个患者的植 入物的多个复制件(例如主植入物和备用植入物),以确保至少一个植入物在外科使用之 前在制造、成品化和测试过程后存留。但是,由于备用植入物只在主植入物失效的情况下需 要,在主植入物没有损坏的情况下,不断生成备用植入物导致不使用的库存和不需要的成 本。另外,在主植入物被认为可以接受的情况下(出现在大部分情况中),生成备用患者特 异性植入物通常导致显著浪费,因为备用植入物对于任何其他患者和/或手术通常是无用 的,并通常被废弃。此外,存在主和备用植入物铸件都被损坏、裂纹和/或进行不当处理步 骤而使其都无用的情况,并且出于多种原因在希望的时间段内没有机会重新制造另一适当 植入物(或以合理的成本而没有显著的加急处理费用),这会包括缺少人员、设备和/或生 成替代品的原材料的不可用性。
[0035] 适用于制造植入物和工具的多种技术在本领域是已知的,例如下面文献中描述: Wohlers Report 2009, State of the Indus try Annual Worldwide Progress Report on Addi t ive Manufacturing,Wohlers Associates,2009 (ISBN 0-9754429-5-3),其可从网 站 www. wohlersassociates. com 得到,Pham and Dimovj Rapid manufacturing. Springer -Verlagj 2001 (ISBN 1-85233-360-X) :Grenda,Printing the Future,The 3D Print ing and Rapid Prototyping Source Book,Castle Island Co.,2009 !Virtual Prototyping & Bio Manufacturing in Medical Applicat ions,Bidanda and Bartolo (Eds.),Spr inger,December 17,2007 (ISBN:10:0387334297 ; 13 :978-0 387334295); Bio-Materials and Prototyping Applications in Medicine,Bartolo and Bidanda(Eds.),Springer,2007 年 12 月 10 日,(ISBN:10:0387476822; 13:978-0387476827) :Liou,Rapid Prototyping and Engineering Applications:A Toolbox for Prototype Development, CRC,September 26, 2007 (ISBN:10:0849334098 ; 13:978-0849334092) :Advanced Manufacturing Technology for Medical Applications: Reverse Engineering,Software Conversion and Rapid Prototypi ng, Gibson(Ed. ), Wiley, Jan. 2006(ISBN:10:0470016884 ; 13:978-0470016886);以及 Branner 等人,〃Coupled Field Simulat ion in Additive Layer Manufacturing, 〃3rd International Conference PMI,2008(10 页)。
[0036] 用于形成或改变患者解剖结构的患者特异性和/或患者工程化植入部件的示例 性技术
[0037]

【权利要求】
1. 一种用于患者的膝关节的适应患者的股骨植入物的添加制造的方法,股骨植入物具 有一个或多个关节表面、一个或多个面向骨表面、一个或多个周边边缘以及被构造成延伸 进入膝的至少一个踝的一个或多个销钉,该方法包括: 在制造设备中相对于基底对准用于植入物的设计; 提供一个或多个支承结构,以便支承植入物的一个或多个部分;以及 从植入物脱离所述一个或多个支承结构; 其中所述一个或多个支承结构不接触所述一个或多个关节表面; 其中所述一个或多个支承结构接触所述一个或多个销钉;以及 其中所述一个或多个支承结构定位和/或定向成避免接触植入物的相邻表面,而不是 待支承的植入物的所述一个或多个部分。
2. 根据权利要求1所述的方法,其中,所述一个或多个支承结构不接触所述一个或多 个面向骨表面。
3. 根据权利要求1所述的方法,其中,所述一个或多个支承结构接触所述一个或多个 销钉。
4. 根据权利要求1所述的方法,其中,所述一个或多个支承结构定位和/或定向成使其 与植入物的相邻表面而不是待支承的植入物的所述一个或多个部分隔开至少大约0. 25_。
5. 根据权利要求1所述的方法,其中,所述一个或多个支承结构被构造成支承待熔化 和/或固化的粉末。
6. 根据权利要求1所述的方法,其中,所述一个或多个支承结构被构造成在制造期间 将植入物锚固到基底以便基本上防止植入物的未受控运动。
7. 根据权利要求1所述的方法,其中,所述一个或多个支承结构被构造成在制造期间 将植入物锚固到基底以便在选自包括熔化、冷却、稳固及其组合的过程的组的过程期间至 少部分防止植入物的变形。
8. 根据权利要求1所述的方法,其中,对准还包括相对于基底定向用于植入物的设计, 使得植入物的强度在预定受到高应力和/或局部弱化的植入物的一个或多个部分处相对 于其他潜在定向增加。
9. 根据权利要求1所述的方法,还包括进行用于植入物的设计的有限元分析,并且其 中对准至少部分基于有限元分析。
10. 根据权利要求1所述的方法,其中,所述一个或多个支承结构的接触植入物的部分 具有小于所述一个或多个支承结构的另一部分的横截面面积的横截面面积。
11. 根据权利要求1所述的方法,其中,对准包括大致垂直于基底对准用于植入物的设 计的面向骨表面。
12. -种植入物的添加制造的方法,植入物具有一个或多个关节表面,该方法包括: 在制造设备中相对于基底对准用于植入物的设计; 提供接触待支承的植入物的一个或多个部分的一个或多个支承结构;以及 从植入物移除所述支承结构; 其中所述一个或多个支承结构不接触所述一个或多个关节表面。
13. 根据权利要求1所述的方法或权利要求12所述的方法,其中,添加制造包括选自 包括电子束熔化、选择性激光烧结、选择性激光熔化、立体光刻、直接金属激光烧结、三维印 刷、熔融沉积模制、激光固化和激光工程化净成形的制造技术的组的技术。
【文档编号】A61F2/30GK104363860SQ201380031091
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2013年4月13日 优先权日:2012年4月13日
【发明者】B·米勒, D·赫斯基思 申请人:康复米斯公司
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