PL220186B1

PL220186B1 - Method for preparing bone graft

Info

Publication number: PL220186B1
Application number: PL399485A
Authority: PL
Inventors: Edward Chlebus; Romuald Będziński; Jarosław Filipiak; Bogdan Dybała; Jarosław Kurzac
Original assignee: Politechnika Wroclawska
Priority date: 2012-06-06
Filing date: 2012-06-06
Publication date: 2015-09-30
Also published as: PL399485A1

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania implantu kostnego, stosowanego jako implant tkanek kostnych ciała ludzkiego wykonanego ze stopów metalicznych przeznaczonych do wszczepiania oraz materiałów polimerowych o własnościach bioresorpcji.The subject of the invention is a method of producing a bone implant used as an implant of bone tissues of the human body, made of metallic alloys intended for implantation and of polymeric materials with bioresorption properties.

Porowata proteza stawu biodrowego znana z międzynarodowego zgłoszenia patentowego nr WO 19 613 230, jest wykonana w kształcie wałka z obojętnego materiału porowatego, który w górnej części ma lity stożkowy trzpień dołączany do głowy kości udowej, przy czym wielkości porów wzdłuż wałka, rozszerzają się w kierunku z dystalnym bliższym kończyny. Przestrzenie porów są wypełnione preparatem, który stymuluje ponowny rozwój kości. Dodatkowo, porowatość wałka waha się od 1% i 70%, a wielkość porów wynosi od 5 μm i 200 μm. Powierzchnie boczne wałka są karbowane, a wymiary grzbietów są o 1,5 do 50 razy większe niż cząstki materiału, z którego wykonany jest wałek. Ponadto, zewnętrzna powierzchnia walka pokryta jest nieprzepuszczalną powłoką o ziarnistej strukturze, wykonaną z materiału biologicznie zgodnego z tkanką kostną, który łatwo usunąć z organizmu.The porous hip prosthesis, known from the international patent application WO 19 613 230, is made in the shape of a shaft of an inert porous material, which has a solid conical pin on the upper part attached to the femoral head, the pore sizes along the shaft widening towards with the distal proximal limb. The pore spaces are filled with a preparation that stimulates bone re-development. Additionally, the porosity of the roller ranges from 1% and 70%, and the pore size ranges from 5 Pm and 200 Pm. The side surfaces of the roller are crimped and the dimensions of the ridges are 1.5 to 50 times larger than the material particles of the roller. Moreover, the outer surface of the roller is covered with an impermeable coating with a granular structure, made of a material that is biologically compatible with bone tissue, which is easily removed from the body.

Sposób wytwarzania implantu kości znany z opisu patentowego USA nr US 5 336 465, polega na tym, że do formy zawierającej komorę o kształcie pożądanego implantu kości przez otwór wstrzykuje się zawiesinę zawierającą sypki materiał i spoiwo. Forma jest wykonana z porowatego materiału zdolnego absorbować płynne składniki zawiesiny. Po zamknięciu otworu, formę obraca się, w wyniku czego na zawiesinę działa siła odśrodkowa, a cząstki zawiesiny osiadają na ściankach komory utworzonej przez wewnętrzne ściany formy. Ponadto, podczas wirowania formy, płynne składniki zawiesiny wchłaniane są przez formę, a cząstki zawiesiny odwzorowują kształt komory, który jest implantem kości, z wydrążonym wnętrzem i całkowicie zamknięty. Następnie, tak uformowany implant kości usuwa się z formy, usuwa się pozostałości składników płynnych i lepiszcza oraz spieka. Usuwanie lepiszcza prowadzi się za pomocą rozpuszczalników lub poprzez podgrzewanie w atmosferze azotu lub argonu, w zakresie temperatur od 300°C do 700°C z prędkością wzrostu temperatury od 3°C do 100°C na minutę. Spiekanie prowadzi się w atmosferze nie utleniającej, w temperaturze od 1000°C do 1400°C.The method of producing a bone implant known from US Patent No. 5,336,465 consists in injecting a suspension containing loose material and a binder into the mold containing the chamber in the shape of the desired bone implant through the opening. The mold is made of a porous material capable of absorbing the liquid components of the suspension. After closing the opening, the mold rotates, as a result of which the slurry is subjected to centrifugal force and the slurry particles settle on the walls of the chamber formed by the inner walls of the mold. Moreover, during the spinning of the mold, the liquid components of the suspension are absorbed by the mold, and the suspension particles follow the shape of the chamber, which is a bone implant, with a hollow interior and completely closed. Then, the bone implant formed in this way is removed from the mold, the residues of liquid components and the adhesive are removed and sintered. Debinding is carried out with solvents or by heating under nitrogen or argon in the temperature range from 300 ° C to 700 ° C at a temperature increase rate of from 3 ° C to 100 ° C per minute. The sintering is carried out in a non-oxidizing atmosphere at a temperature of 1000 ° C to 1400 ° C.

Elastyczna endoproteza stawu biodrowego znana z opus patentowego USA nr US 4 743 263 ma trzpień rozgałęziony w celu zmniejszenia sztywności trzpienia i dopasowania jego kształtu do kanału implantacji oraz dopasowaniu sztywności endoprotezy do rzeczywistej sztywności kości.A flexible hip prosthesis known from US Pat. No. 4,743,263 has a branched stem in order to reduce the stem stiffness and adjust its shape to the implantation canal and adjust the endoprosthesis stiffness to the actual bone stiffness.

Z opisu patentowego DE nr 10 350 570 znany jest sposób rekonstruowania kości na podstawie obrazów otrzymanych za pomocą tomografu komputerowego, w którym z granulatu syntetycznego stapia się za pomocą lasera zadany kształt implantu.DE patent specification No. 10 350 570 discloses a method of bone reconstruction on the basis of images obtained by means of a computer tomograph, in which a given implant shape is fused from synthetic granules by means of a laser.

Publikacja „Structural and mechanical evaluations of a topology optimized titanium interbody fusion cage fabricated by selective laser melting process”, Journal of Biomedical Materials Research, Vol. 83A, Issue 2, six. 272-279 traktuje o strukturach ażurowych projektowanych z wykorzystaniem metody topologicznej optymalizacji. Artykuł ten dotyczy struktur nie zabudowanych ściennie, ale pełniących funkcję skafoldu.Publication "Structural and mechanical evaluations of a topology optimized titanium interbody fusion cage fabricated by selective laser melting process", Journal of Biomedical Materials Research, Vol. 83A, Issue 2, six. 272-279 deals with openwork structures designed with the use of the topological optimization method. This article deals with structures that are not built-up on walls, but function as a scaffold.

Istota sposobu według wynalazku polega na tym, że model komputerowy implantu kostnego dopasowany indywidualnie do przypadku i zastosowanego leczenia pacjenta, wykonuje się poprzez rekonstrukcję obrazów tomograficznych, następnie w oparciu o ten model projektuje się implant kostny dopasowany anatomicznie do tkanki kostnej pacjenta, który jest strukturą ażurową, po czyni zaprojektowany model odtwarza się techniką przyrostowej selektywnej laserowej mikrometalurgii, przy czym energią promieniowania laserowego na platformie, stapia się proszkowy materiał i odwzorowuje kolejne warstwy struktury ażurowej implantu kostnego, w wyniku czego otrzymuje się rzeczywisty implant kostny, przy czym kolejne warstwy struktury ażurowej implantu kostnego odwzorowuje się z wyprowadzaniem anizotropii właściwości mechanicznych implantu kostnego oraz z dopasowaniem masy i geometrii implantu kostnego do kości pacjenta, zaś strukturę ażurową projektuje się w oparciu o komórkę elementarną, która jest utworzona z co najmniej jednej bryły geometrycznej, wypełniającą przestrzeń w sposób kontrolowany, którą powiela się, aż do wypełnienia implantu kostnego zgodnie z jego modelem komputerowym.The essence of the method according to the invention consists in the fact that a computer model of a bone implant tailored individually to the patient's case and treatment is made by reconstructing tomographic images, then based on this model, a bone implant is designed that is anatomically matched to the patient's bone tissue, which is an openwork structure After that, the designed model is recreated using the technique of incremental selective laser micrometallurgy, whereby the energy of the laser radiation on the platform melts the powder material and reproduces the subsequent layers of the openwork structure of the bone implant, as a result of which the actual bone implant is obtained, with the subsequent layers of the openwork structure of the implant bone implant is mapped with the derivation of the anisotropy of the mechanical properties of the bone implant and with the adjustment of the mass and geometry of the bone implant to the patient's bone, while the openwork structure is designed based on a unit cell which is made of at least one geometric body, filling the space in a controlled manner, which is replicated until the bone implant is filled according to its computer model.

Korzystnie, proszkowy materiał stapia się na grubość warstwy od 20 do 100 μm, energią promieniowania laserowego o mocy od 50W i powyżej i średnicy skupienia od 50 do 200 μm, przy naświetlaniu punktu skanu warstwy przez od 100 do 3000 μs, ponadto odległość pomiędzy punktami skanowania lasera wynosi od 10 do 160 μm, a odległość pomiędzy liniami skanu warstwy wynosi od 50 do 100 μm.Preferably, the powder material is melted to a layer thickness of 20 to 100 μm, laser radiation energy with a power of 50W and above and a focus diameter of 50 to 200 μm, with the irradiation of the layer scan point for 100 to 3000 μs, moreover, the distance between the scanning points laser is from 10 to 160 μm, and the distance between the scan lines of the layer is from 50 to 100 μm.

PL 220 186 B1PL 220 186 B1

Korzystnie, podczas stapiania proszkowego materiału strukturę ażurową obudowuje się ścianką o grubości od 0,5 do 8 mm, przy czym w ściance zostawia się otwór technologiczny, który zamyka się po usunięciu z wnętrza implantu kostnego nie przetopionego proszkowego materiału.Preferably, during fusion of the powder material, the openwork structure is enclosed with a wall with a thickness of 0.5 to 8 mm, and a technological hole is left in the wall, which closes after removing the un-melted powder material from the inside of the bone implant.

Korzystnie, implant kostny wykonuje się z proszku stopu tytanu Ti6A17Nb.Preferably, the bone implant is made of Ti6A17Nb titanium alloy powder.

Korzystnie, komórka elementarna, jest sześcianem lub ośmiościanem foremnym.Preferably, the unit cell is a cube or an octahedron.

Zaletą sposobu wytwarzania implantu kostnego, według wynalazku, jest zaprojektowanie implantu dopasowanego anatomicznie do tkanki pacjenta, kształtu ubytku powstałego z przyczyn zdrowotnych lub nieszczęśliwego wypadku, na podstawie rekonstrukcji obrazów tomograficznych. Powstały w ten sposób implant jest dopasowany indywidualnie do przypadku i zastosowanego leczenia. Możliwe jest również zaplanowanie operacji podczas, której koniecznym jest usunięcie części tkanki, w takim wypadku implant jest projektowany i wykonany tak, aby możliwe było wszczepienie go podczas tej samej operacji co zabieg resekcji. Sposób pozwala na wykorzystanie materiałów dobrze poznanych i szeroko stosowanych w implantologii bez potrzeby opracowywania nowych.The advantage of the method of manufacturing a bone implant according to the invention is the design of the implant which is anatomically fitted to the patient's tissue, the shape of a defect resulting from health reasons or an accident, based on the reconstruction of tomographic images. The resulting implant is individually tailored to the case and the treatment used. It is also possible to plan an operation during which it is necessary to remove a part of the tissue, in which case the implant is designed and made so that it can be inserted during the same operation as the resection procedure. The method allows the use of well-known materials and widely used in implantology without the need to develop new ones.

Przedmiot wynalazku objaśniony jest bliżej w przykładzie wykonania.The subject of the invention is explained in more detail in an embodiment.

P r z y k ł a d 1P r z k ł a d 1

Sposób wytwarzania implantu kostnego polega na tym, że tworzy się model komputerowy implantu kostnego dopasowany indywidualnie do przypadku i zastosowanego leczenia pacjenta, który wykonuje się poprzez rekonstrukcję obrazów tomograficznych, następnie w oparciu o ten model projektuje się implant kostny dopasowany anatomicznie do tkanki kostnej pacjenta, który jest strukturą ażurową, po czym zaprojektowany model odtwarza się techniką przyrostowej selektywnej laserowej mikrometalurgii, przy czym energią promieniowania laserowego na platformie, stapia się proszkowy materiał i odwzorowuje kolejne warstwy struktury ażurowej implantu kostnego, w wyniku czego otrzymuje się rzeczywisty implant kostny. Proszkowy materiał stapia się na grubość warstwy 20 μm, energią promieniowania laserowego o mocy 50 W i średnicy skupienia 50 μm, przy naświetlaniu punktu skanu warstwy przez 3000 μs, ponadto odległość pomiędzy punktami skanowania lesera wynosi 10 μm, a odległość pomiędzy liniami skanu warstwy wynosi 50 μm. Podczas stapiania proszkowego materiału strukturę ażurową obudowuje się ścianką o grubości 0,5 mm, przy czym w ściance zostawia się otwór technologiczny, który zamyka się po usunięciu z wnętrza implantu kostnego nie przetopionego proszkowego materiału. Zamknięcie otworu technologicznego po procesie wytwórczym chroni wnętrze implantu przed dostępem czynników zewnętrznych. Kolejne warstwy struktury ażurowej implantu kostnego odwzorowuje się z wprowadzaniem anizotropii właściwości mechanicznych implantu kostnego. Strukturę ażurową projektuje się w oparciu o komórkę elementarną w postaci sześcianu, którą powiela się aż do wypełnienia implantu kostnego zgodnie z jego modelem komputerowym.The method of producing a bone implant consists in creating a computer model of a bone implant tailored individually to the patient's case and treatment, which is performed by reconstructing tomographic images, then, based on this model, a bone implant is designed anatomically matched to the patient's bone tissue, which is an openwork structure, then the designed model is recreated using the technique of incremental selective laser micrometallurgy, whereby the energy of the laser radiation on the platform melts the powder material and maps successive layers of the openwork structure of the bone implant, resulting in the actual bone implant. The powder material is melted to a layer thickness of 20 μm, laser radiation energy with a power of 50 W and a focus diameter of 50 μm, with a layer scan point irradiation of 3000 μs, in addition, the distance between the laser scanning points is 10 μm, and the distance between the layer scan lines is 50 μm. During fusing of the powder material, the openwork structure is encased with a wall with a thickness of 0.5 mm, while a technological hole is left in the wall, which closes after removing the un-melted powder material from the inside of the bone implant. Closing the technological opening after the manufacturing process protects the inside of the implant against external factors. The subsequent layers of the openwork structure of the bone implant are mapped with the introduction of anisotropy of the mechanical properties of the bone implant. The openwork structure is designed on the basis of a unit cell in the form of a cube, which is replicated until the bone implant is filled according to its computer model.

P r z y k ł a d 2P r z k ł a d 2

Sposób wytwarzania implantu kostnego przebiega jak w przykładzie pierwszym, z tą różnicą, że proszkowy materiał stapia się na grubość warstwy 100 μm, energią promieniowania laserowego o mocy od 70 W i średnicy skupienia 200 μm, przy naświetlaniu punktu skanu warstwy przez 3000 μs, ponadto odległość pomiędzy punktami skanowania lesera wynosi 160 μm, a odległość pomiędzy liniami skanu warstwy wynosi 100 μm. Podczas stapiania proszkowego materiału strukturę ażurową obudowuje się ścianką o grubości 8 mm, przy czym w ściance zostawia się otwór technologiczny, który zamyka się po usunięciu z wnętrza implantu kostnego nie przetopionego proszkowego materiału. Kolejne warstwy struktury ażurowej implantu kostnego odwzorowuje się z dopasowaniem masy i geometrii implantu kostnego do kości. Strukturę ażurową projektuje się w oparciu o komórkę elementarną w postaci ośmiościanu foremnego. Implant kostny wykonuje się z proszku stopu tytanu Ti6A17Nb.The method of producing a bone implant is as in the first example, with the difference that the powder material is melted to a layer thickness of 100 μm, laser radiation energy with a power of 70 W and a focus diameter of 200 μm, while irradiating the layer scan point for 3000 μs, moreover the distance between the leser scan points is 160 μm, and the distance between the layer scan lines is 100 μm. During fusion of the powder material, the openwork structure is encased with a wall with a thickness of 8 mm, while a technological hole is left in the wall, which closes after removing the unmelted powder material from the inside of the bone implant. Successive layers of the openwork structure of the bone implant are mapped to match the mass and geometry of the bone implant to the bone. The openwork structure is designed based on a unit cell in the form of a regular octahedron. The bone implant is made of Ti6A17Nb titanium alloy powder.

Implant kostny według wynalazku może mieć wypełnienie ażurowe wykonane z komórki elementarnej w postaci bryły geometrycznej jednej lub kilku, pod warunkiem, że można tymi bryłami wypełnić w sposób kontrolowany wewnętrzną przestrzeń implantu.The bone implant according to the invention may have an openwork filling made of a unit cell in the form of one or more geometric solids, provided that these solids can fill the internal space of the implant in a controlled manner.

Claims

Patent claims

1. A method of producing a bone implant, in which a computer model of a bone implant tailored individually to the patient's case and treatment is performed by reconstructing tomographic images, then based on this model, a bone implant is designed anatomically matched to the patient's bone tissue, which is an openwork structure and then invite you to

The designed model is recreated using the technique of incremental selective laser micrometallurgy, whereby the energy of the laser radiation on the platform melts the powder material and maps the successive layers of the openwork structure of the bone implant, as a result of which the actual bone implant is obtained, characterized in that subsequent layers the openwork structure of the bone implant is mapped with the introduction of anisotropy of the mechanical properties of the bone implant and with the adjustment of the mass and geometry of the bone implant to the patient's bone, while the openwork structure is designed based on a unit cell, which is made of at least one geometric solid, filling the space in a manner controlled, which is replicated until the bone implant is filled according to its computer model.

2. The method according to p. 1. The method of claim 1, characterized in that the powder material is melted to a layer thickness from 20 to 100 μm, with laser radiation energy with a power of 50 W and above and a focus diameter from 50 to 200 μm, with the irradiation of the layer scan point from 100 to 3000 μs, in addition, the distance between the laser scan points is 10 to 160 µm, and the distance between the layer scan lines is 50 to 100 µm.

3. The method according to p. The process according to claim 1, characterized in that during melting of the powder material, the openwork structure is encased with a wall with a thickness of 0.5 to 8 mm, and a technological hole is left in the wall, which closes after removing the un-melted powder material from the inside of the bone implant.

4. The method according to p. The method of claim 1, wherein the bone implant is made of a Ti6A17Nb titanium alloy powder.

5. The method according to p. A unit according to claim 1, characterized in that a unit cell which is a cube is amplified.

6. The method according to p. A unit cell according to claim 1, which is a regular octahedron.