(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111351577.3 (22)申请日 2021.11.16 (71)申请人 陕西瑞一医疗科技有限公司 地址 710399 陕西省西安市鄂邑区吕公路 东段西户科技企业孵化器A 2栋1层 (72)发明人 陈华磊　邱健　纪娟　杨延超　 (74)专利代理 机构 西安泛想力专利代理事务所 (普通合伙) 6126 0 代理人 石琳丹 (51)Int.Cl. G06F 30/27(2020.01) G06F 119/02(2020.01) G06F 119/20(2020.01) (54)发明名称 基于拓扑优化技术的可变弹性结构的融合 器制造方法 (57)摘要 本发明涉及一种基于拓扑优化技术的可变 弹性结构的融合器制造方法， 该制造方法包括如 下步骤： 1)构建骨弹性模量的神经网络的预测模 型； 2)依据预测模型并利用仿生学设计骨生长的 孔隙结构， 并选择适合骨生长的孔隙大小； 3)利 用3D设计软件识别并提取融合器结构特征； 4)步 骤3)优化SLM工艺参数； 5)通过CT获取椎间隙的 数据， 以医用钛合金为基础原料、 以可降解高分 子材料和成骨活性粉体的混合物 为辅助原料， 采 用3D打印加载SLM工艺参数完成具有中空三维连 通结构的融合器本体结构； 6)在融合器本体表面 覆盖动态液晶弹性材料， 使之能够与椎体终板完 全贴合； 7)将步骤6)得到的零件进行打磨及抛 光， 得所需零件。 权利要求书1页 说明书4页 附图1页 CN 114036849 A 2022.02.11 CN 114036849 A 1.基于拓扑优化技术的可变弹性结构的融合器制造方法， 其特征在于， 是基于拓扑优 化以医用钛合金为基础原料、 以可降解高分子材料和成骨活性粉体的混合物为辅助原料， 采用3D打印成型融合器本体， 并在融合器本体表面覆液晶弹性膜以控制椎间融合器形成的 应用弹性模量与获取的人体脊柱的实测弹性模量相同； 该制造方法包括如下步骤： 1)构建骨质疏松和非骨质疏松人群的数据库； 使用python机器学习， 构建骨弹性模量 的神经网络的预测模型； 2)依据预测模型并利用仿生学设计骨生长的孔隙结构， 并选择适合骨生长的孔隙大 小； 3)利用3D设计软件识别并提取融合器结构特征， 利用种子扩散法判断出所有待加支撑 的悬垂三角面片之间的连接关系， 并采用正态分布方法获取待打印融合器本体结构； 4)步骤3)完成后对得到的椎间融合器结构特征分别进行力学性能和凝固传热机理进 行分析， 以优化SLM 工艺参数； 5)通过CT获取椎间隙的数据， 以医用钛合金为基础原料、 以可降解高分子材料和成骨 活性粉体的混合物为辅助原料， 采用3D打印加载SLM工艺参数完成具有中空三维连通结构 的融合器本体结构； 6)在融合器本体表面覆盖动态液晶弹性材 料， 使之能够与椎体终板 完全贴合； 7)将步骤6)得到的零件进行打磨及抛光， 得 所需零件。 2.根据权利要求1所述的基于拓扑优化技术的可变弹性结构的融合器制造方法， 其特 征在于， 在步骤5中， 制造过程包括激光器、 金属粉末、 基板及成形零件， 基板固定于所述3D 位移平台上， 激光器位于所述基板的正上 方， 利用铺粉辊均匀地在成形缸的基板上铺上一层金属粉末， 计算机控制激光束对当前层 进行选择性激光熔化， 熔化的金属粉末冷却固化后， 加工平台降低一个单位高度， 送粉平台 上升一个单位高度， 铺粉辊在加工好的片层之上重新铺好金属粉末， 激光束开始扫描新一 层， 如此层 层叠加， 直至整个零件成形。 3.根据权利要求1所述的基于拓扑优化技术的可变弹性结构的融合器制造方法， 其特 征在于， 利用拓扑优化方法实现不同孔隙的可变弹性结构， 以适应不同骨 密度人群。 4.根据权利要求1所述的基于拓扑优化技术的可变弹性结构的融合器制造方法， 其特 征在于， 所述基材 料与所需零件的材 料可以相同， 也可以不同。 5.根据权利要求3所述的利用拓扑优化技术设计出可变弹性结构的椎间融合器方法， 其特征在于， 所述数据库包含骨质疏松和非骨质疏松人群的年龄、 性别、 身高、 体重、 BMI、 骨 密度T值数据。 6.根据权利要求1所述的利用拓扑优化技术设计出可变弹性结构的椎间融合器方法， 其特征在于， 所述椎间融合器是根据不同患者的骨密度、 利用仿生学， 实现适合骨生长的孔 隙结构和适 合骨生长的孔隙大小。 7.根据权利要求1所述的利用拓扑优化技术设计出可变弹性结构的椎间融合器方法， 其特征在于， 所述椎间融合器的材料可以是医用钛合金， 也可以是peek材料或医用钛合金 与peek材料组合的适用人体植入的材 料。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 114036849 A 2基于拓扑优化 技术的可变弹性结构的融合 器制造方 法 技术领域 [0001]本发明涉及椎 间融合器技术领域， 具体为基于拓扑优化技术的可变弹性结构的融 合器制造方法。 背景技术 [0002]1988年， Bagby提出使用空心、 多孔、 不锈钢椎间融合器治疗马脊髓型颈椎病。 这种 融合技术很快就被改装用于人类使用， 并于1996年获得美国食品和药物管理局的批准， 用 于治疗某些脊柱疾病。 自那以后， 椎间融合器已经演 变成一种非常成功的融合方法， 与单纯 植骨融合相比， 它具有术后疼痛更少、 住院时间更短、 并发症更少、 融合 率更高的特点。 [0003]在过去的二十年里， 椎间融合器的设计和 材料发生了很大的变化。 20世纪90年代 中期的螺纹钛合金圆柱形螺纹笼， 通常采用自体骨移植， 取得了比骨移植和非螺纹椎间融 合率更高的融合率。 然而， 很快就发现螺纹螺丝笼有很高的沉降率。 从21世纪初开始， 无螺 纹形钛或peek椎间融合器的设计变得越来越普遍。 然而融合器的沉降及不融合的问题依然 是一大难题。 [0004]金属增材制造是一种新型的成形技术， 涉及到光、 机、 电、 材料、 检测 与控制等多学 科的高技术， 是传统制 造方法不能完成的一种全新加工制 造技术， 是国家重点支持和推动 的一项高技术。 目前， 国内外很多科研院所， 如国内清华大学、 华中科技大学以及美国 MicroFab商业公司、 加拿大多伦多大学等， 对于金属增材制造技术的研究主要集中在成形 机理、 驱动方式选择和金属增材制 造过程的热状态分析等方面， 而对于用利用拓扑优化技 术设计出 可变弹性结构的椎间融合器后， 进行增材制造成形零件应用于临床研究的较少。 发明内容 [0005]本发明的目的在于提一种基于拓扑优化技术的可变弹性结构的融合器制造方法， 以解决上述背景技 术中提出的问题。 [0006]为实现上述目的， 本发明提供如下技 术方案： [0007]基于拓扑优化技术的可变弹性结构的融合器制造方法， 是基于拓扑优化以医用钛 合金为基础原料、 以可降解高分子材料和成骨活性粉体的混合物为辅助原料， 采用3D打印 成型融合器本体， 并在融合器本体表面覆液晶弹性膜以控制椎间融合器形成的应用弹性模 量与获取的人体脊柱的实测弹性模量相同； [0008]该制造方法包括如下步骤： [0009]1)构建骨质疏松和非骨质疏松人群的数据库； 使用python机器学习， 构建骨弹性 模量的神经网络的预测模型； [0010]2)依据预测模型并利用仿生学设计骨生长的孔隙结构， 并选择适合骨生长的孔隙 大小； [0011]3)利用3D设计软件识别并提取融合器结构特征， 利用种子扩散法判断出所有待加 支撑的悬垂三角面片之间的连接关系， 并采用正态分布方法获取待打印融合器本体结构；说　明　书 1/4 页 3 CN 114036849 A 3