CN111936088B - 用于骨向内生长的三维多孔结构的混合固定特征部和生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种整形外科假体部件，该整形外科假体部件包括固定栓钉，固定栓钉包括被构造成允许骨向内生长的多孔三维结构。该多孔三维结构具有外表面边界。固定栓钉包括在外表面边界处附接到多孔三维结构的板。该板包括锥形主体，该锥形主体具有背离多孔三维结构并且没有任何开口的外壁。

Description

用于骨向内生长的三维多孔结构的混合固定特征部和生产 方法

本申请要求于2018年3月30日提交的美国临时申请号62/650,790的优先权并且明确地以引用方式并入本文。

技术领域

本文所公开的实施方案总体涉及多孔金属结构及其制造方法，并且更具体地，涉及医疗装置中的多孔金属结构。

背景技术

本文所公开的实施方案总体涉及用于骨向内生长的三维多孔结构的表面特征部以及用于生产所述结构的方法。

多年来，快速成型和增材制造领域已取得许多进展，具体地用于制品诸如原型零件和模具的快速成型。与常规机加工工艺(诸如在其中材料(例如，金属)作为材料块开始并且因此被机加工成成品的那些)相比，这些进展已降低了加工成本和时间，同时增加了成品的准确性。

然而，快速成型三维结构的主要重点在于增加快速成型结构的密度。现代快速成型/增材制造技术的示例包括片材层合、粘附粘接、激光烧结(或选择性激光烧结)、激光熔化(或选择性激光烧结)、光聚合、液滴沉积、立体光刻、3D打印、熔融沉积建模和3D绘图。具体地在选择性激光烧结、选择性激光熔化和3D打印的领域中，高密度零件生产的改进已使得那些技术可用于设计和准确地生产制品(诸如高度致密的金属零件)。

在组织工程领域中，多孔三维生物相容性支架被需要来容纳哺乳动物细胞并促进它们的三维生长和再生，并且因此可用作例如植入物/假体部件或其它假体。此外，该支架或向内生长涂层需要足够的表面纹理来促进快速且有效的骨向内生长所必需的稳定植入物-骨界面。与未很好地固定在骨中的栓钉相比，具有更高固定强度的固定特征部(例如，栓钉)限制了例如植入物到骨的运动并且增加了更多骨向内生长的机会。

发明内容

根据本公开的一个方面，公开了一种整形外科假体部件。该整形外科假体部件包括基部和远离该基部延伸到远侧末端的固定栓钉。该固定栓钉包括被构造成允许骨向内生长的多孔三维结构，并且该多孔三维结构具有外表面边界。该固定栓钉包括在该外表面边界处附接到该多孔三维结构的多个板。每个板包括锥形主体，该锥形主体具有背离该多孔三维结构并且没有任何开口的外壁。

在一些实施方案中，每个板的该锥形主体可沿该多孔三维结构纵向延伸。另外，在一些实施方案中，每个板的该锥形主体可从近侧端部延伸到远侧端部，并且每个板的该锥形主体可在该近侧端部处具有第一宽度并且在该近侧端部和该远侧端部之间具有大于该第一宽度的第二宽度。

在一些实施方案中，每个板的该外壁可包括限定锥形通道的凹形表面。在一些实施方案中，每个板是没有任何开口或通孔的实心板。

在一些实施方案中，该多个板可周向地布置在该多孔三维结构上。另外，在一些实施方案中，该多个板中的相邻板可在该多孔三维结构上周向地彼此间隔开。

在一些实施方案中，该多个板可定位在该固定栓钉的该远侧末端与该基部之间。另外，在一些实施方案中，该基部可包括被构造成接纳胫骨插入件的胫骨平台。在一些实施方案中，细长杆可从该胫骨平台延伸到远侧末端。细长杆可被构造成植入患者胫骨的外科准备的近侧端部中。

在一些实施方案中，该整形外科假体部件还可包括附接到该胫骨平台的远侧表面的多孔三维层。该细长杆可从该三维层向外延伸，并且该固定栓钉从该多孔三维层向外延伸。

在一些实施方案中，每个板的该锥形主体可从近侧端部延伸到远侧端部，并且每个板的该锥形主体可在该远侧端部处具有第一厚度并且在该近侧端部和该远侧端部之间具有大于该第一厚度的第二厚度。

在一些实施方案中，每个板可围绕该多孔三维结构周向地延伸。另外，在一些实施方案中，该多个板中的相邻板可在该多孔三维结构上在近侧-远侧方向上彼此间隔开。在一些实施方案中，该固定栓钉的该远侧末端可包括纵向狭槽。

根据另一个方面，一种整形外科假体部件，包括被构造成接纳胫骨插入件的胫骨平台和联接到该胫骨平台的多孔三维结构。该多孔三维结构被构造成允许骨向内生长。该整形外科假体部件还包括远离该胫骨平台延伸到远侧末端的细长杆。该多孔三维结构包括联接到该胫骨平台的层和从该层延伸的多个固定栓钉。每个固定栓钉包括该多孔三维结构的具有外表面边界的部分。多个板附接在每个固定栓钉的该外表面边界处。每个板包括锥形主体，该锥形主体具有没有任何开口的外壁。

在一些实施方案中，每个板的该锥形主体可沿该多孔三维结构纵向延伸。另外，在一些实施方案中，每个板的该外壁可包括限定锥形通道的凹形表面。

在一些实施方案中，该多个板中的相邻板可在每个栓钉上周向地彼此间隔开。在一些实施方案中，该多个板中的相邻板可在该多孔三维结构上在近侧-远侧方向上彼此间隔开。

根据另一个方面，公开了一种用于生产整形外科假体部件的方法。该方法包括沉积并且扫描连续的金属粉末层以形成包括至少一个固定栓钉的多孔三维结构。该至少一个固定栓钉包括多孔部分和定位在该多孔部分上的至少一个实心板。

根据又另一个方面，公开了一种整形外科植入物。该植入物包括多孔三维结构和延伸经过该多孔三维结构的表面边界的至少一个固定特征部。该多孔三维结构由多个单位单元构成。该固定特征部锚固到该多孔三维结构的第一侧面并且由多孔部分和定位在该多孔部分的外侧表面上的多个实心部分构成。

在一些实施方案中，该植入物还包括锚固到该多孔三维结构的第二侧面的基部。

在一些实施方案中，该固定特征部还包括大于宽度的长度。

在一些实施方案中，该固定特征部还包括大于长度的宽度。

在一些实施方案中，该多个实心部分从该多孔三维结构的该表面边界向外延伸。

在一些实施方案中，该多个实心部分定位成基本上平行于该多孔三维结构的该表面边界。

在一些实施方案中，固定特征部进一步由在该多孔三维结构远侧的多孔末端部分构成。

在一些实施方案中，该植入物进一步由多个固定特征部构成。

在一些实施方案中，该多孔部分还包括多个扇形。在一些实施方案中，多个实心部分中的每一个占据相应的扇形。在一些实施方案中，该多个扇形中的每一个由大于近侧区域的远侧区域构成。

在一些实施方案中，该多个实心部分中的至少一个附接到多孔部分。在一些实施方案中，该多个实心部分在远侧方向上渐缩。在一些实施方案中，该多个实心部分中的每一个附接到多孔部分。在一些实施方案中，该多个实心部分中的每一个在远侧方向上渐缩。在一些实施方案中，每个相应实心部分的厚度小于近侧紧邻的该实心部分的厚度。

在另一方面，公开了一种整形外科植入物。该植入物包括多孔三维结构，该多孔三维结构包括至少一个固定特征部。一个固定特征部包括具有内部的多孔部分、至少一个实心部分以及部分地位于该多孔部分的该内部上的至少一个狭槽。

在一些实施方案中，该至少一个实心部分设置在该多孔部分的外侧表面上。

在一些实施方案中，该植入物进一步由锚固到该多孔三维结构的第二侧面的基部构成。

在一些实施方案中，该固定特征部所包含的宽度大于长度。

在一些实施方案中，该固定特征部所包含的长度大于宽度。

在一些实施方案中，该至少一个实心部分定位成基本上垂直于该多孔三维结构的该表面边界。

在一些实施方案中，该至少一个实心部分延伸到该至少一个固定特征部的末端区域，该末端区域在该多孔三维结构的远侧。

在一些实施方案中，该植入物进一步由多个固定特征部构成。

在一些实施方案中，该至少一个实心部分包括在远侧方向上渐缩的至少一个倒钩。在一些实施方案中，该至少一个实心部分包括多个倒钩。在一些实施方案中，每个相应倒钩的厚度小于近侧紧邻的该倒钩的厚度。

在一些实施方案中，该至少一个实心部分附接到该多孔部分。

在一些实施方案中，该至少一个实心部分在该远侧方向上渐缩。

在一些实施方案中，该植入物由多个实心部分构成。在一些实施方案中，该多个实心部分中的每一个附接到该多孔部分。在一些实施方案中，该多个实心部分中的每一个在该远侧方向上渐缩。在一些实施方案中，该多个实心部分中的每一个包括在该远侧方向上渐缩的至少一个倒钩。

在一些实施方案中，该至少一个狭槽在该至少一个固定特征部的末端区域处提供开口。

在一些实施方案中，该植入物由多个狭槽构成。

在另一个方面，公开了一种用于生产整形外科植入物的方法。该方法包括沉积并且扫描连续的金属粉末层，以形成包括多个单位单元的多孔三维结构并且以形成延伸超过该多孔三维结构的表面边界的至少一个固定特征部。该至少一个固定特征部锚固到该多孔三维结构的第一侧面并且由具有内部的多孔部分、至少一个实心部分以及至少部分地位于该多孔部分的该内部上的至少一个狭槽构成。

在一些实施方案中，该方法还包括提供基部，以及将该多孔三维结构的第二侧面锚固到该基部。

在又另一个方面，公开了一种用于生产多孔三维结构的方法。该方法包括沉积连续的金属粉末层并且用束扫描该连续的金属粉末层，以形成包括多个单位单元的多孔三维结构并且以形成延伸超过该多孔三维结构的表面边界的至少一个固定特征部。该至少一个固定特征部锚固到该多孔三维结构的第一侧面并且包括多孔部分和定位在该多孔部分的外侧表面上的多个实心部分。

在一些实施方案中，该方法还包括提供基部，以及将该多孔三维结构的第二侧面锚固到该基部。

在一些实施方案中，该束为电子束。

在一些实施方案中，该束为激光束。

在一些实施方案中，使该金属粉末熔化以形成该多孔三维结构。

在一些实施方案中，使该金属粉末烧结以形成该多孔三维结构。

在一些实施方案中，使该连续的金属粉末层沉积到实心基部上。

在另一个方面，公开了一种用于生产多孔三维结构的方法。该方法包括将金属颗粒流以预先确定的速度施加到基部上，以形成多孔三维结构并且以形成延伸超过该多孔三维结构的表面边界的至少一个固定特征部。该多孔三维结构由多个单位单元构成。该固定特征部锚固到该多孔三维结构的第一侧面并且由多孔部分和定位在该多孔部分的外侧表面上的多个实心部分构成。

在一些实施方案中，该方法还包括将该多孔三维结构的第二侧面锚固到该基部。

在一些实施方案中，该预先确定的速度是该金属颗粒在冲击该基部时进行粘接所需的临界速度。在一些实施方案中，该临界速度大于约340m/s。

在一些实施方案中，该方法还包括将激光束以设置的预先确定的功率施加到该基部的冲击该金属颗粒流的区上。

在另一个方面，公开了一种用于生产多孔三维结构的方法。该方法包括将金属线的持续馈送引入到基部表面上并且将束以设置的预先确定的功率施加到在其中该金属线接触该基部表面的区，以形成多孔三维结构并且以形成延伸超过该多孔三维结构的表面边界的至少一个固定特征部。该多孔三维结构由多个单位单元构成。该固定特征部锚固到该多孔三维结构的第一侧面并且包括多孔部分和定位在该多孔部分的外侧表面上的多个实心部分。

在一些实施方案中，该方法还包括将该多孔三维结构的第二侧面锚固到该基部。

在一些实施方案中，该束为电子束。

在一些实施方案中，该束为激光束。

在又另一个方面，公开了一种用于生产多孔三维结构的方法。该方法包括将嵌入有金属元素的聚合物材料的持续馈送引入到基部表面上，向在其中该聚合物材料接触该基部表面的区施加热，以形成多孔三维结构并且以形成延伸超过该多孔三维结构的表面边界的至少一个固定特征部。该多孔三维结构由多个单位单元构成。该固定特征部锚固到该多孔三维结构的第一侧面并且包括多孔部分和定位在该多孔部分的外侧表面上的多个实心部分。

在一些实施方案中，该方法还包括将该多孔三维结构的第二侧面锚固到该基部。

在一些实施方案中，该方法还包括用束扫描该多孔三维结构以烧掉该聚合物材料。

在一些实施方案中，使用加热元件施加热。在一些实施方案中，该加热元件是加热炉系统的一部分。

在另一个方面，公开了一种用于生产多孔三维结构的方法。该方法包括将金属浆液通过喷嘴引入到基部表面上，以形成多孔三维结构和延伸超过该多孔三维结构的表面边界的至少一个固定特征部。该多孔三维结构由多个单位单元构成。该固定特征部锚固到该多孔三维结构的第一侧面并且包括多孔部分和定位在该多孔部分的外侧表面上的多个实心部分。

在一些实施方案中，该方法还包括将该多孔三维结构的第二侧面锚固到该基部。

在又另一个方面，公开了一种用于生产多孔三维结构的方法。该方法包括将连续的熔融金属层引入到基部表面上，以形成多孔三维结构和延伸超过该多孔三维结构的表面边界的至少一个固定特征部。该多孔三维结构由多个单位单元构成。该固定特征部锚固到该多孔三维结构的第一侧面并且由多孔部分和定位在该多孔部分的外侧表面上的多个实心部分构成。

在一些实施方案中，该方法还包括将该多孔三维结构的第二侧面锚固到该基部。

在另一个方面，公开了一种用于生产多孔三维结构的方法。该方法包括沉积连续的金属粉末层并将其与粘结剂材料粘结，以形成多孔三维结构和延伸超过该多孔三维结构的表面边界的至少一个固定特征部。该多孔三维结构由多个单位单元构成。该固定特征部锚固到该多孔三维结构的第一侧面并且由多孔部分和定位在该多孔部分的外侧表面上的多个实心部分构成。

在一些实施方案中，该方法还包括提供基部，以及将该多孔三维结构的第二侧面锚固到该基部。

在一些实施方案中，该方法还包括用束烧结或熔化该粘接的金属粉末。在一些实施方案中，该束为电子束。在一些实施方案中，该束为激光束。

在一些实施方案中，该方法还包括用加热元件烧结或熔化该粘接的金属粉末。

在又另一个方面，公开了一种用于生产多孔三维结构的方法。该方法包括将金属材料液滴沉积到基部表面上以及向在其中该金属材料接触该基部表面的区施加热，以形成多孔三维结构和延伸超过该多孔三维结构的表面边界的至少一个固定特征部。该多孔三维结构由多个单位单元构成。该固定特征部锚固到该多孔三维结构的第一侧面并且由多孔部分和定位在该多孔部分的外侧表面上的多个实心部分构成。

在一些实施方案中，该方法还包括将该多孔三维结构的第二侧面锚固到该基部。

在一些实施方案中，用电子束施加热。

在一些实施方案中，用激光束施加热。

在一些实施方案中，该金属材料为嵌入有金属元素的金属浆液。

在一些实施方案中，该金属材料为金属粉末。

附图说明

为了更完整地理解本文所公开的原理及其优点，现结合附图参考以下描述，在附图中：

图1是整形外科假体部件的透视图；

图2是图1的整形外科假体部件的固定特征部的正视图；

图3是沿图2中的线3-3截取的图2的固定特征部的横截面平面图；

图4是图1的整形外科假体部件的另一个固定特征部的正视图；

图5是沿图4中的线5-5截取的图4的固定特征部的一部分的剖视图；

图6是图1的整形外科假体部件的另一个固定特征部的正视图；

图7示出了根据各种实施方案的各种特征部的拔出力与插入力的比率的图表；

图8示出了根据各种实施方案的用于制造多孔三维结构的方法的流程图；以及

图9A和图9B例示了根据各种实施方案的固定特征部的剖视图。

具体实施方式

本说明书描述了本公开的示例性实施方案和应用。然而，本公开并不限于这些示例性实施方案和应用，或者不限于在本文操作或描述示例性实施方案和应用的方式。此外，附图可示出简化或部分视图，并且附图中的元件的尺寸可被放大或以其它方式不成比例。此外，如本文使用的术语“在……上”、“附接到”、“连接到”、“联接到”或类似词语，一个元件(例如，材料、层、基部等)可“在另一个元件上”、“附接到另一个元件”、“连接到另一个元件”或“联接到另一个元件”，而不管一个元件是直接在另一个元件上、附接到、连接到或联接到另一个元件、在一个元件和另一元件之间存在一个或多个中间元件还是两个元件集成为单件。另外，除非上下文另有规定，否则方向(例如，上方、下方、顶部、底部、侧面、向上、向下、下面、之上、上部、下部、水平、竖直、“x”、“y”、“z”等)(如果提供的话)是相对的并且仅以示例的方式并且为了易于说明和讨论而非限制的方式单独地提供。此外，在参考要素列表(例如要素a、b、c)的情况下，此类参考旨在包括所列要素中的任一个本身、少于所有所列要素的任意组合和/或所有所列要素的组合。本说明书中的章节划分仅是为了易于查看，并且不限制所讨论的要素的任意组合。

如本文所用，“粘接到”或“粘接”表示由于多种物理化学机制(包括但不限于：金属粘接、静电吸引和/或粘附力)而导致的金属与金属的附接。

除非另有定义，否则结合本文所述的本教导内容使用的科学和技术术语应具有本领域普通技术人员通常理解的含义。

本公开涉及多孔三维金属结构及其制造方法以用于医学应用。如下文更详细地描述，多孔金属结构促进在植入患者体内的假体部件与患者周围的硬组织或软组织之间的硬组织或软组织互锁。例如，当包括在被构造成植入患者体内的整形外科假体部件上时，多孔三维金属结构可用于提供整形外科假体部件的多孔外层以形成骨向内生长结构。另选地，多孔三维金属结构可用作具有所需结构完整性的植入物，以既实现植入物的预期功能又向与周围组织的组织互锁(例如，骨向内生长)提供互连的孔隙率。

根据各种实施方案，提供整形外科假体部件，该假体部件包括基部、多孔三维结构以及延伸经过多孔三维结构的表面边界的至少一个表面特征部(下文称为接合螺柱)。多孔结构可包括多个单位单元。

根据设计，整形外科植入物/假体部件可以是被构造用于植入患者骨中的外科植入物。例如，如图1中所示，整形外科假体部件10为全膝关节成形术假体的胫骨托盘。部件10包括平台12，该平台具有远离其下部表面16延伸的杆14。胫骨杆14延伸到远侧末端18并且被构造成植入患者胫骨(未示出)的外科准备的近侧端部中。平台12还具有与下部表面16相背对定位的上部表面20和在表面16、20之间延伸的弯曲外壁22。在例示性实施方案中，弯曲外壁22成形为对应于患者胫骨近侧端部上的外科准备的表面的外边缘。平台12还具有附接到上表面20的各种接合特征部(未示出)，该各种接合特征部被构造成接合全膝关节成形术假体的插入件或支承件。示例性接合特征部以及膝关节成形术假体的示例性其它部件在美国专利8,470,047中示出和描述，该专利明确地以引用方式并入本文。

部件10的平台12由生物相容性金属(诸如钴铬合金或钛合金)构造，但是也可使用其它材料。如图1中所示，部件10包括三维向内生长主体100，该三维向内生长主体附接到平台12的下部表面16，使得平台12为向内生长主体100提供基部。向内生长主体100包括被构造成促进骨向内生长以用于永久固定的多孔三维结构110，如下文更详细地描述。

在例示性实施方案中，向内生长主体100包括附接到平台12的下部表面16的层或板102以及从板102向外延伸的多个栓钉104。向内生长主体100还附接到杆14，该杆穿过层102向外延伸到其远侧末端18。应当认识到，虽然示出了胫骨假体部件，但是本文所述的各种多孔结构(包括本文所述的接合螺柱结构)可并入到各种整形外科植入物设计中，使得植入物的设计将不会影响使用本文所讨论的接合螺柱的各种实施方案中的任一个的能力。例如，本文所述的多孔结构可包括在类似于美国专利8,470,047中示出的股骨部件的股骨假体部件中，或者包括在成形为接合股骨假体部件的髌骨部件上。多孔结构也可包括在其它整形外科植入物设计中，包括用于髋关节或肩关节成形术中的假体部件。

应当指出，就前述内容而言，基部可以是能够例如接触、支撑、连接到本文的各种实施方案的部件或与这些部件连接、或锚固到这些部件或与这些部件锚固的任何类型的结构。基部可包括例如金属或非金属平台、金属或非金属托盘、金属或非金属基板、位于托盘上的金属或非金属结构等。

现参考图2，更详细地示出一个固定栓钉104。在例示性实施方案中，栓钉104中的每一个具有相同的构型。向内生长主体100(以及因此每个栓钉104)包括多孔三维结构110，该多孔三维结构包括多个单位单元120，每个单位单元构成多个支柱125。多个单位单元120以重复图案提供以形成具有外表面边界130的结构110。单位单元120限定孔或空隙，该孔或空隙允许在整形外科假体部件10植入患者骨中之后骨向内生长，从而促进在部件10和周围骨组织之间的固定。

每个固定栓钉104从附接到向内生长主体100的层102的近侧端部132延伸到远侧端部134。在例示性实施方案中，固定栓钉104和层102形成为单个整体式多孔部件。应当认识到，在其它实施方案中，层102可与固定栓钉104中的一个或多个分开形成，并且随后与这些栓钉组装在一起。还应当认识到，固定栓钉中的一个或多个可被直接附接到平台16并且延伸穿过层102。

每个固定栓钉104沿端部132、134之间的纵向轴线140延伸。如图3的横截面中所示，每个栓钉104的外表面边界130围绕纵向轴线140周向地延伸。在例示性实施方案中，外表面边界130包括凸形区段142和多个凹形区段144，该多个凹形区段限定凸形区段142内的沟槽或通道148。固定栓钉104包括多个板150，该多个板附接在沟槽内的表面边界130处并且被构造成减少骨磨损，如下文更详细地描述。在其它实施方案中，表面边界的轮廓可比例示性实施方案或多或少不均匀以接纳其它设计的板。

在例示性实施方案中，每个沟槽148具有渐缩的扇形形状。多个板150中的每一个占据相应的扇形。沟槽148中的每一个包括远侧区域和近侧区域，其中远侧区域的一部分大于近侧区域。另选地，多个沟槽中的一个或多个可包括远侧区域和近侧区域，其中远侧区域小于近侧区域。

板150周向地布置在每个固定栓钉104的多孔三维结构110的表面边界130上。在例示性实施方案中，板150通过多孔三维结构110彼此间隔开。返回图2，每个板150具有沿纵向轴线140从近侧端部154延伸到远侧端部156的锥形主体152。每个板150的锥形主体152具有背离多孔三维结构110的外壁158。在例示性实施方案中，外壁158没有任何开口，并且锥形主体152是没有任何通孔的实心材料。应当认识到，在其它实施方案中，根据板的构型和整形外科应用，外壁158的一部分可包括开口或通孔。

每个锥形主体152包括具有远侧端部156的远侧区域160和具有近侧端部154的近侧区域162，其中远侧区域包括大于近侧区域的部分。另选地，所占据的实心部分可包括远侧区域和近侧区域，并且远侧区域包括小于近侧区域的部分。如图2中所示，每个锥形主体152在近侧区域162中(例示性地在近侧端部154处)具有宽度164，并且在远侧区域160中(但例示性地在端部154、156之间)渐缩至另一个更大宽度166。

每个锥形主体152的外壁158包括限定通道172的凹形表面170，该通道渐缩以对应于主体152的渐缩。每个通道172具有开口的远侧端部以有利于将栓钉104插入患者骨中。应当认识到，在其它实施方案中，通道172可具有不同的构型。如图2中所示，每个板150的远侧端部156定位在每个固定栓钉104的远侧末端134的近侧，使得板定位在整形外科假体部件的远侧末端156和平台12之间。应当认识到，在其它实施方案中，板的远侧端部可定位在远侧末端处，使得它们在远侧平面中对准。

在各种实施方案中并且如上所述，实心材料可以是金属或非金属，并且金属的类型可包括但不限于钛、钛合金、不锈钢、钴铬合金、钽或铌。非金属示例包括例如陶瓷材料(例如，氮化钛)和碳材料(例如，碳化硅)。

通过提供实心部件和多孔部件的组合，固定栓钉被构造成减少骨磨损并且增加固定强度，同时仍然具有促进骨向内生长并且还根据需要允许易于翻修(例如，切穿栓钉)所必需的多孔结构。

如上所述，每个固定栓钉104具有多孔结构，其中实心部分定位在多孔结构的表面边界处。应当认识到，在其它实施方案中，固定栓钉或特征部可具有实芯。例如，如图9A中所示，固定栓钉910具有嵌入其中的实芯。在图9A中，固定特征部910包括多孔部分920和多个实心板930(或多个实心部分930)。多孔部分920还包括实心材料的芯940。在图9B中，多孔部分930基本上被实心芯950替换。在任一种情况下，提供此类实芯可潜在地向整体固定特征部提供附加的强度，以承受嵌入组织(诸如骨)中或根据需要用于清洁目的的应力。

现参考图4至图6，例示了根据各种实施方案的固定特征部的其它示例。在图4和图5中，提供固定特征部410(示例性地，另一种固定栓钉)，其中特征部410包括多孔三维结构或部分420和至少一个实心板或实心部分430。在各种实施方案中并且如图4所示，固定特征部410可包括多个实心部分430。多个实心部分中的至少一个可附接到多孔部分420的表面。在图4中，多个实心部分430中的每一个附接到多孔部分420。

如图5中所示，多个实心部分430中的每一个在远侧方向上渐缩，使得每个相应实心部分的厚度小于近侧紧邻的实心部分的厚度。换句话讲，如图5中所示，每个实心部分430在其远侧端部434处具有厚度432，并且在远侧端部434的近侧(例示性地，在部分430的远侧端部434和近侧端部438之间)具有另一个更大的厚度436。连续实心部分之间的这种代表性厚度差跨合起来的实心部分呈现整体渐缩效果，如例如通过当固定特征部410朝远侧行进时实心部分430连续变窄所示。

如图4至图5所示，实心板或实心部分430中的每一个围绕多孔部分420周向地延伸。多个部分430中的相邻部分430在多孔部分420上在近侧-远侧方向上彼此间隔开。

通过提供类似于例如图4和图5所示的设计，实心部分可减少骨磨损并且增加骨中的环向应力。然而，利用多孔部分，固定特征部提供用于骨向内生长和易于翻修的区域。此外，通过提供具有渐缩的实心部分或多个实心部分的设计，实心部分的最远侧部分可提供进入骨中的切割路径，该切割路径不会干扰紧固实心部分的后续区域(或多个实心部分的后续实心部分)所需的骨。

现参考图6，提供另一种固定特征部(下文为特征部610)。固定特征部610从附接到胫骨假体部件的平台的多孔三维结构660的层延伸。固定特征部610(例如图1至图5的栓钉和特征部)被构造成接合患者的骨。类似于上述栓钉104，固定特征部610可为附接到实心平台的多孔三维结构的一部分。在此类实施方案中，多孔三维结构660的第二侧面680可锚固到平台。另外，固定特征部610可以是多个固定特征部610中的一个。还应当认识到，多孔结构660可以是实心或基本上实心的结构。如图6中所示，每个固定特征部610包括锚固到结构660的层的第一侧面的多孔部分620。多孔部分620具有延伸穿过多孔部分620并且通向内部655的多个空隙或开口。

固定特征部610延伸到远侧末端690，并且实心部分630定位在多孔部分620的外侧表面640上的远侧末端690处。根据各种实施方案并且如例如图6所示，实心部分包括基本上垂直于多孔部分620的表面边界定位的多个板或倒钩695。每个倒钩695例示性地在远侧方向上(例如，朝向固定特征部610的远侧末端690)渐缩。如图6中所示，每个相应倒钩的厚度小于近侧紧邻的倒钩，并且当固定特征部610向远侧朝向末端区域690行进时，连续倒钩之间的这种代表性厚度差通过使实心部分630变窄而跨实心部分630呈现整体渐缩效果。因此，至少一个实心部分可在远侧方向上渐缩。在其它实施方案中，实心部分630可不渐缩。还应当认识到，在其它实施方案中，实心部分630可包括附加的或更少的倒钩695。例如，如图6所示，实心部分630环绕多孔部分620。

固定特征部610还包括从远侧末端690处的开口696延伸的细长狭槽670。如图6中所示，细长狭槽670延伸穿过多孔部分620的内部655。实心部分630例示性地包括限定狭槽670的内侧表面675。在其它实施方案中，细长狭槽670可由与倒钩695分开的实心部分限定。还应当认识到，在其它实施方案中，内侧表面675可以是多孔的或部分多孔的。

根据各种实施方案，固定特征部还可包括长度和宽度，其中长度大于宽度(如图6所示)。固定特征部还可包括长度和宽度，其中宽度大于长度。

如上所述，在各种实施方案中，固定特征部可包括多个实心部分。多个实心部分中的每一个可环绕多孔部分。多个实心部分中的每一个可在远侧方向上渐缩。多个实心部分中的每一个可包括至少一个倒钩，其中至少一个倒钩在远侧方向上渐缩。

通过例如在图6中提供具有狭槽的固定特征部，固定特征部可在固定特征部插入期间偏转以帮助防止骨磨损。多孔部分有助于提供固定特征部，或更具体地实心部分上的倒钩偏转所需的低模量，同时还允许足够的骨向内生长并且易于翻修。还应当指出的是，虽然图6示出单个狭槽，但是可使用多个狭槽(例如，3个至4个狭槽)以使开槽设计的任何方向性最小化。

现参考图7，提供图表700以示出来自具有各种设计的固定特征部拉拔测试的拔出力/插入力比率结果。将每个固定特征部插入骨中并从骨拔出，其中针对每个测试的固定特征部计算的比率指示插入力对拔出力。因此，高比率将指示给定固定特征部的多个有利特征中的任一个，包括例如易于将固定特征部插入组织中并且抵抗拔出，这将指示固定特征部在组织(例如，骨)中的稳定性。

三个突出显示的结果是由图2至图6所示的概念描述并且在上文中详细描述的示例。结果710示出了栓钉104的性能(参考图2至图3)，并且结果712示出了固定特征部410的性能(参考图4至图5)，而结果714示出了固定特征部610的性能(参考图6)。执行三个突出显示概念以及测试其它栓钉，该其它栓钉所包括的装置类似于临床使用的那些。结果增强了本文各种实施方案的有利性质，这提供附加的稳定性(例如，如本文所公开的实施方案的拔出力/插入力比所示)。

制造工艺

上文所公开的多孔三维金属结构可使用各种不同的金属部件制造技术来制备，包括但不限于：铸造工艺(铸造工艺涉及将熔融金属倾注到模具腔体中，其中一旦形成固体，金属就呈现腔体形状。示例包括可膨胀模铸造、永久模铸造和粉末压实冶金)、变形工艺(变形工艺包括涉及使用向金属施加超过金属屈服应力的机械应力的工具的金属成形和片材金属加工工艺)、材料移除工艺(这些工艺从工件移除额外的材料以便实现所需的形状)。材料移除工艺的示例包括工具机加工和研磨机加工)和增材制造工艺(这些工艺涉及使用数字3D设计数据通过沉积连续的材料层来分层构建金属部件)。增材制造工艺可仅以举例的方式包括粉末床熔合打印(例如，熔化和烧结)、冷喷涂3D打印、线馈送3D打印、熔合沉积3D打印、挤出3D打印、液体金属3D打印、立体光刻3D打印、粘结剂喷射3D打印、材料喷射3D打印等。然而，应当认识到，由于包括那些类型的结构的单位单元的几何形状和结构元件的复杂性，关于多孔三维金属结构(上文所公开)的制造，增材制造工艺提供优于其它金属部件制造技术的一些独特优点。

根据各种实施方案，提供用于例如通过图8中所示的方法800生产整形外科植入物的方法。该方法可包括用束沉积并且扫描连续的金属粉末层以形成多孔三维结构。多孔三维结构可包括多个单位单元，并且沉积和扫描可形成延伸超过多孔三维结构的表面边界的至少一个固定特征部。至少一个固定特征部可锚固到多孔三维结构的第一侧面并且包括具有内部的多孔部分、至少一个实心部分以及至少部分地位于多孔部分的内部上的至少一个狭槽。束(或扫描束)可以是电子束。束(或扫描束)可以是激光束。

如图8中所提供，步骤810包括沉积金属粉末层。步骤820包括扫描金属粉末层。如步骤830中所提供，重复步骤810和820，直到形成包括多个单位单元的多孔三维结构，并且形成延伸超过多孔三维结构的表面边界的至少一个固定特征部为止，其中至少一个固定特征部锚固到多孔三维结构的第一侧面并且包括多孔部分和定位在多孔部分的外侧表面上的多个实心部分。

关于本文所述的各种方法，可烧结金属粉末以形成多孔三维结构。另选地，可使金属粉末熔化以形成多孔三维结构。可将连续的金属粉末层沉积到实心基部上(参见上文关于基部的讨论)。在各种实施方案中，可使用的金属粉末的类型包括但不限于钛、钛合金、不锈钢、钴铬合金、钽或铌粉末。在各种实施方案中，多孔三维结构的第二侧面可锚固到基部。

根据各种实施方案，提供一种用于生产整形外科植入物的方法。该方法可包括沉积并且扫描连续的金属粉末层，以形成包括多个单位单元的多孔三维结构并且以形成延伸超过该多孔三维结构的表面边界的至少一个固定特征部。至少一个固定特征部可锚固到多孔三维结构的第一侧面并且包括多孔部分和定位在多孔部分的外侧表面上的多个实心部分。在各种实施方案中，该方法还可包括提供基部，以及将多孔三维结构的第二侧面锚固到基部。

根据各种实施方案，提供一种用于制备多孔三维结构的方法。该方法可包括沉积连续的金属粉末层并且用束扫描该连续的金属粉末层，以形成包括多个单位单元的多孔三维结构并且以形成延伸超过该多孔三维结构的表面边界的至少一个固定特征部。至少一个固定特征部可锚固到多孔三维结构的第一侧面并且包括多孔部分和定位在多孔部分的外侧表面上的多个实心部分。在各种实施方案中，该方法还可包括提供基部，以及将多孔三维结构的第二侧面锚固到基部。束可以是电子束。束可以是激光束。在各种实施方案中，使金属粉末烧结以形成多孔三维结构。在各种实施方案中，使金属粉末熔化以形成多孔三维结构。在各种实施方案中，使连续的金属粉末层沉积到实心基部上。

根据各种实施方案，提供一种用于生产多孔三维结构的方法。该方法可包括将金属颗粒流以预先确定的速度施加到基部上，以形成包括多个单位单元的多孔三维结构并且以形成延伸超过多孔三维结构的表面边界的至少一个固定特征部。至少一个固定特征部可锚固到多孔三维结构的第一侧面并且包括多孔部分和定位在多孔部分的外侧表面上的多个实心部分。在各种实施方案中，该方法还可包括将多孔三维结构的第二侧面锚固到基部。预先确定的速度可以是金属颗粒在冲击基部时进行粘接所需的临界速度。临界速度可大于340m/s。该方法还可包括将激光以设置的预先确定的功率施加到基部的冲击金属颗粒流的区上。在各种实施方案中，可使用的金属颗粒的类型包括但不限于钛、钛合金、不锈钢、钴铬合金、钽或铌颗粒。

根据各种实施方案，提供一种用于生产多孔三维结构的方法。该方法可包括将金属线的持续馈送引入到基部表面上并且将束以设置的预先确定的功率施加到在其中金属线接触基部表面的区，以形成包括多个单位单元的多孔三维结构并且以形成延伸超过多孔三维结构的表面边界的至少一个固定特征部。至少一个固定特征部可锚固到多孔三维结构的第一侧面并且包括多孔部分和定位在多孔部分的外侧表面上的多个实心部分。在各种实施方案中，该方法还可包括将多孔三维结构的第二侧面锚固到基部。束可以是电子束。束可以是激光束。在各种实施方案中，可使用的金属线的类型包括但不限于钛、钛合金、不锈钢、钴铬合金、钽或铌线。

根据各种实施方案，提供一种用于生产多孔三维结构的方法。该方法可包括将嵌入有金属元素的聚合物材料的持续馈送引入到基部表面上，以及向在其中聚合物材料接触基部表面的区施加热，以形成包括多个单位单元的多孔三维结构并且以形成延伸超过多孔三维结构的表面边界的至少一个固定特征部。至少一个固定特征部可锚固到多孔三维结构的第一侧面并且包括多孔部分和定位在多孔部分的外侧表面上的多个实心部分。在各种实施方案中，该方法还可包括将多孔三维结构的第二侧面锚固到基部。在各种实施方案中，聚合物材料的持续馈送可通过受热喷嘴供应，从而消除对在其中聚合物材料接触基部表面的区施加热以形成多孔三维结构的需要。在各种实施方案中，可用于嵌入聚合物材料的金属元素的类型可包括但不限于钛、钛合金、不锈钢、钴铬合金、钽和铌。

该方法还可包括用束扫描多孔三维结构以烧掉聚合物材料。束(或扫描束)可以是电子束。束(或扫描束)可以是激光束。

根据各种实施方案，提供一种用于生产多孔三维结构的方法。该方法可包括将金属浆液通过喷嘴引入到基部表面上，以形成包括多个单位单元的多孔三维结构并且以形成延伸超过多孔三维结构的表面边界的至少一个固定特征部。至少一个固定特征部可锚固到多孔三维结构的第一侧面并且包括多孔部分和定位在多孔部分的外侧表面上的多个实心部分。在各种实施方案中，该方法还可包括将多孔三维结构的第二侧面锚固到基部。在各种实施方案中，喷嘴在将金属浆液的金属元素粘接到基部表面所需的温度下加热。在各种实施方案中，金属浆液是水性悬浮液，该水性悬浮液包含金属颗粒以及一种或多种添加剂(液体或固体)以提高制造过程或多孔三维结构的性能。在各种实施方案中，金属浆液是有机溶剂悬浮液，该有机溶剂悬浮液包含金属颗粒以及一种或多种添加剂(液体或固体)以提高制造过程或多孔三维结构的性能。在各种实施方案中，可在金属浆液中利用的金属颗粒的类型包括但不限于钛、钛合金、不锈钢、钴铬合金、钽或铌颗粒。

根据各种实施方案，提供一种用于生产多孔三维结构的方法。该方法可包括将连续的熔融金属层引入到基部表面上，以形成包括多个单位单元的多孔三维结构并且以形成延伸超过多孔三维结构的表面边界的至少一个固定特征部。至少一个固定特征部可锚固到多孔三维结构的第一侧面并且包括多孔部分和定位在多孔部分的外侧表面上的多个实心部分。在各种实施方案中，该方法还可包括将多孔三维结构的第二侧面锚固到基部。熔融金属可作为持续流引入到基部表面上。熔融金属可作为离散熔融金属液滴流引入到基部表面上。在各种实施方案中，可使用的熔融金属的类型包括但不限于钛、钛合金、不锈钢、钴铬合金、钽或铌。

根据各种实施方案，提供一种用于生产多孔三维结构的方法。该方法可包括将嵌入有金属元素的连续的光敏聚合物层施加到基部表面上并且将该连续的光敏聚合物层光活化，以形成包括多个单位单元的多孔三维结构并且以形成延伸超过多孔三维结构的表面边界的至少一个固定特征部。至少一个固定特征部可锚固到多孔三维结构的第一侧面并且包括多孔部分和定位在多孔部分的外侧表面上的多个实心部分。在各种实施方案中，该方法还可包括将多孔三维结构的第二侧面锚固到基部。在各种实施方案中，可用于嵌入聚合物材料的金属元素的类型可包括但不限于钛、钛合金、不锈钢、钴铬合金、钽或铌。

根据各种实施方案，提供一种用于生产多孔三维结构的方法。该方法可包括沉积连续的金属粉末层并且用粘结剂材料粘结该连续的金属粉末层，以形成包括多个单位单元的多孔三维结构并且以形成延伸超过该多孔三维结构的表面边界的至少一个固定特征部。至少一个固定特征部可锚固到多孔三维结构的第一侧面并且包括多孔部分和定位在多孔部分的外侧表面上的多个实心部分。在各种实施方案中，该方法还可包括基部以及将多孔三维结构的第二侧面锚固到基部。在各种实施方案中，可使用的金属粉末的类型包括但不限于钛、钛合金、不锈钢、钴铬合金、钽或铌粉末。

该方法还可包括用束烧结或熔化粘接的金属粉末。束可以是电子束。束可以是激光束。该方法还可包括用加热元件烧结或熔化粘接的金属粉末，其中束是电子束，或者束是激光束。

根据各种实施方案，提供一种用于生产多孔三维结构的方法。该方法可包括将金属材料液滴沉积到基部表面上以及向在其中金属材料接触基部表面的区施加热，以形成包括多个单位单元的多孔三维结构和延伸超过多孔三维结构的表面边界的至少一个固定特征部。至少一个固定特征部可锚固到多孔三维结构的第一侧面并且包括多孔部分和定位在多孔部分的外侧表面上的多个实心部分。在各种实施方案中，该方法还可包括将多孔三维结构的第二侧面锚固到基部。可用束施加热，其中束为电子束。可用束施加热，其中束为激光束。金属材料可以是嵌入有金属元素的金属浆液。金属材料可以是金属粉末。在各种实施方案中，可使用的金属材料的类型包括但不限于钛、钛合金、不锈钢、钴铬合金、钽或铌。

尽管在本说明书中已经描述了具体的实施方案和应用，但是这些实施方案和应用仅是示例性的，并且许多变型形式是可能的。

虽然结合各种实施方案描述了本教导内容，但是并不旨在将本教导内容限于此类实施方案。相反，本教导内容涵盖另选方案、修改和等同物，如本领域的技术人员将认识的。

此外，在描述各种实施方案时，本说明书可能已经将方法和/或过程作为特定的步骤顺序来呈现。然而，在某种程度上而言，该方法或过程不依赖于本文所阐述的步骤的特定顺序，该方法或过程不应限于所述步骤的特定顺序。本领域的普通技术人员将认识到，其它步骤顺序也是可能的。因此，本说明书中所阐述的步骤的特定顺序不应解释为对权利要求的限制。此外，涉及方法和/或过程的权利要求不应限于以书写的顺序执行其步骤，并且本领域的技术人员可容易地认识到这些步骤可以变化并仍保持在本发明的实质和范围内。

尽管在本说明书中已经描述了具体的实施方案和应用，但是这些实施方案和应用仅是示例性的，并且许多变型形式是可能的。

虽然结合各种实施方案描述了本教导内容，但是并不旨在将本教导内容限于此类实施方案。相反，本教导内容涵盖另选方案、修改和等同物，如本领域的技术人员将认识的。

此外，在描述各种实施方案时，本说明书可能已经将方法和/或过程作为特定的步骤顺序来呈现。然而，在某种程度上而言，该方法或过程不依赖于本文所阐述的步骤的特定顺序，该方法或过程不应限于所述步骤的特定顺序。本领域的普通技术人员将认识到，其它步骤顺序也是可能的。因此，本说明书中所阐述的步骤的特定顺序不应解释为对权利要求的限制。此外，涉及方法和/或过程的权利要求不应限于以书写的顺序执行其步骤，并且本领域的技术人员可容易地认识到这些步骤可以变化并仍保持在本发明的实质和范围内。

Claims (18)

1.一种整形外科假体部件，包括：

基部，

固定栓钉，所述固定栓钉远离所述基部延伸到远侧末端，所述固定栓钉包括被构造成允许骨向内生长的多孔三维结构，所述多孔三维结构具有外表面边界，

其中所述固定栓钉包括在所述外表面边界处周向地附接到所述多孔三维结构的多个板，每个板包括锥形主体，所述锥形主体具有背离所述多孔三维结构并且没有任何开口的外壁；

其中每个板的所述锥形主体沿所述多孔三维结构纵向地从近侧端部延伸到远侧端部。

2.根据权利要求1所述的整形外科假体部件，其中：

每个板的所述锥形主体在所述近侧端部处具有第一宽度，并且在所述近侧端部和所述远侧端部之间具有大于所述第一宽度的第二宽度。

3.根据权利要求1所述的整形外科假体部件，其中每个板的所述外壁包括限定锥形通道的凹形表面。

4.根据权利要求1所述的整形外科假体部件，其中所述多个板周向地布置在所述多孔三维结构上。

5.根据权利要求4所述的整形外科假体部件，其中所述多个板中的相邻板在所述多孔三维结构上周向地彼此间隔开。

6.根据权利要求1所述的整形外科假体部件，其中所述多个板定位在所述固定栓钉的远侧末端和所述基部之间。

7.根据权利要求1所述的整形外科假体部件，其中所述基部包括胫骨平台，所述胫骨平台被构造成接纳胫骨插入件。

8.根据权利要求7所述的整形外科假体部件，其中细长杆从所述胫骨平台延伸到远侧末端，所述细长杆被构造成植入患者胫骨的外科准备的近侧端部中。

9.根据权利要求8所述的整形外科假体部件，还包括：附接到所述胫骨平台的远侧表面的多孔三维层，

其中所述细长杆从所述三维层向外延伸，并且所述固定栓钉从所述多孔三维层向外延伸。

10.根据权利要求1所述的整形外科假体部件，其中：

每个板的所述锥形主体在所述远侧端部处具有第一厚度，并且在所述近侧端部和所述远侧端部之间具有大于所述第一厚度的第二厚度。

11.根据权利要求10所述的整形外科假体部件，其中每个板围绕所述多孔三维结构周向地延伸。

12.根据权利要求11所述的整形外科假体部件，其中所述多个板中的相邻板在所述多孔三维结构上在近侧-远侧方向上彼此间隔开。

13.根据权利要求11所述的整形外科假体部件，其中所述固定栓钉的远侧末端包括纵向狭槽。

14.一种整形外科假体部件，包括：

胫骨平台，所述胫骨平台被构造成接纳胫骨插入件，

联接到所述胫骨平台的多孔三维结构，所述多孔三维结构被构造成允许骨向内生长，以及细长杆，所述细长杆远离所述胫骨平台延伸到远侧末端，

其中所述多孔三维结构包括联接到所述胫骨平台的层和从所述层延伸的多个固定栓钉，每个固定栓钉包括所述多孔三维结构的具有外表面边界的一部分，

其中多个板周向地附接在每个固定栓钉的所述外表面边界处，每个板包括锥形主体，所述锥形主体具有没有任何开口的外壁；并且

其中每个板的所述锥形主体沿所述多孔三维结构纵向地从近侧端部延伸到远侧端部。

15.根据权利要求14所述的整形外科假体部件，其中每个板的所述外壁包括限定锥形通道的凹形表面。

16.根据权利要求14所述的整形外科假体部件，其中所述多个板中的相邻板在每个栓钉上周向地彼此间隔开。

17.根据权利要求14所述的整形外科假体部件，其中所述多个板中的相邻板在所述多孔三维结构上在近侧-远侧方向上彼此间隔开。

18.一种用于生产整形外科假体部件的方法，所述方法包括：

沉积并且扫描连续的金属粉末层以形成包括至少一个固定栓钉的多孔三维结构，

其中所述至少一个固定栓钉包括多孔部分和周向地定位在所述多孔部分上的多个实心板，每个实心板包括锥形主体，所述锥形主体具有背离所述多孔三维结构并且没有任何开口的外壁；并且

其中所述多个实心板中的每个实心板沿所述多孔部分纵向地从近侧端部延伸到远侧端部。