本发明涉及人工实心骨， 更具体地说， 涉及一种利用金属 3D打印技术 来制造人工实心骨的装置和方法。 背景技术

在使用人工实心骨 (例如足踝）的治疗方法中， 会用以塑胶制作的人工 实心骨来替代人体的实心骨。 由于实心骨一般位于承受较大重力的地方，所 以一般塑胶人工骨的使用时间为 8-12月， 之后需要再做手术来进行更换。

此外， 实心骨因为要承受较大重力及常常会和其它骨 发生磨擦，所以其 接触面要足够光滑，其中表面粗糙度 Ry需要达到 1〜2 μ πι或以下.所以利用 现有金属 3D打印方法制作的人工实心骨未能适用。

由于现有的使用人工实心骨的医疗方法会对病 人造成风险、 痛楚和额 外的成本花费，所以都不是理想的方案。 发明内容

公开了一种制造人工实心骨的方法， 包括：

使用金属 3D 打印技术且优选用钴铬合金和直接金属激光烧 结来形成 具有特定的变化形状和密度的实心骨；

在打印和形成所述实心骨后对所述实心骨的优 选约 80%的表面进行同 步的切削加工操作， 以使所述实心骨具有以下的表面粗糙度： R y<l~2 m 或以下； 以及

对所述实心骨的至少一接触表面进行同步的打 磨操作， 以使所述接触 表面具有以下的表面粗糙度： A4级=1^0.0634111或以下。

在一些实施例中， 打印和形成所述实心骨包括在所述实心骨的顶 部和 / 或底部形成有助于所述实心骨的后续加工操作 的延伸部分， 所述延伸部分 优选为柱体部分， 包括直径为 8mm和长度为 8~10mm的圆柱体部分， 所述 柱体部分的轴线与所述实心骨的中轴线平行和 /或重合； 和 /或所述柱体 部分配置成与进行后续加工操作的加工机耦合 以进行要求的加工操作。

在一些其它实施例中， 所述实心骨包括第一密度部分和密度比所述第 一密度部分低的第二密度部分， 其中所述第一密度部分可优选地通过进行 额外的烧结操作来达到比所述第二密度部分较 高的密度； 和 /或所述第二密 度部分优选地配置成具有网格结构来达到比所 述第一密度部分较低的密 度； 和 /或所述第一密度部分优选地位于所述第二密� �部分的外围； 所述第 一密度部分优选地具有 99.5%或以上的相对密度以及所述第二密度部分� �� 选地具有 90%或以上的相对密度。

在一些实施例中， 所述实心骨为足踝骨； 和 /或所述钴铬合金包括 Co-Cr-Mo和 /或 Co-Cr-W-Ni。

本发明还公开了一种用于制造人工实心骨的装 置， 包括：

金属 3D打印机单元， 其优选用钴铬合金和直接金属激光烧结来形成 具 有特定的变化形状和密度的实心骨；

与所述金属 3D打印机单元可操作地连接的切削加工单元， 其在所述金 属 3D打印机单元打印和形成所述实心骨后对所述� ��心骨的优选约 80%的表 面进行同步的切削加工操作， 以使所述实心骨具有以下的表面粗糙度： R γ<1~2μπι或以下；

与所述切削加工单元可操作地连接的打磨单元 ， 其对所述实心骨的至 少一接触表面进行同步的打磨操作， 以使所述接触表面具有以下的表面粗 糙度： 八4级=1¾0. 063μπι或以下。 在一些实施例中，所述金属 3D打印机单元在打印和形成所述实心骨时 在所述实心骨的顶部和 /或底部形成有助于所述实心骨的后续加工操� �的延 伸部分，所述延伸部分优选为柱体部分，包括 直径为 8mm和长度为 8~10mm 的圆柱体部分， 所述柱体部分的轴线与所述实心骨的中轴线平 行和 /或重 合； 和 /或所述柱体部分配置成与所述切削加工单元� � /或所述打磨单元耦 合以进行加工操作。

在一些实施例中，所述金属 3D打印机单元形成的所述实心骨包括第一 密度部分和密度比所述第一密度部分低的第二 密度部分， 其中所述第一密 度部分可优选地通过进行额外的烧结操作来达 到比所述第二密度部分较高 的密度； 和 /或所述第二密度部分优选地配置成具有网格� �构来达到比所述 第一密度部分较低的密度； 和 /或所述第一密度部分优选地位于所述第二密 度部分的外围；所述第一密度部分优选地具有 99.5%或以上的相对密度以及 所述第二密度部分优选地具有 90%或以上的相对密度。 附图说明

以下将参照附图通过范例来叙述本发明， 在附图中：

图 la为本发明的范例性人工实心骨的示意图； 图 lb为本发明的另一范例性人工实心骨的示意图� �� 图 2a为本发明的另一范例性人工实心骨的示意图� �� 图 2b为沿图 2a的 A-A线所得的示意截面图； 以及

图 3为本发明的具有网格结构的另一范例性人工� �心骨的示意图。 具体实施方式

以下将结合附图来叙述本公开的一些优选实施 例， 以便详细地说明其 技术方案。

参照图 la， 所示为本发明的范例性人工实心骨 110的示意图， 所述实 心骨优选为足踝骨。制造所述人工实心骨的方 法包括： 使用金属 3D打印技 术且优选用钴铬合金和激光烧结来形成具有特 定的变化形状和密度的实心 骨； 在打印和形成所述实心骨时 /后对所述实心骨的优选约 80%的表面进行 同步的切削加工操作， 以使所述实心骨具有以下的表面粗糙度： Ry<l~2 m 或以下； 以及对所述实心骨的至少一接触表面进行同步 的打磨操作， 以使 所述接触表面具有以下的表面粗糙度： A4级=1^0.0634111或以下。

在一些实施例中， 所述钴铬合金包括 Co-Cr-Mo和 /或 Co-Cr-W-Ni。 参照图 lb， 所示为本发明的另一范例性人工实心骨 120的示意图。 在 该实施例中， 打印和形成所述实心骨包括在所述实心骨的顶 部和 /或底部形 成有助于所述实心骨的后续加工操作的延伸部 分 125，所述延伸部分优选为 柱体部分， 包括直径为 8mm和长度为 8~10mm的圆柱体部分， 還包括三角 柱体部分、 方柱体部分、 多边柱体部分、 和 /或复合柱体部分或异形柱体部 分， 所述柱体部分的中心轴线与所述实心骨的中轴 线平行和 /或重合； 和 /或所述柱体部分配置成与加工机耦合以进行� �工操作。

参照图 2a-2b，图 2a所示为本发明的另一范例性人工实心骨 210的示意 图， 图 2b则为沿图 2a的 A-A线所得的示意截面图。 在该实施例中， 所述 实心骨包括第一密度部分 211 和密度比所述第一密度部分低的第二密度部 分 212， 其中所述第一密度部分 211可优选地通过进行额外的烧结操作来达 到比所述第二密度部分 212较高的密度； 和 /或所述第一密度部分 211优选 地位于所述第二密度部分 212的外围； 所述第一密度部分 211优选地具有 99.5%或以上的相对密度以及所述第二密度部分 212优选地具有 90%或以上 的相对密度。 参照图 3， 所示为本发明的具有网格结构的另一范例性人 工实心骨 310 的示意图。 在该实施例中， 所述实心骨也包括第一密度部分和密度比所述 第一密度部分低的第二密度部分， 其中所述第一密度部分可优选地通过进 行额外的烧结操作来达到比所述第二密度部分 较高的密度； 可选择地， 所 述第二密度部分可优选地配置成具有网格结构 来达到比所述第一密度部分 较低的密度； 所述第一密度部分优选地位于所述第二密度部 分的外围； 所 述第一密度部分优选地具有 99.5%或以上的相对密度以及所述第二密度部 分优选地具有 90%或以上的相对密度。

本发明还公开了一种用于制造人工实心骨的装 置， 包括：

金属 3D打印机单元， 其优选用钴铬合金和激光烧结来形成具有特定 的 变化形状和密度的实心骨；

与所述金属 3D打印机单元可操作地连接的切削加工单元， 其在所述金 属 3D打印机单元打印和形成所述实心骨时 /后对所述实心骨的优选约 80% 的表面进行同步的切削加工操作， 以使所述实心骨具有以下的表面粗糙度： R y〈广 2μπι或以下;

与所述切削加工单元可操作地连接的打磨单元 ， 其对所述实心骨的至 少一接触表面进行同步的打磨操作， 以使所述接触表面具有以下的表面粗 糙度： 八4级=1¾0. 063μπι或以下。

在一些实施例中，所述金属 3D打印机单元在打印和形成所述实心骨时 在所述实心骨的顶部和 /或底部形成有助于所述实心骨的后续加工操� �的延 伸部分， 所述延伸部分优选为直径为 8mm和长度为 8~10mm的柱体部分， 所述柱体部分的轴线与所述实心骨的中轴线平 行和 /或重合； 和 /或所述 柱体部分配置成与所述切削加工单元和 /或所述打磨单元耦合以对所述实心 骨的主体部分或特定位置进行要求的加工操作 。 在一些实施例中， 所述延 伸部分可优选地相对于要加工的特定部分或位 置来定位， 以有助于所述切 削加工单元和 /或所述打磨单元的切削加工 /打磨操作。

在一些实施例中，所述金属 3D打印机单元形成的所述实心骨包括第一 密度部分和密度比所述第一密度部分低的第二 密度部分， 其中所述第一密 度部分可优选地通过进行额外的烧结操作来达 到比所述第二密度部分较高 的密度； 和 /或所述第二密度部分优选地配置成具有网格� �构来达到比所述 第一密度部分较低的密度， 所述网格结构可均匀地分布或集中于所述第二 密度部分的特定区域， 以使所述第二密度部分具有预定的密度或重量 ； 和 / 或所述第一密度部分优选地位于所述第二密度 部分的外围； 所述第一密度 部分优选地具有 99.5%或以上的相对密度以及所述第二密度部分� ��选地具 有 90%或以上的相对密度。

本发明采用的金属 3D专利打印技术用钴铬合金来替代因受损而要� ��换 的实心骨，因为钴铬合金具有以下的主要性能 特点：

其主要化学成分包括 Co-Cr-Mo、 Co-Cr-W-Ni等等， 所以其耐蚀性比不 锈钢高数十倍， 而且一般无明显的组织反应。

由于作为人工髋关节界面的松动率较高， 钴铬合金具有的优异的耐摩 擦性能和较强的承载能力适于用作为植入件， 而且合乎实心骨要求的抗磨 功能。

根据本发明的制造人工实心骨的方法， 在激光烧结后，内置的加工单元 马上作出加工操作来确保实心骨的大部分位置 可以达到 Ry < 1〜2 μ m或以 下的表面粗糙度，合乎实心骨的需求。

本发明的金属 3D打印机单元使用金属粉末激光造形技术，其� ��激光熔 融功率约为 400W, 与所述金属 3D打印机单元可操作地连接的切削加工单 元优选为高速铣削加工单元， 其铣刀主轴转速约为 45,000/Mm。 在一些实施例中， 本发明的金属 3D 打印技术使用钴铬合金（Cobalt Chrome)和金属粉末直接激光烧结 /直接金属激光烧结 (DMLS)技术以及同步 金属切削加工功能 /部件所构成的技术方案可以减低后加工时间� � 激光烧 结及同步切削的结合使产品或实心骨的约 80%或以上的表面可以进行同步 的切削，并能得到 Ry < 1〜2 μ m或以下的表面粗糙度，其中进一步打磨钴铬 实心骨 (如足踝骨）的会与其他骨 3接触的表面或位置，可使相关的表面或位 置可达到约为 A4级=1¾0. 063 μ m或更佳的粗糙度和其带来的镜面效果。

根据本发明的制造人工实心骨的技术方案， 可使金属足踝骨的使用时 间增长至高达 8-10年， 从而减少现有病人每年需要更换塑胶足踝所面 对手 术风险。 每年进行更换塑胶骨的手术会需要动用很多资 源；例如占用医生及 医护人员时间及手术室等等， 所以现有技术的成本高昂和会造成使用者不 便。 利用本发明的技术方案可解决上述问题，使更 多病患可以受益于 3D打 印技术。

虽然本文业已叙述了不同的范例或实施例， 但应该理解的是， 它们是 用于说明而不是用于限制保护范围。 应当理解的是， 不同的范例性实施例 的部分或部件在适当情况下可相互组合和 /或混合搭配， 以形成其它变型而 不丧失一般性。