仿生低摩擦人工寰齿关节

摘要

本发明公开了一种仿生低摩擦人工寰齿关节，包括寰椎部件、枢椎部件及螺钉，寰椎部件由杵窝关节及侧翼组成，杵窝关节由球窝及下方圆台状壳体组成，侧翼设计有对称的锁定螺钉孔，枢椎部件分为上下两部分，上部包括聚乙烯球头套和下方的不规则圆柱体平台组件构成，圆柱体平台底面设计为多齿状结构，下部分与枢椎椎体前方结构相匹配，其上设计有三个呈品字排列的锁定螺钉孔，关节与骨面接触处均设计羟基磷灰石涂层，本发明在保留寰枢椎旋转功能的前提下，实现了寰枢椎有限的侧屈及屈伸功能，且杵窝关节的设计深度大，减小了脱位的风险，更接近人体生理状态，寰椎和齿状突之间关节为金属对聚乙烯，减少了摩擦和撞击声音，减小翻修几率。

权利要求

1.一种仿生低摩擦人工寰齿关节，其特征在于：该人工寰齿关节包括寰椎部件以及枢椎部件，所述寰椎部件由杵窝关节以及与杵窝关节相连的弧形侧翼板（1）组成，弧形侧翼板（1）的两端对称分布于杵窝关节两侧，杵窝关节由球窝（3）以及与球窝下端相连的圆台状壳体（4）组成，圆台状壳体（4）与球窝（3）相连通，枢椎部件由球头关节以及弧形板（7）组成，球头关节由聚乙烯球头套（5）、圆柱体平台（10）以及连接件（6）组成，聚乙烯球头套（5）由实心聚乙烯球头（5-1）以及与实心聚乙烯球头下端相连的中空聚乙烯圆柱体（5-2）组成，中空聚乙烯圆柱体（5-2）套于连接件（6）上，圆柱体平台（10）的上端与连接件（6）相连，圆柱体平台（10）的下端与弧形板（7）相连，球头关节设置于杵窝关节内。

2.根据权利要求1所述一种仿生低摩擦人工寰齿关节，其特征在于：所述弧形侧翼板（1）的两端上开设有螺钉孔（2），弧形板（7）上开设有若干个螺钉孔（2）。

3.根据权利要求1所述一种仿生低摩擦人工寰齿关节，其特征在于：所述弧形板（7）上开设有三个呈品字形排列的螺钉孔（2）。

4.根据权利要求1所述一种仿生低摩擦人工寰齿关节，其特征在于：所述人工寰齿关节还包括设置于弧形侧翼板（1）以及弧形板（7）上的螺钉孔内的螺钉（8）。

5.根据权利要求4所述一种仿生低摩擦人工寰齿关节，其特征在于：所述寰椎部件、圆柱体平台（10）、连接件（6）、弧形板（7）以及螺钉（8）均采用医用钛合金材质。

6.根据权利要求1所述一种仿生低摩擦人工寰齿关节，其特征在于：所述圆柱体平台（10）的下底面为锯齿状。

7.根据权利要求1所述一种仿生低摩擦人工寰齿关节，其特征在于：所述连接件（6）包括与圆柱体平台（10）相连的中央圆柱体（13）以及设置于中央圆柱体侧面上的柱状突起（11），柱状突起（11）沿中央圆柱体（13）的圆周等间隔分布。

8.根据权利要求7所述一种仿生低摩擦人工寰齿关节，其特征在于：所述中空聚乙烯圆柱体（5-2）的内壁上开设有柱状凹槽（12），柱状突起（11）对应镶嵌于柱状凹槽（12）内。

9.根据权利要求1所述一种仿生低摩擦人工寰齿关节，其特征在于：所述杵窝关节与弧形侧翼板（1）采用一体成型，圆柱体平台（10）、连接件（6）以及弧形板（7）采用一体成型。

10.根据权利要求1所述一种仿生低摩擦人工寰齿关节，其特征在于：所述弧形侧翼板（1）、杵窝关节以及弧形板（7）的表面均设置有羟基磷灰石涂层。

说明书

仿生低摩擦人工寰齿关节

技术领域

[0001] 本发明属于医用假体制造技术领域，尤其涉及一种保留三维运动的仿生低摩擦人工寰齿关节。

背景技术

[0002] 人体上颈椎为第一二颈椎，即寰枢椎。寰枢椎与下方颈椎结构不同，无椎间盘结构，由三个关节和多条韧带构成，即枢椎齿状突和寰椎前弓后方关节面以及寰椎横韧带、翼状韧带组成的正中关节，两侧的寰椎下关节面和枢椎上关节面构成的两个近似水平略带倾斜的关节面组成。寰齿正中关节为类车轴状，与双方的侧块关节共同协作完成寰枢椎之间多方向的活动：主要的旋转运动以及少量的侧屈以及前屈后伸动作。

[0003] 目前，由于齿状突骨折陈旧性愈合或者风湿性关节炎、创伤等引起的寰枢椎不稳造成上段颈髓压迫刺激出现神经症状时，通常根据情况选择后方的直接复位融合固定，或者前方松解减压，切除齿状突，进行固定或者旷置。但两种手术方案均效果不理想。单纯齿状突切除术后破坏了正常结构，寰枢椎之间不稳定性增加，活动范围加大，对于神经的刺激性加大。前方或者后方融合术后不稳消除，但是新的问题出现。颈椎约50%的旋转功能位于寰枢椎，融合后颈椎旋转活动度降低，对于人体正常生活影响较大，且融合后的颈椎由于运动和弹性功能丧失，颈椎生物力学发生改变，可能对邻近节段出现应力集中等改变，并可能出现相应并发症，面临二次手术可能。

[0004] 非融合技术的出现使人们将目光投向寰枢椎，如何将非融合技术应用于寰枢椎，在解除神经压迫、局部畸形的同时保留局部功能才成为了研究的热点。

[0005] 在这个基础上，国内陈坚、曹正霖、谭明生、胡勇、贺西京等人分别对寰枢椎的解剖形态进行了研究分析、数据测量，并分别设计出形态不同、功能类似的人工寰齿关节。例如：曹正霖等研究设计的人工寰齿关节，由人工齿状突和人工寰椎前弓组成。人工齿状突类似空心钉，分为椎体部和齿突部等连续的2部分，椎体部固定于枢椎椎体，齿突部突出枢椎体，与人工寰椎前弓的齿突环部相扣套。人工寰椎前弓左右对称，由l块前弓板和2枚相同的侧块螺钉组成，前弓板分为两侧的侧块板、连接板和中间的齿突环等连续的3部分，齿突环为圆环状，与人工齿状突的齿突部相关节。而谭明生等研制的人工寰齿半关节和其他人工寰齿关节均不同，主要侧重于通过寰枢横韧带的恢复重建寰齿后关节的稳定性，既能防止寰椎向前脱位，又能保留寰齿关节的主要旋转功能。虽然不同人工关节间形态上存在部分差异，但是设计思路基本相同，即最大限度的仿生并保留正常寰齿关节的旋转功能。

[0006] 以上人工寰齿关节均存在一定的保留关节功能的效果。上述人工寰齿关节设计上仅仅保留了旋转功能，为类车轴关节。但人体寰齿关节之间由后方的翼状韧带及十字韧带等连接，除了旋转功能外，还存在少量的屈伸以及侧屈功能。因此上述人工关节没有完全达到正常人体关节的功能，存在部分缺陷。

[0007] 针对所发现的缺点，贺西京等对人工寰齿关节进行了更新设计，设计了第二代人工寰齿关节。将关节分为上下两个关节：上方采用车轴关节，下方采用球窝关节。球窝关节的活动度保证了关节间可以多方向活动，达到了寰枢椎旋转及侧屈、屈伸等方向活动的目的。

[0008] 但是贺西京等设计的第二代人工寰齿关节仍具有以下不足：

[0009] 1）采用了两个关节，增加了设计的复杂性，关节的高灵活度增大了关节脱位的可能性。

[0010] 2）球窝关节接触面小，局部应力大。

[0011] 3）关节为倒置，与人体生理状态不符。

[0012] 4）关节与骨之间直接接触，骨长入无可能性，脱位风险较大。

[0013] 5）金属对金属关节摩擦系数大，在活动过程中关节长期处于磨损状态，摩擦产生的金属碎屑对身体局部组织产生刺激，易出现相应的并发症；长期磨损会面临关节损耗，增加了进行二期翻修手术的可能性；且在关节活动过程中金属与金属的撞击声音会引起患者不适。

[0014] 综上所述，目前国内外尚未成功设计出完全符合人体生理状态的人工寰齿关节。

发明内容

[0015] 本发明的目的在于克服传统融合技术的缺点，并将现有人工寰齿关节的缺点加以改进，提供一种仿生低摩擦人工寰齿关节，该仿生低摩擦人工寰齿关节不仅在外观上同正常人体寰齿关节接近，且在力学上能够对关节活动度进行限制，不仅保留旋转功能，并有效的保留寰枢椎之间少量的侧屈及前屈后伸功能，更加接近生理状态；同时活动过程中撞击声音微弱，降低了关节翻修几率以及患者术后的不适感。

[0016] 为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

[0017] 该人工寰齿关节包括寰椎部件以及枢椎部件，所述寰椎部件由杵窝关节以及与杵窝关节相连的弧形侧翼板组成，弧形侧翼板的两端对称分布于杵窝关节两侧，杵窝关节由球窝以及与球窝下端相连的圆台状壳体组成，圆台状壳体与球窝相连通，枢椎部件由球头关节以及弧形板组成，球头关节由聚乙烯球头套、圆柱体平台以及连接件组成，聚乙烯球头套由实心聚乙烯球头以及与实心聚乙烯球头下端相连的中空聚乙烯圆柱体组成，中空聚乙烯圆柱体套于连接件上，圆柱体平台的上端与连接件相连，圆柱体平台的下端与弧形板相连，球头关节设置于杵窝关节内。

[0018] 所述弧形侧翼板的两端上开设有螺钉孔，弧形板上开设有若干个螺钉孔。

[0019] 所述弧形板上开设有三个呈品字形排列的螺钉孔。

[0020] 所述人工寰齿关节还包括设置于弧形侧翼板以及弧形板上的螺钉孔内的螺钉。

[0021] 所述寰椎部件、圆柱体平台、连接件、弧形板以及螺钉均采用医用钛合金材质。

[0022] 所述圆柱体平台的下底面为锯齿状。

[0023] 所述连接件包括与圆柱体平台相连的中央圆柱体以及设置于中央圆柱体侧面上的柱状突起，柱状突起沿中央圆柱体的圆周等间隔分布。

[0024] 所述中空聚乙烯圆柱体的内壁上开设有柱状凹槽，柱状突起对应镶嵌于柱状凹槽内。

[0025] 所述杵窝关节与弧形侧翼板采用一体成型，圆柱体平台、连接件以及弧形板采用一体成型。

[0026] 所述弧形侧翼板、杵窝关节以及弧形板的表面均设置有羟基磷灰石涂层。

[0027] 本发明的有益效果体现在：

[0028] 本发明所述仿生低摩擦人工寰齿关节从形态以及生物力学特征上进行仿生，通过球头关节与杵窝关节对应部分的配合，不仅保留了旋转功能，而且增加了侧屈及前屈后伸功能，与现有人工寰齿关节相比，关节数量相对较少，结构的复杂性降低，且为正常状态正向关节，更加符合生理状态；同时，能够对侧屈以及屈伸角度进行限制，更加符合正常生理状态的活动度，减少了脱位的可能性；另外，关节设计中球头关节部分采用了聚乙烯结构，降低了摩擦系数，且聚乙烯具有部分吸能作用，活动过程中撞击声音微弱，能够降低关节翻修几率以及患者术后的不适感，本发明能够更好地对正常寰齿关节进行仿生，保留了接近正常的运动功能，并提供了更好地固定可靠性。

[0029] 本发明所述圆柱体平台的下底面为与骨截面相接触的面，圆柱体平台的下底面为锯齿状结构，使得在与骨截面相接触的面上增加了锯齿状接触面，增加了骨长入的可能性，减少了脱位的风险；本发明中在与皮质骨相接触的面上，比如，弧形侧翼板、杵窝关节以及弧形板的表面，增加了羟基磷灰石涂层，可以增加骨长入，增强了关节的牢固性。

[0030] 本发明通过弧形侧翼板以及弧形板上的螺钉孔内的多枚螺钉把持，可以从不同角度固定，增加了角度稳定性，降低了松动脱出的风险。

[0031] 本发明通过柱状突起以及柱状凹槽的设计增加了枢椎部件钛合金内芯（连接件）与聚乙烯球头套间的条形接触面，消除了旋转过程中两者之间的摩擦，增加了稳定性。

附图说明

[0032] 图1为本发明的主视图；

[0033] 图2为本发明的后视图；

[0034] 图3为本发明的俯视图；

[0035] 图4为本发明的仰视图；

[0036] 图5为图1的A-A剖视图；

[0037] 图6为本发明所述圆台状壳体的截面示意图；

[0038] 图7为本发明所述弧形侧翼板的结构示意图；

[0039] 图8本发明所述聚乙烯球头套的截面示意图；

[0040] 图9为本发明所述枢椎部件的结构示意图（不包含聚乙烯球头套）；

[0041] 图10为本发明所述聚乙烯球头套的仰视图；

[0042] 图11为为本发明的使用状态图；

[0043] 图中：1为弧形侧翼板，2为螺钉孔，3为球窝，4为圆台状壳体，5为聚乙烯球头套，5-1为实心聚乙烯球头，5-2为中空聚乙烯圆柱体，6为连接件，7为弧形板，8为螺钉，9为多齿状结构，10为圆柱体平台，11为柱状突起；12为柱状凹槽，13为中央圆柱体。

具体实施方式

[0044] 下面结合附图和实施例对本发明做详细说明。

[0045] 参见图1-图10，本发明所述仿生低摩擦人工寰齿关节包括寰椎部件以及枢椎部件，所述寰椎部件由杵窝关节以及与杵窝关节相连的弧形侧翼板1组成，弧形侧翼板1的两端对称分布于杵窝关节两侧，杵窝关节由球窝3以及与球窝下端相连的圆台状壳体4组成，圆台状壳体4与球窝3相连通，枢椎部件由球头关节以及弧形板7组成，球头关节由聚乙烯球头套5、圆柱体平台10以及连接件6组成，聚乙烯球头套5由实心聚乙烯球头5-1以及与实心聚乙烯球头下端相连的中空聚乙烯圆柱体5-2组成，中空聚乙烯圆柱体5-2套于连接件6上，圆柱体平台10的上端与连接件6相连，所述连接件6包括与圆柱体平台10相连的中央圆柱体13以及设置于中央圆柱体侧面上的三条柱状突起11，三条柱状突起11沿中央圆柱体13的圆周等间隔分布，所述中空聚乙烯圆柱体5-2的内壁上开设有三条柱状凹槽12，三条柱状突起11分别对应镶嵌于三条柱状凹槽12内，圆柱体平台10的下端与弧形板
7相连，所述圆柱体平台10的下底面为锯齿状，球头关节设置于杵窝关节内。

[0046] 所述弧形侧翼板1的两端上开设有螺钉孔2，弧形板7上开设有若干个螺钉孔2（例如，三个呈品字形排列的螺钉孔2）；所述人工寰齿关节还包括设置于弧形侧翼板1以及弧形板7上的螺钉孔内的螺钉8。

[0047] 所述寰椎部件、圆柱体平台10、连接件6、弧形板7以及螺钉8均采用医用钛合金材质；所述杵窝关节与弧形侧翼板1采用一体成型，圆柱体平台10、连接件6以及弧形板7采用一体成型；所述弧形侧翼板1、杵窝关节以及弧形板7的表面均设置有羟基磷灰石涂层。

[0048] 参见图11，寰椎部件中，弧形侧翼板1采用螺钉8通过弧形侧翼板上的螺钉孔2定位于寰椎侧块中点，枢椎部件中，弧形板7采用螺钉8通过弧形板上的螺钉孔2定位于枢椎椎体，实心聚乙烯球头5-1与球窝3相配合，中空聚乙烯圆柱体5-2的外壁与圆台状壳体4的内侧面相配合，不仅使关节具有旋转功能，而且保留了有限的侧屈及前屈后伸功能。

[0049] 实施例

[0050] 参见图1-图10，一种仿生低摩擦人工寰齿关节，包括寰椎部件、枢椎部件及螺钉。所述寰椎部件由位于中间的杵窝关节及与杵窝关节相连接的弧形侧翼组成，弧形侧翼上分别对称设计有螺钉孔；杵窝关节由位于顶端的球窝及位于下方的圆台状壳体组成，圆台状壳体与球窝相连通。所述枢椎部件由上部分的球头关节和下部分的弧形板组成；球头关节由不规则圆柱体平台组件及聚乙烯球头套组合成为一体，所述聚乙烯球头套由上方球头形实心聚乙烯结构（实心聚乙烯球头）以及下方中空圆柱状聚乙烯结构（中空聚乙烯圆柱体）组成，中空圆柱状聚乙烯结构内壁上开设有等间隔分布的三条柱状凹槽，所述不规则圆柱体平台组件由上方不规则圆柱体及下方直径增大的圆柱体平台组成，所述不规则圆柱体由中央圆柱体以及设置于中央圆柱体侧面上的等间隔分布的三条柱状突起组成，三条柱状突起分别对应镶嵌于三条柱状凹槽内，圆柱体平台下底面与骨面接触部分设计为锯齿状结构；弧形板上设计有三个呈品字形排列的螺钉孔。球头关节放置于杵窝关节中，球头形实心聚乙烯结构与球窝相配合，中空圆柱状聚乙烯结构的外壁与圆台状壳体的内侧面相配合。杵窝关节包绕下方的球头关节，球头关节的聚乙烯结构部分分别与球窝以及圆台状壳体的内侧面相配合，可以保证球头关节在杵窝关节中进行旋转运动，且允许球头关节在杵窝关节内进行前屈后伸以及侧屈运动，并进行限制，防止无限制的大幅度活动。所述螺钉分别设于螺钉孔内。

[0051] 杵窝关节顶端球窝的外径半径为10.2mm，内径半径为5.35mm，高度为2.5mm；圆台状壳体上方横截面直径为13mm，下方横截面直径为15mm，圆台高度为10.9mm，圆台外侧壁夹角a为10°，圆台内侧壁夹角b为20°（参见图6）。

[0052] 弧形侧翼由中间的平行部分和两侧的向下弧形部分组成，两侧向下弧形部分的夹角c为160°（参见图7），内缘直径为97.5mm，外缘直径为100mm，总宽度为48mm，高度为10.9mm，厚度为2.5mm。

[0053] 弧形侧翼上的螺钉孔圆心间距离为36mm，螺钉孔半径为3.5mm。弧形侧翼内面涂以羟基磷灰石涂层。

[0054] 杵窝关节与弧形侧翼为一体成型，两部分连接处以半径为1.5mm弧形连接。

[0055] 球头关节顶端半球体（球头形实心聚乙烯结构）的直径为10.7mm，下方连接的中空圆柱状聚乙烯结构总高度为10.9mm，圆柱体平台厚2mm，圆柱体平台上的中央圆柱体直径为6.7mm，柱状突起高1mm，聚乙烯厚2mm，柱状凹槽深1mm，圆柱体平台下底面的齿高度为0.3mm，齿宽度为0.43mm，齿间角度为60°，形成锯齿状骨接触面。

[0056] 弧形板厚度：下方为2mm，上方为3mm，总高度为22.5mm。弧形板的骨接触面与圆柱体平台底面夹角为125°。弧面内侧直径为61mm。弧形板下方为半圆形，直径为18.3mm，弧形板上方宽度为10.7mm，上下方以斜面连接。弧形板内面（骨接触面）涂以羟基磷灰石涂层。

[0057] 弧形板上螺钉孔呈品字形分散，上方螺钉孔位于弧形板中线，垂直于弧形板。下方两个螺钉孔位于中线两侧，螺钉孔距离下方半圆形中心约3mm，分别向内侧倾斜约5°。三个螺钉孔直径为2.7mm。

[0058] 寰椎部件、不规则圆柱体平台组件、弧形板均采用医用钛合金材质；枢椎部件接触骨面部分涂以羟基磷灰石涂层。

[0059] 参见图11，本发明所述仿生低摩擦人工寰齿关节的装配关系如下：球头关节的聚乙烯球头套与钛合金内芯（不规则圆柱体）相套组成一体，整个球头关节放置于杵窝关节内，螺钉分别位于螺钉孔内。杵窝关节与球头关节面均为高度抛光，保证关节在运动过程中较小的摩擦和磨损。寰椎部件的弧形侧翼具有向下向后的弧度，与寰椎前弓的形态相吻合。杵窝关节和球头关节相配合能够保证关节进行旋转活动，侧方的角度能够保证寰枢椎进行侧屈以及前屈后伸的少量运动。钛合金对聚乙烯可以减少摩擦，降低活动撞击声音，设计更合理，更加符合生理状态且易于被患者接受。本发明安装于寰枢椎时，寰椎部件采用螺钉定位于寰椎侧块中点，螺钉与矢状面呈向外的10°夹角；枢椎部件采用螺钉分角度固定，进钉点位于枢椎椎体。

[0060] 总之，本发明所述仿生低摩擦人工寰齿关节由寰椎部件、枢椎部件及螺钉组成。寰椎部件由杵窝关节及弧形侧翼组成，杵窝关节设计为由顶端球窝部分及下方圆台状壳体部分组成，球窝部分直径与下方球头形实心聚乙烯结构的直径相匹配；弧形侧翼两侧各设计有对称的螺钉孔，以螺钉在寰椎侧块固定。枢椎部件分为上下两部分，上部分为替代齿状突的关节部分，包括带有柱状凹槽的聚乙烯球头套和带有柱状突起的钛合金内芯，聚乙烯球头套下方放置在钛合金的圆柱体平台上，圆柱体平台底面与骨面接触部分设计为多齿状结构，增加接触面积，利于骨长入，形成稳定结构。下部分（弧形板）与枢椎椎体前方结构相匹配，其上设计有三个呈品字形排列的螺钉孔，螺钉通过品字形排列的螺钉孔与枢椎椎体相固定。关节与骨面接触处均设计羟基磷灰石涂层，利于骨组织结构长入，增加关节稳定性。本发明在保留寰枢椎旋转功能的前提下，保留了寰枢椎有限的侧屈及屈伸功能，且杵窝关节的设计深度大，减小了脱位的风险，在仿生学上更接近人体生理状态。寰椎和齿状突之间关节为金属对聚乙烯，减少了摩擦和撞击声音，减小了翻修几率，更加易于被患者接受。