柔性多孔植入物固定系统
相关申请的交叉引用
本申请要求2017年12月20日提交的欧洲专利申请号17306847.9的权益。该申请的内容通过引用以其整体并入于此。
技术领域
本公开涉及医学植入物。更具体地，本公开涉及柔性多孔植入物固定系统。
背景技术
多孔或部分多孔的骨植入物可以在某些情况下使用。可能出于各种原因而将它们制成多孔，诸如用于减轻重量、降低导热性、实现与周围骨的机械性能更接近的机械性能和/或允许骨向内生长(ingrowth)以获得更好的固定。
在设计骨植入物以允许骨向内生长以用于更好的固定时，植入物设计人员面临着相互矛盾的要求：一方面，植入物的刚度应当低于周围骨的刚度，另一方面，植入物应当足够强以抵抗意外冲击。
特别地，比周围骨坚硬的植入物可以引起应力遮挡(stress shielding)。应力遮挡是一种现象，在该现象中，植入物承担负荷中的大部分，使得负荷中的较少部分由骨承受。这可能导致骨吸收。换言之，可能发生骨向内生长的相反情况。为了降低多孔植入物的刚度，一个策略是降低多孔结构的密度。
然而，具有较低密度的多孔结构通常也具有降低的强度。这是有害的，因为它增加了在意外负荷下植入物破裂的风险。为了增加多孔植入物的强度，一个策略是增加其多孔结构的密度。
通过引用以其整体并入本文的国际专利申请WO/2017/042366公开了(诸如，在WO/2017/042366的摘要和图8b)一种多孔结构，其允许兼顾两个要求：正常负荷下的低刚度和意外负荷下的高刚度。在一些实施例中，诸如在图13C并且在WO2017/042366的说明书第20页，第15-21行中所描述的，，该多孔结构包括借助于连接元件连接的单元。诸如在WO/2017/042366的说明书的发明内容部分中所描述的，每对相邻的单元具有两个表面，该两个表面在大于正常变形时接触。以这样的方式，连接元件可以被尺寸化成在表面不接触时提供促进骨向内生长所需的低刚度，并且单元可以被设计成在其表面接触时提供承受意外负荷所需的强度，诸如在WO/2017/042366的说明书的发明内容部分所描述的那样。
本文进一步描述了为WO/2017/042366中所描述的植入物和多孔结构(诸如，在WO/2017/042366的说明书的发明内容部分中所描述的)提供进一步新颖且非显而易见的改进的植入物和多孔结构。
附图说明
图1是根据某些方面的具有主体的多孔结构的示例，该主体是具有集成的互锁(interlocking)元件的螺旋棒(bar)。
图2是根据某些方面的具有主体的多孔结构的示例，该主体是具有集成的互锁元件的锯齿形(zig-zag)形状。
图3是根据某些方面的具有主体的多孔结构的示例，该主体是具有集成的互锁元件的穿孔(perforated)板。
图4是根据某些方面的具有主体的多孔结构的示例，该主体是具有集成的互锁元件的穿孔管。在某些方面，图4的主体可以是用于内部多孔结构的外层(skin)。
图5A是根据某些方面的多孔结构的单元的五个主体(例如，多孔单元主体)的示例。
图5B是根据某些方面的多孔结构的互锁元件的示例。
图5C是根据某些方面的多孔结构的连接元件的示例。
图5D是根据某些方面的由图5A至图5C的元件形成的完整多孔结构的示例。
图5E是根据某些方面的多孔结构的两个单元的示例的分解图，每个单元具有主体和互锁元件。
图6是根据某些方面的包括两个单元和柔性连接元件的六边形多孔结构的分解图。在某些方面，图6的多孔结构的柔性连接元件可以构成外层。
图7是根据某些方面的多孔结构的两个单元的示例，该多孔结构的两个单元通过柔性连接元件连接。
图8是根据某些方面的多孔结构的单元的示例，该多孔结构的单元堆叠以形成线性结构并且通过柔性连接元件连接。
图9是根据某些方面的多孔单元的示例，该多孔单元耦合以形成通过柔性连接元件连接的平面结构。
图10是根据某些方面的多孔单元的示例，该多孔单元堆叠并耦合以形成通过柔性连接元件连接的3D结构。
图10A是根据某些方面的脊椎间隔物的示例，该脊椎间隔物是由堆叠、耦合并且通过柔性连接元件连接的多孔单元形成的。
图11是根据某些方面的具有螺旋形多孔结构的螺钉的示例。
图12是图11的螺钉的示例的剖视图。在某些方面，螺钉包括螺钉头、螺钉尖端、外壳和中心芯。
图12A至图12C图示了示例螺钉，其包括柔性多孔结构、以及被配置成切断向内生长的骨的支柱。
图13是根据某些方面的具有被形成为交叉螺旋的多孔结构的螺钉的杆(shaft)的示例。
图14A和图14B是根据某些方面的用于螺钉或螺栓的杆的多孔结构的分离单元的示例。
图14C是根据某些方面的处于互锁位置的图14A和图14B的分离单元的示例。
图14D是根据某些方面的螺旋形连接元件的示例，该螺旋形连接元件具有用于螺钉或螺栓的杆的螺纹。
图14E是根据某些方面的用于螺钉或螺栓的杆的第二螺旋形连接元件的示例。
图14F是根据某些方面的由图14C至图14E的元件形成的螺钉或螺栓的杆的示例。
图15是根据某些方面的具有两个平行螺旋作为多孔结构的螺钉的示例。
图16是根据某些方面的包括多孔结构的关节盂植入物的示例。
图17是根据某些方面的包括多孔结构的关节盂植入物(例如，用于大的骨缺陷)的示例。
图18是根据某些方面的包括多孔结构的股骨植入物的示例。
图19是根据某些方面的包括多孔结构的膝盖植入物的示例。
图20是根据某些方面的包括多孔结构的牙科植入物的示例。
图21A是根据某些方面的用于植入物固定系统的植入物的主体的示例，植入物固定系统用于包括多孔结构的骨(例如，具有小横截面)。
图21B是根据某些方面的用于植入物固定系统的植入物的螺栓的示例，植入物固定系统用于包括多孔结构的骨(例如，具有小横截面)。
图21C是根据某些方面的用于植入物固定系统的植入物的塞件的示例，植入物固定系统用于包括多孔结构的骨(例如，具有小横截面)。
图21D是根据某些方面的用于骨(例如，具有小横截面)的植入物固定系统的示例，该骨包括由图21A至图21C的元件形成的多孔结构。
图22是现有技术的医疗设备的示意图。
图23是用于设计和制造3D对象的系统的示例。
图24图示了图23中所示的计算机的一个示例的功能框图。
图25示出了使用增材制造系统来制造3D对象的高阶过程。
具体实施方式
以下描述和附图针对某些特定实施例。在任何特定上下文中描述的实施例并不旨在将本公开限制为指定的实施例或任何特定用途。本领域技术人员将认识到，所公开的实施例、方面和/或特征不限于任何特定的实施例。例如，在某些方面，对“一个”层、组件、部分等的引用可以指代“一个或多个”。
本文的某些实施例涉及植入物，该植入物与一些其他多孔结构相比具有减小的尺寸，具有分离的单元主体、连接元件、在大的变形时变成接触的元件(例如，互锁元件或变形限制元件)和外层。
例如，本文的某些实施例提供了多孔结构设计，其进一步改进了WO/2017/042366中的设计，诸如，在WO/2017/042366的图13c中并且在说明书中的第20页第15-21行处描述的设计，或者诸如，在图1a至图7、图10a至图17b或图19a至图19d中的任何一者中所示，并且在说明书中的第9页第31行至第15页第18行、第17页第14行至第23页第16行或第25页第4-28行处描述的设计)。特别地，在某些实施例中，代替包括单个单元的结构(诸如，在WO/2017/042366的图13c中并且在说明书中的第20页第15-21行处描述的)，这些单个单元借助于连接元件进行连接、并且具有仅在大的变形时才进行接触的互锁或限制元件，而本文描述的多孔结构的实施例将这些元件中的两个或更多个的元件组合以实现更紧凑的设计。一个示例实施例包括一个或多个单元，它们本身提供了WO/2017/042366中的连接元件的柔性行为(诸如，在WO/2017/042366的图13c中并且在说明书中的第20页第15-21行处描述)，并且内部包括两个或更多个元件，该两个或更多个元件限制变形并且有助于机械强度。换言之，该单元的主体同时用作连接元件并且可选地甚至用作外层。限制元件可以是在一定程度的变形时接触的解耦元件，诸如用于限制压缩的相对元件和用于限制延伸的互锁元件。对压缩和延伸的限制的组合可以通过设计如下互锁元件来获得，该互锁元件在过度延伸时会相互接触，并且在过度压缩时会与单元的主体接触。其他实施例是可能的。
这种单元的示例实施例可以具有诸如单元100(图1)的螺旋形状、诸如单元200(图2)的锯齿形形状、诸如单元300(图3，例如蜂窝状)的穿孔结构、诸如单元200或300(图2或图3)的板状或诸如单元100或400(图1或图4)的管状。诸如三维结构、分层结构、拉胀(auxetic)结构、棱柱结构、波浪形设计、卷曲设计、阶梯形设计、台阶形设计、波纹形(corrugated)设计等的其他形状也是可能的实施例。图1至图4中也示出了限制元件104、204、304、404的示例。
另一个示例实施例将外外层与连接元件的功能组合在一起，同时维持可标识的单元主体。可以在图5至图10中看到这种实施例的示例。
图5A至图5E示出了一个示例，其中单元主体502采取穿孔盘502(图5A)的形状。盘502之间是互锁元件504(图5B)，互锁元件504被配置成彼此互锁，并且由此可移动地耦合单元主体502。在每对互锁元件504中，一个互锁元件被附接到一对相邻单元主体502的一个单元主体502，另一个互锁元件被附接到该一对相邻单元主体502的另一个单元主体502。图5E示出了具有两个单元主体502与它们的互锁元件504的分解图。在这种情况下，互锁元件504具有分层设计，该分层设计具有两层508，但是其他设计或具有单层或多于两层的设计也是可能的。相邻互锁元件504的层508可以在彼此之间互相插入，以可移动地耦合相邻单元主体502。在正常负荷下，相邻单元主体502的这些互锁元件504不会变成彼此接触。在意外负荷下，比正常大的变形使互锁元件504接触，以使得它们有助于多孔结构500的强度。将单元主体502连接的连接元件506还充当外层506(图5C)。该外层506被设计成提供在所期望的范围内的柔性。在图5C所示的示例中，所期望的柔性是通过处于交错(staggered)配置的狭缝形穿孔来实现的。连接元件506的其他设计是可能的，诸如类似弹簧的设计，或图1和图4的设计——其具有或没有附加的互锁元件(例如，互锁元件104、204、304、404等)。图5D示出了图5A至图5C的元件的组装。图5A至图5E的示例具有圆形横截面和柱形形状，但是横截面和纵向形状两者可以被调整以适应医疗设备的目的。该示例尤其适于骨缺陷填充植入物的设计，特别是适于用于细长骨(诸如，桡骨、尺骨、肱骨、股骨、胫骨、腓骨、肋骨、锁骨、下颌骨、指骨、掌骨和跖骨)的骨缺陷填充植入物。
在图6至8中示出了具有不同横截面的类似结构600的示例。例如，结构600包括单元主体602、互锁元件604、层608和连接元件606。该示例的不同元件遵循与图5A至图5E的示例相同的原理。然而，该示例具有多边形横截面，特别地六边形横截面。具有更规则的形状的横截面(诸如，三角形、矩形、正方形、六边形等)允许多孔结构的重复单元形成板状结构(诸如，可以在图9中看到的板状结构900)或形成多孔结构的体积(诸如，可以在图10中看到的多孔结构的体积1000)。这种板状结构可以被成形以覆盖植入物的骨接触表面。备选地，这种板状结构可以被成形以形成诸如颅骨板的板状植入物的主体。多孔结构的体积可以被成形或修整以形成植入物的主体或主体的一部分，诸如图10A的脊椎间隔物1005、图17的关节盂植入物1700或其他植入物(诸如，骨缺陷填充植入物)。
图22中所示的现有技术的植入物9通过端部部分10和11连接到骨。这些端部部分虽然也是多孔的，但这些端部部分在许多固定螺钉孔12周围需要如此多的加强，使得这些端部部分在针对植入物9的其他部分为目标的正常负荷处可能无法实现低刚度。这可能是有问题的，因为骨-植入物接口——即，骨已经被切割处的截骨平面——未承载，并且所有负荷都经由较硬的端部和较硬的固定螺钉而重新导向到骨的侧面。换言之，在骨-植入物接口处的骨向内生长比人们期望的要少。
本文的某些实施例提供了一种固定系统，其具有与WO/2017/042366的多孔结构(诸如，在图1a至图7、图10a至图17b或图19a至图19d中的任何一者中所示，并且在说明书中的第9页第31行至第15页第18行、第17页第14行至第23页第16行或第25页第4-28行处描述的)类似的机械性能：在正常负荷下刚性较低，而在较高(即意外)负荷下强度较高。为了实现该行为，在某些实施例中，固定系统使用根据WO/2017/042366的内部结构(诸如，在图1a至图7、图10a至图17b或图19a至图19d中的任何一者中所示，并且在说明书中的第9页第31行至第15页第18行、第17页第14行至第23页第16行或第25页第4-28行处描述的)、根据本文描述实施例的内部结构，或二者的组合。在某些实施例中，固定系统包括一个或多个主杆(stem)、钉、螺钉和/或螺栓，并且可选地包括一个或多个塞件(plug)。
根据WO/2017/042366的多孔结构(诸如，在图1a至图7、图10a至图17b或图19a至图19d中的任何一个中所示，并且在说明书中的第9页第31行至第15页第18行、第17页第14行至第23页第16行或第25页第4-28行处描述的)或根据本文描述的实施例的多孔结构，主杆、钉、螺钉和/或螺栓可以具有内部结构。
在一些实施例中，主杆、钉、螺钉和/或螺栓的杆具有外壳和内芯。在某些实施例中，外壳可以具有根据图1的螺旋设计的结构。在螺钉或螺栓的情况下，螺纹可以跟随螺旋。在图11至图12中示出了这种螺钉1100的一个示例。如所示的，外壳包括具有螺纹1104和互锁元件1106的螺旋主体1102。不幸的是，由于外壳是螺旋形的，因此外壳几乎不提供扭转阻力直到互锁元件1106接触。然而，在一些实施例中，扭转刚度可以通过具有如图12中所示的内芯来增加，该内芯包括纵向滑动元件1108，一些纵向滑动元件1108连接到螺钉头部1110，一些连接到螺钉尖端1112，这防止了头部1110与尖端1112之间的扭转。
在某些实施例中，钉、螺钉和/或螺栓的杆具有外壳，该外壳具有根据图4的交叉螺旋设计的结构(例如，两个或更多个的螺旋是可能的，诸如，如图13中所示的具有螺旋1302和1304的螺钉1300)。然后，螺纹可以跟随一个螺旋。在该实施例中，交叉螺旋的存在提供了扭转刚度。中心芯可以保持敞开、可以利用图12的滑动元件1108填充，或者可以以另一方式填充(例如，利用多孔结构填充)。在某些实施例中，在正常负荷下，中心芯不防止螺旋主体的压缩和延伸。一个示例是多孔结构，该多孔结构包括从外壳朝向内延伸的多个相互断开连接的元件。
如图14A至图14F中所图示的，另一个实施例可以具有占据外壳的单个螺旋主体(例如，如图14D或图14E中所示的螺旋主体1402或1404)或交叉螺旋主体(例如，如图14F中所示的螺旋主体1402和1404)，并且具有占据内芯的互锁元件1406。
另一个实施例可以具有两个平行的螺旋(例如，螺旋1502和1504)，如图15中所示的螺钉1500中，两个平行的螺旋以交错配置的间隔1506连接。该设计限制了在意外负荷时的压缩，而非延伸。
根据一个实施例的螺钉的特定示例是如可以在图20中看到的牙科植入物2000。牙科植入物的杆可以具有之前实施例的任何结构。在牙科植入物中，由于口腔中存在的细菌引起的感染被认为是骨质流失的原因。因此，为植入物提供抗菌涂层和/或在植入物从骨突出之处提供杆的坚固、光滑部分可以是合适的。
对于某些植入物，植入物与骨之间的负荷是通过剪切应力传输的，这对骨不是自然的。骨主要能够承受压缩负荷。在固定螺钉周围局限化的剪切应力可能导致对骨的损伤。
如所讨论的，在某些实施例中，诸如图11至图12中所示，螺钉包括柔性多孔结构(例如，图1的螺旋设计)，其促进骨向内生长到螺钉中，这可以帮助固定。但是，在某些情况(诸如，翻修手术)下，可能期望的是，在插入骨中之后，从骨中移除/取出螺钉。还可期望的是，减少在移除螺钉时对骨造成的损伤。因此，本文的某些实施例提供一个或多个支柱(strut)，该一个或多个支柱沿着被配置有锋利边缘的柔性多孔结构。锋利的边缘被定位成使得随着螺钉被旋转(例如，逆时针旋转)以便从骨中取出螺钉，锋利的边缘切割或切断向内生长到螺钉中的骨，由此允许螺钉被更利索地取出，并且对骨造成附加伤害的机会较小。在某些方面，被切断的向内生长的骨可以落到螺钉中，并且因此连同螺钉一起被取出。
图12A至图12C图示了示例螺钉，该示例螺钉包括柔性多孔结构、以及被配置成切断向内生长的骨的支柱。如所示的，螺钉包括围绕螺钉的第一螺旋结构1202(例如，在螺钉的罩上)，该螺钉包括螺纹。螺钉还包括第二螺旋结构1204，第二螺旋结构1204包括多个支柱1206。如所示的，支柱1206沿着螺钉的长度形成(例如，对应于纵向支柱)。根据任何数目的适当设计，支柱1206的边缘可以形成为锋利的边缘(例如，如图12B和图12C中更清楚地示出的)。因此，随着螺钉被旋转并且从骨中取出，螺旋结构1202和1204在一腔中滑动通过骨，螺钉在骨中最初占据该腔，并且支柱1206进一步与已经长入螺钉的多孔结构的开孔中的骨碰撞。在该取出过程中，支柱1206的锋利边缘将骨切断，从而允许支柱1206移动通过骨。
在某些方面，如图12中的各个实施例中所示，支柱的横截面可以具有70度的角度、更低的角度、更高的角度等。在某些方面，支柱1206中的一些或所有支柱和/或针对不同螺钉设计(例如，诸如图11至图15中的设计)的附加支柱包括这种锋利的边缘。
在一些实施例中，固定系统用于将植入物附接到患者的解剖部分(例如，骨)。为了克服上述缺点，固定系统可以根据在植入物/解剖接口处预期的主要负荷来设计。骨例如塑造(model)自我以承受主要应力。在某些实施例中，植入物可以被设计成具有的与骨的一接口，该接口基本上垂直于这些主要应力的方向，以便有效地将负荷从骨传递到植入物。在某些实施例中，固定系统还被设计成维持负荷在接口处的传递，并且不将负荷转移到另一位置或不将负荷转换成其他类型的负荷(例如，从压缩/拉伸到剪切)。因此，将钉、螺钉和/或螺栓可以垂直地应用于植入物/解剖接口。
植入物固定系统的一个实施例是诸如可以在针对关节盂植入物1600的图16中看到的附接到植入物的钉或棒。在一个实施例中，植入物1600具有固体金属芯1610、用于螺钉插入的穿孔1602、用于骨向内生长的多孔层1604，以及用于稳定和固定的多孔钉1608。为了避免应力遮挡并且为了促进骨向内生长，对于钉1608、多孔层1604(这里被描述为规则的多孔结构)和/或固定螺钉(未在图中示出)，可以使用本文描述或WO/2017/042366(诸如，在图1a至图7、图10a至图17b或图19a至图19d中的任何一个中所示，并且在说明书中的第9页第31行至第15页第18行、第17页第14行至第23页第16行或第25页第4-28行处描述的)的多孔结构中的一个多孔结构。
植入物固定系统的另一个示例实施例是诸如图17中可以看到的关节盂植入物1700和如图11至图15中可以看到的一个或多个螺钉的组合。在一个实施例中，关节盂植入物1700具有固体金属基底1710、根据本发明的其他方面、并且可以适于大的骨缺陷的多孔结构1704。多孔结构1704被定向成适应关节盂处的主要负荷。在侧面1712处，植入物1700具有光滑的壁，以避免肌肉、腱、神经和血管在其在表面之上移动时受到损伤或刺激。
另一个示例实施例是如可以在图18中看到的股骨植入物1800。在一个实施例中，图5的结构506被应用于植入物1800的主杆的一部分。这样，主杆可以被设计成足够柔性以避免应力遮挡并且促进骨向内生长，同时又足够坚固以承受意外负荷。
另一个示例实施例是如可以在图19中看到的膝关节植入物1900。在一个实施例中，如所示的，膝关节植入物1900包括金属股骨组件1902、金属胫骨组件1904和聚合物间隔物(未示出)。每个金属组件具有固体金属芯1906/1908、一个或多个面向骨的表面1910/1912以及一个或多个钉1914/1916。钉1914/1916可以是柱形、锥形、鳍状或任何其他合适的形状。为了促进向内生长，面向骨的表面1910/1912可以被覆盖在多孔结构中。多孔结构可以是规则结构(例如，如本领域中已知的重复的单位单元)、根据WO/2017/042366的结构(诸如，在图1a至图7、图10a至图17b或图19a至图19d中的任何一个中所示，并且在说明书中的第9页第31行至第15页第18行、第17页第14行至第23页第16行或第25页第4-28行处描述的)或根据本文讨论的实施例的结构。该结构可以被定向为适应主要的负载方向。为了促进骨向内生长并且防止应力遮挡，钉可以被设计成包括以下多孔结构中的一个多孔结构：诸如，在WO/2017/042366的图1a至图7、图10a至图17b或图19a至图19d中的任何一个中所示，并且在说明书中的第9页第31行至第15页第18行、第17页第14行至第23页第16行或第25页第4-28行处描述的多孔结构，或者本文讨论的实施例中的多孔结构。
一个实施例(诸如，图21D中所示)提供了用于细长骨(诸如，下颌骨、股骨的骨干、胫骨、腓骨、肱骨、桡骨、尺骨、肋骨、锁骨、掌骨、跖骨、指骨)的固定系统2100。特别地，在具有较小横截面的骨中，利用如下固定系统来固定置换骨的植入物可能是一个挑战：该固定系统具有垂直于骨的轴线的接口、以及基本平行于骨的轴线的固定螺钉。根据该实施例，植入物固定系统2100包括以下元件：
-主体2102，如图21A中所示。该主体2102代替骨的一部分。在一个实施例中，主体2102具有根据WO/2017/042366(诸如，在图1a至图7、图10a至图17b或图19a至图19d中的任何一个中所示，并且在说明书中的第9页第31行至第15页第18行、第17页第14行至第23页第16行或第25页第4-28行处描述的)或根据本申请公开的实施例的多孔结构。主体2102具有与骨的接口2104，该接口2104基本上垂直于骨的轴线。主体2102包括连接元件2103，连接元件2103将接口2104连接到螺栓或螺钉容纳元件2105。接口2104与容纳元件2105之间的空间形成了用于螺栓或螺钉位于其内的容积。
-螺栓或螺钉2106，如图21B中所示。为了克服有限尺寸的挑战并且仍然能够使螺栓或螺钉2106在骨/植入物接口内对准并且基本平行于骨的轴线，螺栓或螺钉2106的头部2110可以位于主体2102的容积内。接口2104和容纳元件2105限制了在与螺栓或螺钉2106的骨的轴线垂直的方向上的移动。主体2102可以具有开孔2108，开孔2108进一步沿着螺栓或螺钉2106的轴线延伸，以允许螺丝刀的插入。备选地，可以使螺栓或螺钉2106的头部2110从该侧可接入，使得螺栓或螺钉2106可以利用扳手或利用销钉来固定，该销钉可以抓住螺栓或螺钉2106的头部2110的一系列开孔2112的头部2110。在一个实施例中，螺栓或螺钉2106具有如上面针对主杆、钉和螺钉所示的多孔结构。
-可选地如图21C中所示的塞件2120。特别地，当没有空间为螺丝刀提供开孔2108，并且螺栓或螺钉2106需要从侧面紧固时，外科医生难以在螺栓或螺钉2106上施加足够的压力以将其驱动到骨中。因此，在一个实施例中，植入物固定系统还包括塞件2120。用于塞件2120的孔可以诸如使用(患者特定的)钻子引导器而被预先钻出。然后，塞件2120可以例如手动地或使用锤子而被插入孔中。塞件2120包括外部特征2122以限制旋转(例如，平行于塞件的轴线的鳍)。塞件2120还包括用以在植入物被固定到骨时防止取出的至少一个元件。这可以是如下的一个或多个元件：在螺栓2106被驱动到塞件2120中时，该一个或多个元件被向外推出。备选地，至少一个元件可以是与塞件2120的轴线成90度角插入的一个或多个锚定螺钉或钉(如从髓内钉已知的)。在一个实施例中，塞件2120具有如上面针对主杆、钉和螺钉所示的多孔结构。
使用螺栓2106和塞件2120的一个优点是，塞件2120可以被设计为配合骨的形状。例如，塞件2120可以被给予最适于骨的横截面的直径。例如，塞件2120可以被尺寸化(dimensioned)成配合在骨的皮质的壁之间。
使用其中(例如，所有)元件具有如本文描述的多孔结构的植入物固定系统的一个重要优点在于，不仅植入物的设计促进骨向内生长，而且固定系统也促进骨向内生长。
某些实施例提供了用于植入骨中的柔性多孔结构。在某些实施例中，该结构包括螺旋结构，该螺旋结构诸如在图1、图4、图5C、图5D、图6至图13、图14D至图16、图19或图20中的任何一个中所示的。此外，诸如在图1、图4、图5A、图5B、图5D至图16、图19或图20中的任何一个中所示的，该结构包括被耦合到螺旋结构的多个互锁元件，螺旋结构被配置成连接多个互锁元件。多个互锁元件中的每个互锁元件被配置成：当处于中性位置(neutral)时，在互锁元件和螺旋结构之间具有空间，并且在互锁元件与相邻的互锁元件之间具有空间。多个互锁元件被配置成：当压缩力被施加给柔性多孔结构时，接触螺旋结构，由此限制螺旋结构的压缩。多个互锁元件被配置成：当延伸力被施加给柔性多孔结构时，接触相邻的互锁元件，由此限制螺旋结构的延伸。
在某些实施例中，诸如在图1、图4、图11至图13或图15中所示的，螺旋结构和多个互锁元件形成中空柱体的表面。在某些实施例中，诸如图1、图11或图12中所示的，多个互锁元件中的每个互锁元件包括T形结构，并且相邻的互锁元件以彼此镜像的方式被定向。
在某些实施例中，诸如图5A至图10或图14F中所示的，螺旋结构形成柱体的表面，并且多个互锁元件被定位在柱体的内部。
在某些实施例中，诸如图11至图15或图20中所示的，柔性多孔结构包括螺钉，其中螺旋结构包括螺钉的外壳。在某些实施例中，诸如图11至图15或图20中所示的，螺钉包括形成在外壳上的螺纹。在某些实施例中，诸如图11至图12C、图15或图20中所示的，螺纹与螺旋结构对准。在某些实施例中，诸如图13中所示的，螺纹与螺旋结构形成交叉螺旋设计。
在某些实施例中，螺钉包括内芯，内芯包括多个滑动元件，多个滑动元件包括：第一滑动元件和第二滑动元件，第一滑动元件被耦合到螺钉的头部，并且第二滑动元件被耦合到螺钉的尖端，其中：多个滑动元件被配置成：当处于中性位置时，具有在第一滑动元件与第二滑动元件之间的空间，并且第一滑动元件被配置成：当力(例如，压缩力、扭转力等)被施加给柔性多孔结构时，接触第二滑动元件，由此限制螺旋结构的压缩和/或扭转，诸如图12中所示的那样。在某些这种方面，第一滑动元件和第二滑动元件被配置成抵抗螺钉围绕螺钉的纵向轴线的扭转。
在某些实施例中，螺钉包括内芯，内芯包括多个滑动元件，多个滑动元件包括第一滑动元件和第二滑动元件，第一滑动元件被耦合到螺钉的头部，第二滑动元件被耦合到螺钉的尖端，其中：第一滑动元件和第二滑动元件被配置成沿着螺钉的纵向轴线相对于彼此滑动，诸如图12中所示的那样。在某些这种方面，第一滑动元件和第二滑动元件被配置成抵抗螺钉绕纵向轴线的扭转。
在某些实施例中，诸如图12A至图12C中所示的螺旋结构包括至少一个支柱(例如，沿着螺钉的长度形成)，该至少一个支柱包括锋利的边缘。
某些实施例提供了一种植入物固定系统，该植入物固定系统包括主体，该主体包括多孔结构，该主体被配置成垂直于骨的轴线地与骨接合，诸如图21A中所示的那样。植入物固定系统还包括螺钉，螺钉包括头部，诸如图21B中所示的那样。诸如图21D中所示的，头部被配置成位于主体的容积内，而螺钉的一部分延伸远离主体。主体被配置成限制头部在主体内沿着骨的轴线的移动。
在某些实施例中，植入物固定系统还包括塞件，塞件被配置成容纳螺钉的一部分，其中塞件被配置成被插入在被形成在骨中的孔中，诸如图21C中所示的那样。在某些实施例中，诸如图21C中所示的，塞件包括被配置成限制塞件在孔中的旋转的外部特征。在某些实施例中，诸如图21D中所示的，头部包括第二多孔结构。
在某些方面，本文描述的实施例，诸如植入物、多孔结构、柔性多孔植入物固定系统等可以使用增材制造AM过程来制造。
AM过程是一种用以构建部件的材料添加图鉴，通常从液态、固态片材或粉末形式的基础材料开始，并且以逐层的方式局部地加固所添加的材料。自第一种AM过程在1990年代初期出现以来，AM过程已经被用作传统材料移除技术(诸如，铣削、切割或钻孔或模制技术(诸如，注射成型或挤压成型))的备选，并且已经展示出在如下方面中特别有效：在相对短时间内生产复杂部件而无需专用工具(诸如，模具(mold)或压膜(die))。
最著名的AM技术包括立体光刻(SLA)、3D打印(3D-P)、选择性激光烧结(SLS)、选择性热烧结(SHS)、选择性激光熔化(SLM)、直接金属激光烧结(DMLS)、激光束熔化(LBM)和电子束熔化(EBM)。这些技术根据用于使部件各层固定的工具，并且根据该技术中可以使用的材料而变化。
可以使用各种增材制造和/或三维(3D)打印系统和技术来执行本文描述的系统和方法。通常，增材制造技术从要形成的3D对象的数字表示(例如，CAD文件(诸如，STL、DWG、DXF等)、基于网格的模型、基于体素的模型等)开始。通常，数字表示被分成一系列横截面层(例如，垂直于Z方向，意味着平行于构建平台)或“切片”，其被重叠以形成作为一整体的对象。各层表示3D对象，并且可以使用由计算设备执行的增材制造建模软件来生成。例如，软件可以包括计算机辅助设计和制造(CAD/CAM)软件。关于3D对象的横截面层的信息可以被存储为横截面数据。增材制造(例如，3D打印)机器或系统利用该横截面数据以用于逐层构建3D对象的目的。因此，增材制造允许直接从对象的计算机生成的数据(诸如，计算机辅助设计(CAD)文件或STL文件)来制备3D对象。增材制造提供了快速制造简单部件和复杂部件的能力，而无需使用工具，并且无需对不同的部件的组装。
增材制造过程通常包括：从能量源(例如，激光、电子束等)提供能量，以固化(例如，聚合)构建材料(例如，塑料、金属等)的层。例如，增材制造机器可以基于作业文件，选择性地将来自能量源的能量施加到(例如，扫描)构建材料。作业文件可以包括关于如下的信息：将要使用增材制造过程构建的一个或多个对象的数字表示的切片。例如，由CAD文件表示的3D对象可以被布置在与增材制造设备的构建体积相对应的虚拟构建体积中。可选地，支撑结构可以被添加到虚拟构建体积中的3D对象(例如，以改善构建质量、散热、减少变形等)。如所讨论的，所得的3D对象可以被划分成层或切片。因此，作业文件可以包括3D对象的切片(例如，切片的堆叠)，以及用于构建3D对象的增材制造机器的参数。
例如，对于每个切片，作业文件可以包括关于扫描图案的信息，扫描图案用于使能量源将能量施加到(例如，施加激光扫描、施加电子束扫描等)与该切片对应的构建材料的物理层。应当注意，如本文所讨论的，术语切片和层可以互换使用。扫描图案可以包括一个或多个矢量，每个矢量指示用以将能量施加到构建材料的层的空间位置、以及用以将能量施加到构建材料的方向(例如，在扫描时用以在构建材料之上移动激光束、电子束或其他能源的方向)。
增材制造机器根据如作业文件中指示的针对每个单独层的扫描图案，通过向构建材料的层施加能量(例如，扫描)来逐层构建对象。例如，增材制造机器可以根据针对第一切片的扫描图案，来扫描与对象的数字表示的第一切片相对应的物理构建材料的第一层。然后，增材制造机器可以根据针对第二切片的扫描图案，来扫描与邻近第一切片的第二切片相对应的构建材料的第二层。增材制造机继续扫描与作业文件中所有切片对应的构建材料的层，直到与最后一个切片对应的层被扫描过为止。
本发明的实施例可以在用于设计和制造3D对象的系统内实践。转到图23，适于实施3D对象设计和制造的计算机环境的示例被示出了。该环境包括系统2300。系统2300包括一个或多个计算机2302a-2302d，其可以是例如能够处理信息的任何工作站、服务器或其他计算设备。在一些方面，计算机2302a-2302d中的每个计算机可以通过任何适当的通信技术(例如，互联网协议)连接到网络2305(例如，互联网)。因此，计算机2302a-2302d可以经由网络2305在彼此之间传输和接收信息(例如，3-D对象的软件的数字表示，用以操作增材制造设备的命令或指令等)。
系统2300还包括一个或多个增材制造设备(例如，3-D打印机)23025a-23025b。如所示的，增材制造设备23025a直接连接到计算机2302d(并且通过计算机2302d，经由网络2305连接到计算机2302a-2302c)，并且增材制造设备23025b经由网络2305连接到计算机2302a-2302d。因此，本领域技术人员将理解，增材制造设备23025可以直接连接到计算机2302，经由网络2305连接到计算机2302，和/或经由另一个计算机2302和网络2305连接到计算机2302。
应当注意，尽管关于网络和一个或多个计算机描述了系统2300，但是本文描述的技术也适用于单个计算机2302，单个计算机2302可以直接连接到增材制造设备23025。计算机2302a-2302d中的任何一个计算机可以被配置成用作关于图1至图21描述的计算设备。此外，计算机2302a-2302d中的任何一个计算机可以被配置成执行本文描述的操作。
图24图示了图23的计算机的一个示例的功能框图。计算机2302a包括与存储器2420进行数据通信的处理器2410、输入设备2430和输出设备2440。在一些实施例中，处理器还与可选的网络接口卡2490进行数据通信。尽管分开地进行描述，但应当理解，关于计算机2302a描述的功能块不必是分离的结构元件。例如，处理器2410和存储器2420可以被实施在单个芯片中。
处理器2410可以是通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其他可编程逻辑设备、离散门或晶体管逻辑、分立的硬件组件或被设计成执行本文描述的功能的其任何合适的组合。处理器也可以被实施成计算设备的组合，例如，DSP和微处理器的组合、多个微处理器、与DSP核结合的一个或多个微处理器，或任何其他这种配置。
处理器2410可以经由一个或多个总线被耦合，以从存储器2420读取信息或向存储器2420写入信息。处理器可以附加地或备选地包含存储器，诸如处理器寄存器。存储器2420可以包括处理器高速缓存，处理器高速缓存包括多级别分层高速缓存，其中不同级别具有不同的容量和访问速度。存储器2420还可以包括随机存取存储器(RAM)、其他易失性存储设备或非易失性存储设备。存储设备可以包括硬盘驱动器、光盘(诸如，压缩盘(CD)或数字视频盘(DVD))、闪存、软盘、磁带和Zip驱动器。
处理器2410还可以耦合到输入设备2430和输出设备2440，以用于分别从计算机2302a的用户接收输入以及向计算机2302a的用户提供输出。合适的输入设备包括但不限于：键盘、按钮、按键、开关、指点设备、鼠标、操纵杆、遥控器、红外探测器、条形码读取器、扫描器、摄像机(可能与视频处理软件耦合以例如检测手势或面部姿态)、移动检测器或麦克风(可能耦合到音频处理软件以例如检测语音命令)。合适的输出设备包括但不限于视觉输出设备(包括显示器和打印机)、音频输出设备(包括扬声器、头戴式耳机、耳机和警报器)、增材制造设备和触觉输出设备。
处理器2410还可以耦合到网络接口卡2490。网络接口卡2490准备由处理器2410生成的数据，以用于根据一个或多个数据传输协议经由网络进行传输。网络接口卡2490还根据一个或多个数据传输协议对经由网络接收的数据进行解码。网络接口卡2490可以包括发射器、接收器或两者。在其他实施例中，发射器和接收器可以是两个分开的组件。网络接口卡2490可以被实施为被设计成执行本文描述的功能的通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其他可编程逻辑设备、离散门或晶体管逻辑、分立的硬件组件或其任何合适的组合。
图25图示了用于制造3-D对象或设备的过程2500。如所示的，在步骤2505处，使用诸如计算机2302a的计算机来设计对象的数字表示。例如，2-D或3-D数据可以被输入到计算机2302a，以用于辅助设计3-D对象的数字表示。在步骤2510处继续，将信息从计算机2302a发送到增材制造设备，诸如增材制造设备23025，并且设备23025根据所接收的信息开始制造过程。在步骤2515处，增材制造设备25025使用诸如液态树脂的合适材料来继续制造3-D对象。在步骤2520处，对象最终被构建。
这些合适的材料可以包括但不限于：光聚合物树脂、聚氨酯、甲基丙烯酸甲酯-丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、可再吸收材料(诸如，聚合物-陶瓷复合材料)、金属、金属合金等。商业上可获得的材料的示例是：来自DSMSomos的
本文公开的各种实施例提供了对在计算设备上执行的计算机软件的使用。本领域技术人员将容易意识到，可以使用许多不同类型的计算设备来实施这些实施例，包括通用和/或专用计算系统环境或配置两者。可以适合结合上面阐述的实施例使用的公知的计算系统、环境和/或配置的示例可以包括但不限于个人计算机、服务器计算机、手持式或膝上型设备、多处理器系统、基于微处理器的系统、可编程消费电子产品、网络PC、小型计算机、大型计算机、包括上述任何系统或设备的分布式计算环境等。这些设备可以包括所存储的指令，当所存储的指令由计算设备中的微处理器执行时，使计算机设备执行指定的动作以实施指令。如本文所使用的，指令指代用于在系统中处理信息的计算机实施的步骤。指令可以以软件、固件或硬件实施，并且可以包括由系统的组件承担的任何类型的编程步骤。
微处理器可以是任何常规的通用单芯片或多芯片微处理器，诸如
本文公开的本发明的方面和实施例可以使用用以产生软件、固件、硬件或其任何组合的标准编程或工程技术而被实施成一种方法、一种装置或一种制品。如本文所使用的，术语“制品”是指被实施在硬件或非易失性计算机可读介质(诸如，光学存储设备)以及易失性或非易失性存储器设备或暂态计算机可读介质(诸如，信号、载波)中的代码或逻辑。这种硬件可以包括但不限于现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、复杂可编程逻辑设备(CPLD)、可编程逻辑阵列(PLA)、微处理器或其他类似的处理设备。
本文公开的各种实施例可以使用计算机或计算机控制系统实施。本领域技术人员将容易意识到，可以使用许多不同类型的计算设备来实施这些实施例，包括通用和专用计算系统环境或配置两者。可以适合结合上面阐述的实施例使用的公知的计算系统、环境和/或配置的示例可以包括但不限于个人计算机、服务器计算机、手持式或膝上型设备、多处理器系统、基于微处理器的系统、可编程消费电子产品、网络PC、小型计算机、大型计算机、包括上述任何系统或设备的分布式计算环境等。这些设备可以包括所存储的指令，当所存储的指令由计算设备中的微处理器执行时，使计算机设备执行指定的动作以实施指令。如本文所使用的，指令指代用于在系统中处理信息的计算机实施的步骤。指令可以以软件、固件或硬件实施，并且可以包括由系统的组件承担的任何类型的编程步骤。
微处理器可以是任何常规的通用单芯片或多芯片微处理器，诸如
本文公开的本发明的方面和实施例可以使用用以产生软件、固件、硬件或其任何组合标准编程或工程技术而被实施成一种方法、一种装置或一种制品。如本文所使用的，术语“制品”是指被实施在硬件或非易失性计算机可读介质(诸如，光学存储设备)以及易失性或非易失性存储器设备或暂态计算机可读介质(诸如，信号、载波)中的代码或逻辑。这种硬件可以包括但不限于现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、复杂可编程逻辑设备(CPLD)、可编程逻辑阵列(PLA)、微处理器或其他类似的处理设备。
