CN109481108B - 一种具有侧面孔隙结构的生物陶瓷支架及其制备方法 - Google Patents

Abstract

为解决传统多孔生物陶瓷支架孔隙贯通程度不够、孔隙率不高的问题，本发明提出一种具有侧面孔隙结构的生物陶瓷支架及其制备方法，支架具有筒状结构，该筒状结构由若干第一、第二支架单元交替叠加形成；第一、第二支架单元均包括外框架和内框架及设置在内、外框架间的多个平行肋板；所有肋板上端面与外框架上外框上端面平齐，下端面与外框架下外框下端面平齐；长度方向与内框架相交的肋板，其一侧壁上、下边沿分别与内框架的上、下内框相接，其另一侧壁上、下边沿分别与外框架的上、下外框相接；其余肋板，其两侧壁的上、下边沿均分别与上、下外框相接；第一、第二支架单元的肋板所在平面相交；任意相邻的上、下外框轮廓相同，上、下内框轮廓相同。

Description

一种具有侧面孔隙结构的生物陶瓷支架及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种具有侧面孔隙结构的生物陶瓷支架及其制备方法，应用于人体填充骨骼替换领域。

背景技术

由于外伤、肿瘤切除手术等导致的大块骨缺损，常需植骨修复。传统骨移植方法包括自体骨移植和异体骨移植两种。自体骨移植一般采用患者自身髂骨移植，虽然免疫反应较低，但来源有限，且对供骨区造成了新的创伤，随之产生一些并发症；异体骨移植不受大小形状等限制，但会引起较强的免疫反应，复合时间也较缓慢，且近年来发现其交叉感染及晚期感染率大大增加，来源亦相对有限。组织功能支架是一种重要的替代治疗措施，有望最终解决这个问题。传统的多孔支架制作技术有颗粒滤除法、熔融成型高压气体膨胀法等；其关键性不足是支架孔隙贯通程度不够、孔隙率与孔分布可控性较差，既影响支架性能，也不利于细胞生长和组织血管化。

基于骨组织工程设计的生物陶瓷支架，受成骨细胞、骨诱导和促骨生成因子刺激以及生物力学环境等多重因素影响，对力学强度、孔隙率、孔隙联通程度具有很高的要求。

传统生物陶瓷支架仅沿垂直于支架端面的角度(俯视角度观测面)具有孔隙，支架孔隙率与孔隙联通程度较差，致使细胞在该结构支架中进行吸附、生长速度较慢，不利于人体恢复。

发明内容

为了解决传统多孔生物陶瓷支架孔隙贯通程度不够、孔隙率不高的技术问题，本发明提出了一种具有侧面孔隙结构的生物陶瓷支架及其制备方法。

本发明的技术方案如下：

一种具有侧面孔隙结构的生物陶瓷支架，具有3D打印的筒状结构，

其特殊之处在于：

所述筒状结构由若干个第一支架单元和若干个第二支架单元交替叠加形成；

所述第一支架单元和第二支架单元均包括外框架和内框架以及设置在外框架和内框架之间的多个平行的肋板；

所述外框架包括设置在筒状结构外轮廓处的上外框和下外框；

所述内框架包括设置在筒状结构内轮廓处的上内框和下内框；

所有肋板的上端面与上外框的上端面平齐，所有肋板的下端面与下外框的下端面平齐；长度方向与内框架相交的肋板，其一侧壁上、下边沿分别与内框架的上内框和下内框相接，其另一侧壁上、下边沿分别与外框架的上外框和下外框相接；

其余肋板，其两侧壁的上、下边沿均分别与外框架的上外框和下外框相接；

所述第一支架单元的肋板所在平面和第二支架单元的肋板所在平面相交；

任意相邻的上外框和下外框轮廓相同；

任意相邻的上内框和下内框轮廓相同。

进一步地，每个支架单元中肋板的高度

P为当前支架单元的受力量，k为3D打印所用生物陶瓷材料的弹性系数。

进一步地，每个第一支架单元中相邻两个肋板之间的间距至少为当前支架单元中肋板高度的1.5～2倍；每个第二支架单元中相邻两个肋板之间的间距至少为当前支架单元中肋板高度的1.5～2倍。

进一步地，所述筒状结构的中心轴线为曲线。

进一步地，所述筒状结构为变径筒状结构。

进一步地，所述第一支架单元的肋板和第二支架单元的肋板相互垂直。

本发明同时提供了一种上述生物陶瓷支架的制备方法，其特殊之处在于：

步骤1，将所述生物陶瓷支架的3D模型分割为多个层；

步骤2，将每个层划分为“打印路径”和“非打印路径”；

步骤3，根据第二步划分的路径，生成所述3D模型每一层的路径；

步骤4，根据所述模型路径生成打印代码。

本发明同时提供了上述生物陶瓷支架的另一种制备方法，其特殊之处在于：

步骤1，载入、显示当前待打印3D模型；

步骤2，设置打印参数，包括基础层高、配置层高和基础线宽；其中，配置层高为基础层高的5倍；

步骤3，计算带外壳层高，也即带边框层高；

步骤4，根据基础层高、配置层高和带外壳层高进行模型分层；

步骤5，划分打印属性

根据基础层高、配置层高、带外壳层高，将步骤4分割模型后得到的每一层均划分为“打印路径”和“非打印路径”；

步骤6，根据步骤5划分的打印属性，生成模型路径；

步骤7，根据模型路径生成打印代码，所述打印代码指从第一层到最后一层所有的G-code代码。

进一步地，还包括步骤8，预览切片效果，检查是否每一层都有路径，若都有，则表示切片效果符合要求，则当前模型切片处理结束；若其中一层没有路径，则表示切片效果不符合要求，则转入步骤2修改打印参数后，重新切片。

进一步地，步骤3中是利用有限元受力分析算法计算带外壳层高。

与现有技术相比，本发明的优点：

1、本发明具有侧面孔隙模型结构支架，具有多个方向(垂直、水平方向)的孔隙，从而提高了支架的孔隙率与孔隙联通程度，细胞在该结构中进行吸附、生长速度较快，进而提高了模型与组织细胞相容的速度。

2、本发明的支架结构具有较强的力学强度，每个支架单元的肋板高度根据力学分析确定，既能保证支架具有足够大的孔隙，又能保证支架的力学性能。

附图说明

图1是本发明生物陶瓷支架一具体实施例的3D模型结构示意图；

图2是将本发明生物陶瓷支架的3D模型切片后的第一层至第十五层路径的俯视图及每五层路径叠加后所形成的支架单元示意图；

图3是本发明生物陶瓷支架的制备方法流程图；

图4是将3D模型中某一层路径整体对应其他层路径的受力关系用该层节点处横截面的平均面积表示的示意图；

图5是A1层路径受力分析示意图；

图6是将一个中心点受力且横截面相等的实体等效为弹簧的示意图；

图7是将五层路径视为由五个弹簧串接的模型示意图；

图8是各节点的力平衡图。

图2中标记说明：1-下外框，2-肋板，3-上外框，4-上内框，5-下内框。

具体实施方式

下面结合附图1-8对本发明作进一步说明。

本发明的生物陶瓷支架，通过3D打印成型，具有3D打印的筒状结构；所述筒状结构由若干个第一支架单元和若干个第二支架单元交替叠加形成；第一支架单元和第二支架单元的数量根据实际需求确定；

所述第一支架单元和第二支架单元均包括外框架和内框架以及设置在外框架和内框架之间的多个平行的肋板2；

所述外框架包括设置在筒状结构外轮廓处的上外框3和下外框1；

所述内框架包括设置在筒状结构内轮廓处的上内框4和下内框5；

所有肋板2的上端面与上外框3的上端面平齐，所有肋板2的下端面与下外框1的下端面平齐；长度方向与内框架相交的肋板2，其一侧壁上、下边沿分别与内框架的上内框4和下内框5相接，其另一侧壁上、下边沿分别与外框架的上外框3和下外框1相接；其余肋板2，其两侧壁的上、下边沿均分别与外框架的上外框3和下外框1相接；

所述第一支架单元的肋板所在平面和第二支架单元的肋板所在平面相交；最佳地，第一支架单元的肋板和第二支架单元的肋板相互垂直；

任意相邻的上外框3和下外框1轮廓相同；

任意相邻的上内框4和下内框5轮廓相同。

为了提高孔隙率和孔隙联通程度，每个支架单元(包括第一、第二支架单元)中肋板的高度

P为当前支架单元的受力量，k为3D打印所用生物陶瓷材料的弹性系数。每个第一支架单元中相邻两个肋板之间的间距至少为当前支架单元中肋板高度的1.5～2倍，每个第二支架单元中相邻两个肋板之间的间距至少为当前支架单元中肋板高度的1.5～2倍。

本发明筒状结构的中心轴线可以为直线，也可以为曲线，亦可以为折线，筒状结构的直径可以不变，也可以变化。也就是说本发明的筒状结构可以为直筒状，也可以为变径筒状，也可以为扭曲的筒状。筒状结构的具体形式可根据实际需求设计。

以下结合图1所示生物陶瓷支架的一具体示例，说明利用3D打印技术制备本发明生物陶瓷支架的方法，具体流程参见图3：

步骤1，载入、显示当前待打印3D模型；

步骤2，设置打印参数，包括基础层高、配置层高和基础线宽；其中，配置层高为基础层高的5倍；

步骤3，计算带外壳(边框)层高；

步骤4，根据基础层高、配置层高和带外壳层高进行模型分层；

步骤5，划分打印属性

根据基础层高、配置层高、带外壳层高，将步骤4分割模型后得到的每一层均划分为“打印路径”和“非打印路径”；

步骤6，根据步骤5划分的打印属性，生成模型路径；如图2所示，黑色线条对应“打印路径”，空白部分为“非打印路径”，其中，A处为外框架打印路径(也可称为外壳路径)，B处为肋板打印路径(也可称为填充路径)；第1-5层逐层叠加打印构成图1中3D模型所对应支架的一个第二支架单元，第6-10层逐层叠加打印构成图1中3D模型所对应支架的一个第一支架单元，第11-15层逐层叠加打印构成图1中3D模型所对应支架的另一个第二支架单元；

步骤7，根据模型路径生成打印代码，所述打印代码指从第一层到最后一层所有的G-code代码。

步骤8，预览切片效果，检查是否每一层都有路径，若都有，则表示切片效果符合要求，则当前模型切片处理结束；若其中一层没有路径，则表示切片效果不符合要求，则转入步骤2修改打印参数后，重新切片。

上述步骤3中的带外壳层高(每个支架单元中肋板的高度)可通过“有限元受力分析算法”计算，具体方法如下：

将3D模型某一层路径整体对应其他层路径的受力关系用该层节点处横截面的平均面积表示，如图4所示，假设Height with Shield为五层，这时计算五层路径对应的受力量P。

假设图4中A1层路径对应的平均应力为

为A1层的受力量(可通过万能材料试验机测量得到)，

为A1层对应的受力面积；

由于打印的生物陶瓷材料可作为弹性材料进行分析，所以根据胡克定律，可得

其中E为打印材料的弹性系数，

为A1层路径对应的伸长压缩量。如图5所示，平均应变力为

其中

为A1层路径对应的层高，

为A1层路径对应的伸长压缩量，合并方程可得

合并方程

与弹性材料的方程F＝kx相似，因此一个中心点受力且横截面相等的实体可视为一个弹簧，如图6所示。

A1层的弹性行为可近似由相应的线性弹簧模型论述，合并方程与弹性材料方程相比，其等价弹性系数为

而五层路径可视为由五个弹簧串接起来的模型，如图7所示。

对于每层路径，有如下方程：

其中弹性系数为

各节点的力平衡图如图8所示，其中R₁表示A1层对应的反作用力。节点的力平衡公式如下：

将反作用力R₁与受力量P从中分离出来，重组方程可得：

将方程(3)表示为矩阵形式，并将反作用力与负荷区分开来可得到：

以上形式为：R＝K×u-F，即表示：

反作用力＝刚度×位移-负荷

由于A1层路径下端为固定的，则A1对应的位移量为零，因此方程(4)的第一行应为u₁＝0。应用边界条件将得到如下的矩阵方程：

通过方程(5)，可计算出五层路径对应的受力量P，再通过弹性材料方程F＝kx，k为材料的弹性系数，F为受力量P，从而计算得到带外壳层高(HeightwithShield)x。

Claims (7)

1.一种具有侧面孔隙结构的生物陶瓷支架，具有3D打印的筒状结构，

其特征在于：

所述筒状结构由若干个第一支架单元和若干个第二支架单元交替叠加形成；

所述第一支架单元和第二支架单元均包括外框架和内框架以及设置在外框架和内框架之间的多个平行的肋板；

所述外框架包括设置在筒状结构外轮廓处的上外框和下外框；

所述内框架包括设置在筒状结构内轮廓处的上内框和下内框；

所有肋板的上端面与上外框的上端面平齐，所有肋板的下端面与下外框的下端面平齐；长度方向与内框架相交的肋板，其一侧壁上、下边沿分别与内框架的上内框和下内框相接，其另一侧壁上、下边沿分别与外框架的上外框和下外框相接；

其余肋板，其两侧壁的上、下边沿均分别与外框架的上外框和下外框相接；

所述第一支架单元的肋板所在平面和第二支架单元的肋板所在平面相交；

任意相邻的上外框和下外框轮廓相同；

任意相邻的上内框和下内框轮廓相同；

每个支架单元中肋板的高度

P为当前支架单元的受力量，k为3D打印所用生物陶瓷材料的弹性系数；

每个第一支架单元中相邻两个肋板之间的间距至少为当前支架单元中肋板高度的1.5～2倍；每个第二支架单元中相邻两个肋板之间的间距至少为当前支架单元中肋板高度的1.5～2倍。

2.根据权利要求1所述的具有侧面孔隙结构的生物陶瓷支架，其特征在于：所述筒状结构的中心轴线为曲线。

3.根据权利要求1所述的具有侧面孔隙结构的生物陶瓷支架，其特征在于：所述筒状结构为变径筒状结构。

4.根据权利要求1或2或3所述的具有侧面孔隙结构的生物陶瓷支架，其特征在于：所述第一支架单元的肋板和第二支架单元的肋板相互垂直。

5.权利要求1-4任一所述生物陶瓷支架的制备方法，其特征在于：

步骤1，载入、显示当前待打印3D模型；

步骤2，设置打印参数，包括基础层高、配置层高和基础线宽；其中，配置层高为基础层高的5倍；

步骤3，计算带外壳层高，也即带边框层高；

步骤4，根据基础层高、配置层高和带外壳层高进行模型分层；

步骤5，划分打印属性

根据基础层高、配置层高、带外壳层高，将步骤4模型分层后得到的每一层均划分为“打印路径”和“非打印路径”；

步骤6，根据步骤5划分的打印属性，生成模型路径；

步骤7，根据模型路径生成打印代码，所述打印代码指从第一层到最后一层所有的G-code代码。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：

还包括步骤8，预览切片效果，检查是否每一层都有路径，若都有，则表示切片效果符合要求，则当前模型切片处理结束；若其中一层没有路径，则表示切片效果不符合要求，则转入步骤2修改打印参数后，重新切片。

7.根据权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于：步骤3中是利用有限元受力分析算法计算带外壳层高。

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