CN109893302A - 具有负泊松比效应的半月板植入体 - Google Patents

Abstract

本专利公布了一种具有负泊松比效应的半月板植入体，以改善现有半月板结构设计的不足。本发明的突出特点是将负泊松比多孔结构引入到半月板设计中，利用其褶皱、内凹的多孔拓扑结构特点和在冲击载荷作用下较低变形刚度、较高屈服强度的优异力学性能来增加半月板的生物相容性、恢复其生物力学功能，最终达到半月板修复重建的目的。本发明的半月板设计过程中可以实现孔隙率、孔径、强度、泊松比、抗冲击性能可控设计，在保障物质传输的同时使其拓扑结构、生物力学功能，在外载荷的作用下与生理环境更匹配，可实现半月板结构和功能重建。所设计的半月板可由3D打印实体制造，可依据不同临床需要选择可降解或不可降解生物材料，具有广泛的应用前景。

Description

具有负泊松比效应的半月板植入体

技术领域

本发明应用于骨科医疗器械领域，特别涉及一种具有负泊松比效应的半月板植入体。

背景技术

半月板是膝关节重要的组成部分，其位于股骨与胫骨之间，是一对外缘厚、内缘薄的楔形半月状的多孔纤维软骨。半月板的楔形填充，使胫、股接触面积扩大，在日常膝关节运动中可以起到稳定关节、传导负荷的作用。此外，半月板硬度只有关节面软骨的一半，具有良好的延展性，使其在行走、下楼梯尤其是剧烈运动中能通过自身变形高效吸收能量，缓冲胫、股关节面间的冲撞作用，能够很好地保护膝关节。半月板损伤是膝关节运动损伤中的常见病和多发病。且其损伤后，无血液供应部分自我修复能力有限不能再生只能切除，会显著降低膝关节稳定性，并加速关节软骨退变。因此保护半月板结构与功能的完整性已成为半月板修复重建的基本原则。半月板修复重建主要方式有：同种异体半月板移植和人工半月板移植。同种异体半月板移植虽然可以有效缓解患者疼痛并改善膝关节功能，但是其存在着移植物来源不足、组织保存困难、具有疾病传播风险、免疫排斥反应和高昂费用等诸多问题。因此人工半月板植入体的研究越来越受到重视，如何能够有效实现体内半月板再生或长期半月板替代，已经成为目前该领域的研究热点。分析半月板植入体研究进展发现，半月板生物相容性如细胞黏附、增殖、分化、营养物质运输、代谢产物排出和初始强度是研究者们关注的重点，而其生物力学功能如高韧性、高抗冲击性能重建却没有得到重视，这导致了现有半月板植入体在早期能够很好的实现半月板重建，但随着时间推移其力学属性和生理力学环境得不到很好地匹配，会引发软骨退化等一系列关节疾病。结构设计可以使同一种材料通过不同的空间排布获得不同的力学属性。因此对半月板植入体结构进行创新设计，使其能很好地恢复生物力学功能对于推进研发半月板修复重建十分迫切且必要。

负泊松比多孔结构在纵向拉伸时横向发生膨胀，在纵向压缩时横向发生收缩，在自然界中十分罕见。负泊松比多孔结构胞壁褶皱、内凹使其具有普通多孔结构没有的优异性能。对于正泊松比结构，在受到冲击荷载作用时，荷载首先必须克服内部单元胞壁固有的刚性，单元的胞壁开始弯曲发生压缩变形，并在垂直于冲击荷载的方向上由受冲击部位向四周扩散流动。而负泊松比结构在受力前就具有内凹结构，在受到冲击荷载作用时单元胞壁进一步弯曲，有较好的柔韧性，能有效吸收冲击能量，且冲击部位在冲击方向将承受压缩，在侧面却发生收缩，结构将向受冲击部位区域流动，局部密度增大，能够表现出更强地抵御变形的能力，在降低结构刚度的同时有效缓解了负泊松比结构由于弹性屈曲和塑性坍塌等发生的失效现象，这使负泊松比结构具有较低的变形刚度和较高的屈服强度。此外，有文献报道松质骨具有负泊松比效应。而天然松质骨微观结构是根据日常生活中的负重情况逐渐改变适应承载而形成的，是维持骨细胞微环境的最优结构。因此负泊松比效应下的微环境可能更适用于骨修复重建、骨再生过程。综上所述，负泊松比结构独特的拓扑结构和变形方式使其具有不寻常的生物特性和力学属性，使其在半月板植入体中应用具有很好的生物相容性的同时具有与人体半月板相似的高效缓冲能量的作用，在恢复半月板生物力学功能中有巨大的应用潜能。

增材制造技术是一种以数字模型文件为基础，通过逐层打印的方式来构造物体的快速成型技术，在复杂结构精准成型制造中具有明显优势。随着计算机技术的发展，通过计算机辅助设计方法来精确设计孔的形状、尺寸、孔隙率、连通率也变得更为便捷。两种技术的结合为多孔结构在骨科中的研究与应用提供了可能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是设计一种具有负泊松比效应的半月板植入体，以改善现有半月板植入体结构设计的不足。本发明的突出特点是将负泊松比多孔结构引入到半月板植入体的设计中，利用其褶皱、内凹的多孔拓扑结构特点和在冲击载荷作用下较低变形刚度、较高屈服强度的优异力学性能来增加半月板的生物相容性、恢复其生物力学功能，最终达到获得理想的半月板修复重建效果的目的。本发明的半月板植入体设计过程中可以实现孔隙率、孔径、强度、变形、抗冲击性能可控设计，在保障物质传输的同时使其拓扑结构、生物力学功能，在外载荷的作用下提供了与生理环境更匹配的半月板修复重建的微应变环境，实现半月板结构和功能重建。所设计的多孔植入体可由3D打印技术实现实体制造。

本发明所采用的技术方案主要包括以下步骤：

(1)采用三维建模软件设计负泊松比梯度多孔结构。该多孔结构基本单元可通过调节基本单元形状和尺寸保障物质传输。

(2)将建立好的梯度多孔结构三维模型导入有限元分析软件中，赋予材料属性、设置分析步、施加边界条件、划分网格后进行力学性能分析。得到孔径、孔隙率、泊松比、力学性能可调的梯度多孔结构。

(3)根据对植入体力学性能的需求进行梯度多孔结构优化设计，实现不同区域不同孔隙率、孔径、变形能力、力学性能的多孔半月板植入体的可控设计。

(4)将多孔植入体的三维模型另存为STL格式，然后将其导入到3D打印机中进行增材制造。增材制造材料可依据不同的临床需要选择生物相容性较好的可降解或非降解类材料，如钛合金、钴铬合金、聚乙烯、聚醚醚酮、聚乳酸等。

本发明具有以下技术效果：

(1)本发明将负泊松比多孔结构引入到半月板植入体的设计中。其褶皱、内凹的多孔拓扑结构有利于细胞长入和堆积，利于成骨，可提高植入体生物相容性。

(2)本发明的半月板植入体，在压缩载荷作用下具有较低变形刚度、较高屈服强度和可控的变形方式，可有效提高植入体生物相容性和在负重时能量吸收，使其具有较好的生物相容性的同时具有与自体半月板相似的生物力学功能，实现半月板更好地修复重建。

(3)本发明的半月板植入体，在计算机辅助建模、辅助分析技术和增材制造技术的支撑下可以实现孔隙率、孔径、强度、变形、抗冲击性能可控设计与制造，在保障物质传输的同时使其拓扑结构、生物力学功能，在外载荷的作用下提供了与生理环境更匹配的半月板修复重建的微环境，实现半月板结构和功能重建。

(3)本发明的半月板植入体，在增材制造技术的辅助下可以实现精准制造，且可选择材料种类宽泛，如生物相容性较好的可降解或非降解类材料，如钛合金、钴铬合金、聚乙烯、聚醚醚酮、聚乳酸等。在半月板修复重建和软骨再生领域中具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为二维梯度多孔结构基本单元，通过改变θ角度实现结构梯度设计。

图2为三维梯度多孔结构基本单元。

图3为由梯度多孔结构构成的半月板植入体。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参照图1、2所示，应用建模软件设计负泊松比多孔结构基本单元。孔隙率、孔径可按需调节。

对基本单元进行数值仿真分析，得到多孔结构力学性能与θ之间的关系。负泊松比多孔结构包括其他具有负泊松比效应的结构。

根据对半月板植入体力学性能的需求进行梯度多孔结构优化设计，实现不同区域不同孔隙率、孔径、变形能力、力学性能的多孔植入体的可控设计。梯度多孔结构包括非拉胀效应的正常多孔结构、具有拉胀效应的负泊松比多孔结构。

将以上设计好的多孔植入体三维模型导出为STL格式文件，依据不同的材料，选择相应的增材制造方式，通过逐层打印的方式快速成型制造实体。制造方式不限于本实例所采用的增材制造，包含其他制造方式。

本发明的半月板植入体，在压缩载荷作用下具有较低变形刚度、较高屈服强度可恢复半月板的高韧性、高抗冲击生物力学功能，最终达到获得理想的半月板修复重建效果的目的。另外其负泊松比效应在体内力学环境的作用下，可以为细胞生长、血液系统生成提供了与体内更接近的生长微环境，实现促进成骨。且对其的制造可选择材料种类宽泛，可为生物相容性较好的可降解或非降解类材料，如钛合金、钴铬合金、聚乙烯、聚醚醚酮、聚乳酸等，在半月板修复重建领域中具有广泛的应用前景。

Claims (5)

1.具有负泊松比效应的半月板植入体，其特征在于：将负泊松比多孔结构引入到半月板的设计中。

2.根据权利要求1所述的半月板支架，其特征在于：在压缩载荷作用下具有较低变形刚度、较高屈服强度，可恢复半月板的柔韧性和缓冲能量能力，最终达到半月板生物力学功能修复重建的目的。

3.根据权利要求1所述的半月板，其特征在于：负泊松比多孔结构其褶皱、内凹的多孔拓扑结构有利于细胞长入和堆积，利于成骨，可提高半月板生物相容性。

4.根据权利要求1所述的半月板，其特征在于：通过梯度多孔结构优化设计可以实现孔隙率、孔径、强度、泊松比、抗冲击性能可控设计。构成半月板植入体的梯度多孔结构包括非拉胀效应的正常多孔结构、具有拉胀效应的负泊松比多孔结构。

5.根据权利要求1所述的半月板，其特征在于：制造所用材料范围宽泛，可为生物相容性较好的可降解或非降解类材料，如钛合金、钴铬合金、聚乙烯、聚醚醚酮、聚乳酸等，在半月板修复重建领域中具有广泛的应用前景。