CN109966027A - 一种骨修复用梯度单元、多孔支架及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及医用植入材料技术领域，公开了一种骨修复用梯度单元，包括若干结构单元和若干增强梁；结构单元包括相对设置且相连接的第一多孔结构和第二多孔结构，第一多孔结构具有第一承接面，第二多孔结构具有第二承接面，第一承接面与第二承接面相背设置，第一承接面设置有至少两根增强梁，第二多孔结构的第二承接面与相邻的结构单元的第一承接面依次合并以形成多孔单元，增强梁的半径沿多孔单元的首端向尾端逐个递减，两个多孔单元尾端的第二承接面相合并以形成一个梯度单元。本发明还公开了一种骨修复用多孔支架和一种骨修复用多孔支架的制备方法。其有益效果在于：弹性模量低，适于承受弯曲载荷。

Description

一种骨修复用梯度单元、多孔支架及制备方法

技术领域

本发明涉及医用植入材料技术领域，具体涉及一种骨修复用梯度单元、多孔支架及制备方法。

背景技术

骨组织工程领域中，金属多孔植入物是研究的重点对象。通过设计多孔结构实现金属材料在力学性能和生物学性能上与人体自然骨组织的匹配。尽管该方向研究已经进行多年，但是骨组织工程实际应用仍然受到多重限制。其中植入物服役环境的个体差异导致其标准化困难是重要的制约因素。现有研究多将实际应用进行简化，采用较为直观的标准进行评价。从力学相容性角度出发，多孔植入物需具有与天然骨相近的弹性模量以避免应力屏蔽，并且具有足够强度满足其承载要求。从生物学相容性角度出发，植入物中的孔隙结构为细胞粘附和增殖提供合适的微观环境，并实现其利用率的最大化。已发表文献中可见，现有植入物的结构设计大多只考虑单轴载荷，针对需要承受弯曲载荷的植入物设计较少。然而人体中很多骨骼需要承受弯曲载荷，例如人体下颌骨等。

发明内容

本发明的目的是为了克服以上现有结构存在的不足，提供了一种能够承载弯曲载荷的骨修复用梯度单元、多孔支架及其制备方法。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

根据本发明的一个方面，提供了一种骨修复用梯度单元，包括若干结构单元和若干增强梁；所述结构单元包括相对设置且相连接的第一多孔结构和第二多孔结构，所述第一多孔结构具有第一承接面，所述第二多孔结构具有第二承接面，所述第一承接面与第二承接面相背设置，所述第一承接面设置有至少两根增强梁，所述第二多孔结构的第二承接面与相邻的结构单元的第一承接面依次合并以形成多孔单元，所述增强梁的半径沿多孔单元的首端向尾端逐个递减，两个所述多孔单元尾端的第二承接面相合并以形成一个梯度单元。

进一步地，所述第一多孔结构包括呈圆台形的第一连接杆和若干第一节点，各个所述第一节点等距阵列以形成第一承接面，且四个第一节点分别位于第一承接面的四角，所述第一连接杆的一端分别与第一节点对应连接；所述第二多孔结构包括呈圆台形的第二连接杆和若干第二节点，各个所述第二节点等距阵列以形成第二承接面，且四个第二节点分别位于第二承接面的四角，所述第二连接杆的一端分别与第二节点对应连接，所述第一连接杆的另一端和第二连接杆的另一端均位于立方体的体心且相互连接；所述第二承接面的第二节点与相邻的结构单元的第一承接面的第一节点依次合并以形成多孔单元，两个所述多孔单元尾端的第二承接面的第二节点对应相合并以形成一个梯度单元；在梯度单元的两端面中，所述增强梁的两端分别与两个相邻第一节点的两端连接，且每一端面中至少两根增强梁之间相互平行；在第二承接面与第一承接面的合并面中，所述增强梁的两端分别与合并后的第二节点与第一节点连接，且每一合并面中至少两根增强梁之间相互平行。

进一步地，所述第一连接杆两端面的半径均沿多孔单元的首端向尾端逐个递增，所述第二连接杆两端面的半径均沿多孔单元的首端向尾端逐个递增。

进一步地，在梯度单元的两端面中，第一节点的半径等于增强梁半径与第一连接杆一端面半径中的最大值。

进一步地，所述第一节点的半径为r1，第一连接杆的一端面半径为R1，第一连接杆的另一端面的半径为R2，第二节点的半径为r2，第二连接杆的一端面半径为R3，第二连接杆的另一端面的半径为R4；在同一结构单元中：R1<R2，R3>R4，R2＝R4，R2/R1＝R3/R4；在第二承接面与第一承接面的合并面中：R1＝R3，r1＝r2。

进一步地，还包括中心节点，所述中心节点位于立方体的体心，中心节点的半径为r3，所述第一连接杆的另一端和第二连接杆的另一端均与中心节点连接，同一结构单元中，r3≥R2，r3≥R4，且R2＝R4。

进一步地，所述第一多孔结构和第二多孔结构的外轮廓均呈正四棱锥状。

根据本发明的另一个方面，提供了一种骨修复用多孔支架，包括多个梯度单元，所述梯度单元规则阵列形成多孔支架，所述梯度单元为上述梯度单元。

根据本发明的另一个方面，提供了一种骨修复用多孔支架的制备方法，包括如下步骤：

S101、通过CT扫描方法获得骨缺损轮廓形状；

S102、采用三维建模软件建立规则多孔支架模型，保证该模型体积大于实际缺损尺寸；

S103、通过骨缺损外形轮廓与规则多孔支架模型进行布尔运算，获得符合骨缺损外形要求的多孔支架模型；

S104、将S103中符合骨缺损外形要求的多孔支架模型转化为SLI格式，导入EOSM280进行打印。

进一步地，所述多孔支架采用钛粉末、钛合金粉末、钴铬合金粉末或不锈钢粉末经激光烧结技术打印而成。

本发明相对于现有技术具有如下优点：

1、本发明的骨修复用梯度单元由若干呈立方体的结构单元组成，结构简单，设计合理，便于相互连接；各结构单元之间采用合并的连接方式，使得整体结构稳定，缩短设计耗时；本发明中的增强梁垂直于载荷方向设置，且增强梁的直径沿多孔单元的首端至尾端逐个递减，增强梁的合理排布有效提高梯度单元的抗弯曲能力。

2、本发明中第一连接杆和第二连接杆的尺寸沿多孔单元的首端至尾端逐个递增，采用过渡式的设计方法，以使位于梯度单元中部的两个第二连接杆的半径最大，从而提高梯度单元中部的抗剪切能力，实现抗弯曲载荷能力和抗剪切能力的最优化；各连接杆与节点间形成梯度孔隙，实现孔隙结构的优化设计，为细胞粘附提供适宜微观环境。

3、本发明中的多孔支架由若干梯度单元阵列而成，通过调整第一节点、第二节点、第一连接杆、第二连接杆以及增强梁的半径，来调节多孔支架内部的孔径，以满足多孔支架与人体骨组织相匹配的弹性模量和强度。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明实施例的结构单元的示意图；

图2示出了根据本发明实施例的梯度单元的轴测图；

图3示出了根据本发明实施例的梯度单元的主视图；

图4示出了根据本发明实施例的梯度单元的侧视图；

图5示出了根据本发明实施例的多孔支架的轴测图；

图6示出了根据本发明实施例的多孔支架的主视图；

图中，1为结构单元；2为增强梁；3为第一多孔结构；4为第二多孔结构；5为多孔单元；6为第一连接杆；7为第一节点；8为第二连接杆；9为第二节点；10为第一合并点。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例：

如图1-图4所示的一种骨修复用梯度单元，包括若干结构单元1和若干增强梁2；所述结构单元1包括相对设置且相连接的第一多孔结构3和第二多孔结构4，所述第一多孔结构3具有第一承接面，所述第二多孔结构4具有第二承接面，所述第一承接面与第二承接面相背设置，所述第一承接面设置有至少两根增强梁2，所述第二多孔结构4的第二承接面与相邻的结构单元1的第一承接面依次合并以形成多孔单元5，所述增强梁2的半径沿多孔单元5的首端向尾端逐个递减，两个所述多孔单元5尾端的第二承接面相合并以形成一个梯度单元。在弯曲载荷的作用下，梯度单元的两端面分别受到最大的拉应力和最大的压应力，此时梯度单元容易产生弯曲变形。为避免梯度单元的弯曲变形，提高梯度单元承载弯曲载荷的能力，在梯度单元的两端面均设有垂直于拉压载荷方向的增强梁2，且在整个梯度单元中，各个增强梁2的半径从两端向两个多孔单元的合并面依次过渡减小，此排布能够有效提高梯度单元的抗弯能力。

所述第一多孔结构3包括呈圆台形的第一连接杆6和若干第一节点7，各个所述第一节点7等距阵列以形成第一承接面，且其中四个第一节点7分别位于第一承接面的四角，所述第一连接杆6的一端分别与第一节点7对应连接；所述第二多孔结构4包括呈圆台形的第二连接杆8和若干第二节点9，各个所述第二节点9等距阵列以形成第二承接面，且四个第二节点9分别位于第二承接面的四角，所述第二连接杆8的一端分别与第二节点9对应连接，所述第一连接杆6的另一端和第二连接杆8的另一端均位于立方体的体心且相互连接；所述第二承接面的第二节点9与相邻的结构单元1的第一承接面的第一节点7依次合并以形成多孔单元5，两个所述多孔单元5尾端的第二承接面的第二节点9对应相合并以形成一个梯度单元；在梯度单元的两端面中，所述增强梁2的两端分别与两个相邻第一节点7的两端连接，且每一端面中至少两根增强梁2之间相互平行；在第二承接面与第一承接面的合并面中，所述增强梁2的两端分别与合并后的第二节点9与第一节点7连接，且每一合并面中至少两根增强梁2之间相互平行。采用节点合并的方式获得多孔单元，设计方法简单，便于结构设计，缩短设计耗时。本发明中的合并是指布尔运算中的和集(AND)，例如：第一节点7与第二节点9的尺寸相等，第二节点9与第一节点7合并后形成的第一合并点10的尺寸与第一节点7或第二节点9的尺寸相等。

所述第一连接杆6两端面的半径均沿多孔单元5的首端向尾端逐个递增，所述第二连接杆8两端面的半径均沿多孔单元5的首端向尾端逐个递增。通过此设计和合并的方式获得的梯度单元具有整体结构简单、设计方法便捷等优点。(因第一连接杆6和第二连接杆8均呈圆台形，因此均具有两个端面)受弯曲载荷的作用，梯度单元中部(即两个多孔单元尾端的合并面)所承受的剪切应力最大，所以在梯度单元中，第一连接杆6和第二连接杆8两端面的半径由两端向两个多孔单元5的合并面均匀过渡，逐渐增大，从而提高梯度单元整体的抗剪切能力。再结合第一连接杆6与第一节点7、第二连接杆8与第二节点9之间形成梯度孔隙，实现孔隙结构的优化设计，为细胞粘附提供适宜微观环境。

其中，在梯度单元的两端面中，第一节点7的半径等于增强梁2半径与第一连接杆6一端面半径中的最大值。即：所述第一节点7的半径为r1，增强梁2半径为Rz，第一连接杆6的一端面半径为R1，在梯度单元的两端面中：r1＝max(Rz，R1)，增强梁2垂直于加载方向设置，梯度单元的两端面分别承受到最大压应力和最大拉应力，提高梯度单元两端面的第一节点7的直径有利于提高梯度单元的稳定性和抗拉、抗压、抗弯曲性能。

所述第一节点7的半径为r1，第一连接杆6的一端面半径为R1，第一连接杆6的另一端面的半径为R2，第二节点9的半径为r2，第二连接杆8的一端面半径为R3，第二连接杆8的另一端面的半径为R4；在同一结构单元中：R1<R2，R3>R4，R2＝R4，R2/R1＝R3/R4；在第二承接面与第一承接面的合并面中：R1＝R3，r1＝r2。在多孔单元中，将第一节点7和第二节点9的合并，使得多孔单元5中的第一连接杆6和第二连接杆8均匀过渡，实现充分发挥抗拉、抗压和抗剪切能力的优化设计。在两个多孔单元的尾端，将第二节点9对应合并从而提高两个多孔单元的连接后的稳定性，提高梯度单元的承载能力。

还包括中心节点，所述中心节点位于立方体的体心，中心节点的半径为r3，所述第一连接杆6的另一端和第二连接杆8的另一端均与中心节点连接，同一结构单元中，r3≥R2，r3≥R4，且R2＝R4。通过设置中心节点，提高整体结构的稳定性和抗拉、抗压能力。

所述第一多孔结构3和第二多孔结构4的外轮廓均呈正四棱锥状。采用此结构可提高梯度单元的交点曲率，有利于细胞的粘附与增殖，促进骨整合，有利于骨损伤的修复。

如图5、图6所示，一种骨修复用多孔支架，包括多个梯度单元，所述梯度单元规则阵列形成多孔支架。多孔支架的外形轮廓可是规则的几何形状，也可以适应于患者局部个性化需求。多孔支架的孔隙率可以通过改变第一节点7、第二节点9、第一连接杆6、第二连接杆8以及增强梁2的半径做出调整。以满足多孔支架与人体骨组织相匹配的弹性模量和强度要求。

一种骨修复用多孔支架的制备方法包括如下步骤：

S101、通过CT扫描方法获得骨缺损轮廓形状；

S102、采用三维建模软件建立规则多孔支架模型，保证该模型体积大于实际缺损尺寸；

S103、通过骨缺损外形轮廓与规则多孔支架模型进行布尔运算，获得符合骨缺损外形要求的多孔支架模型；

S104、将S103中符合骨缺损外形要求的多孔支架模型转化为SLI格式，导入EOSM280进行打印。

3D打印多孔支架还需进行后处理操作。具体的后处理操作有去支撑、热处理、表面改性等。采用此种方法可制备外形复杂，且与缺损部位完全匹配的骨修复用植入物。合理的后处理工艺有利于提高植入物的生物相容性。

所述多孔支架采用钛粉末、钛合金粉末、钴铬合金粉末或不锈钢粉末经激光烧结技术打印而成。上述材料均具有良好的生物相容性，制成的多孔支架可满足植入物力学相容性的要求。

上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明进行限定，其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种骨修复用梯度单元，其特征在于：包括若干结构单元和若干增强梁；所述结构单元包括相对设置且相连接的第一多孔结构和第二多孔结构，所述第一多孔结构具有第一承接面，所述第二多孔结构具有第二承接面，所述第一承接面与第二承接面相背设置，所述第一承接面设置有至少两根增强梁，所述第二多孔结构的第二承接面与相邻的结构单元的第一承接面依次合并以形成多孔单元，所述增强梁的半径沿多孔单元的首端向尾端逐个递减，两个所述多孔单元尾端的第二承接面相合并以形成一个梯度单元。

2.根据权利要求1所述的骨修复用梯度单元，其特征在于：所述第一多孔结构包括呈圆台形的第一连接杆和若干第一节点，各个所述第一节点等距阵列以形成第一承接面，且四个第一节点分别位于第一承接面的四角，所述第一连接杆的一端分别与第一节点对应连接；所述第二多孔结构包括呈圆台形的第二连接杆和若干第二节点，各个所述第二节点等距阵列以形成第二承接面，且四个第二节点分别位于第二承接面的四角，所述第二连接杆的一端分别与第二节点对应连接，所述第一连接杆的另一端和第二连接杆的另一端均位于立方体的体心且相互连接；所述第二承接面的第二节点与相邻的结构单元的第一承接面的第一节点依次合并以形成多孔单元，两个所述多孔单元尾端的第二承接面的第二节点对应相合并以形成一个梯度单元；在梯度单元的两端面中，所述增强梁的两端分别与两个相邻第一节点的两端连接，且每一端面中至少两根增强梁之间相互平行；在第二承接面与第一承接面的合并面中，所述增强梁的两端分别与合并后的第二节点与第一节点连接，且每一合并面中至少两根增强梁之间相互平行。

3.根据权利要求2所述的骨修复用梯度单元，其特征在于：所述第一连接杆两端面的半径均沿多孔单元的首端向尾端逐个递增，所述第二连接杆两端面的半径均沿多孔单元的首端向尾端逐个递增。

4.根据权利要求2所述的骨修复用梯度单元，其特征在于：在梯度单元的两端面中，第一节点的半径等于增强梁半径与第一连接杆一端面半径中的最大值。

5.根据权利要求2所述的骨修复用梯度单元，其特征在于：所述第一节点的半径为r1，第一连接杆的一端面半径为R1，第一连接杆的另一端面的半径为R2，第二节点的半径为r2，第二连接杆的一端面半径为R3，第二连接杆的另一端面的半径为R4；在同一结构单元中：R1<R2，R3>R4，R2＝R4，R2/R1＝R3/R4；在第二承接面与第一承接面的合并面中：R1＝R3，r1＝r2。

6.根据权利要求5所述的骨修复用梯度单元，其特征在于：还包括中心节点，所述中心节点位于立方体的体心，中心节点的半径为r3，所述第一连接杆的另一端和第二连接杆的另一端均与中心节点连接，同一结构单元中，r3≥R2，r3≥R4，且R2＝R4。

7.根据权利要求1所述的骨修复用梯度单元，其特征在于：所述第一多孔结构和第二多孔结构的外轮廓均呈正四棱锥状。

8.一种骨修复用多孔支架，其特征在于：包括多个梯度单元，所述梯度单元规则阵列形成多孔支架，所述梯度单元为权利要求1-7中任一项所述的梯度单元。

9.一种根据权利要求8中所述的骨修复用多孔支架的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S101、通过CT扫描方法获得骨缺损轮廓形状；

S102、采用三维建模软件建立规则多孔支架模型，保证该模型体积大于实际缺损尺寸；

S103、通过骨缺损外形轮廓与规则多孔支架模型进行布尔运算，获得符合骨缺损外形要求的多孔支架模型；

S104、将S103中符合骨缺损外形要求的多孔支架模型转化为SLI格式，导入EOS M280进行打印。

10.根据权利要求9所述的骨修复用多孔支架的制备方法，其特征在于：所述多孔支架采用钛粉末、钛合金粉末、钴铬合金粉末或不锈钢粉末经激光烧结技术打印而成。