CN109966028B - 一种用于骨植入物的复合单元、多孔支架及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及医用植入材料技术领域，公开了一种用于骨植入物的复合单元，包括若干结构单元，结构单元包括第一承接面、第二承接面和呈圆台状的连接杆，多根连接杆的一端分别与第一承接面连接，多根连接杆的另一端分别与第二承接面连接，连接杆一端面的半径小于其另一端面的半径，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结构，连接杆两端面的半径沿多孔结构的首端至尾端逐个递增，两个多孔结构尾端的第二承接面相合并以形成一个复合单元。本发明还公开了一种用于骨植入物的多孔支架和一种用于骨植入物的多孔支架的制备方法。其有益效果在于：弹性模量低，适用于承载弯曲载荷。

Description

一种用于骨植入物的复合单元、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，具体涉及一种用于骨植入物的复合单元、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。通过设计孔隙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技术存在的不足，提供了一种适于承载弯曲载荷的用于骨植入物的复合单元、多孔支架及制备方法。
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：一种用于骨植入物的复合单元，包括若干结构单元，所述结构单元包括第一承接面、第二承接面和呈圆台状的连接杆，多根所述连接杆的一端分别与第一承接面连接，多根所述连接杆的另一端分别与第二承接面连接，所述连接杆一端面的半径小于其另一端面的半径，所述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结构，所述连接杆两端面的半径沿多孔结构的首端至尾端逐个递增，两个多孔结构尾端的第二承接面相合并以形成一个复合单元。
进一步地，所述第一承接面包括第一增强梁、第二增强梁和第一节点；两根所述第一增强梁相对设置，两根所述第二增强梁相对设置，所述第一节点设置在第一承接面的四角，所述第一增强梁和第二增强梁之间通过第一节点连接；所述第二承接面包括第三增强梁、第四增强梁和第二节点；两根所述第三增强梁相对设置，两根所述第四增强梁相对设置，所述第二节点设置于第二承接面的四角，所述第三增强梁和第四增强梁之间通过第二节点连接；所述连接杆的一端与第一节点连接，所述连接杆的另一端与相应的第二节点连接，且所述第一增强梁与第三增强梁相对应，所述第二增强梁与第四增强梁相对应，所述第二承接面的第三增强梁、第四增强梁和第二节点与相邻的结构单元的第一增强梁、第二增强梁和第一节点依次对应合并以形成多孔结构，两个多孔结构尾端的第三增强梁、第四增强梁和第二节点对应合并以形成一个复合单元。
进一步地，所述第一增强梁、第二增强梁、第三增强梁和第四增强梁均呈圆柱形。
进一步地，所述第一增强梁的半径沿多孔结构的首端至尾端逐个递增，所述第二增强梁的半径沿多孔结构的首端至尾端逐个递减。
进一步地，所述第三增强梁的半径沿多孔结构的首端至尾端逐个递增，所述第四增强梁的半径沿多孔结构的首端至尾端逐个递减。
进一步地，所述第一节点的半径与第一增强梁的半径、第二增强梁的半径和连接杆一端面的半径中的最大值相等；所述第二节点的半径与第三增强梁的半径、第四增强梁的半径和连接杆另一端面的半径中的最大值相等。
进一步地，多孔结构中相合并的第二承接面与第一承接面尺寸相等。
根据本发明的另一方面：一种用于骨植入物的多孔支架，包括多个复合单元，所述复合单元规则阵列形成多孔支架，所述复合单元为上述的复合单元。
根据本发明的另一方面：一种用于骨植入物的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，获得复合骨缺损外形要求的多孔支架模型；
S104、将S103中复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、本发明中的复合单元由若干结构单元组成，设计合理，结构简单，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；本发明中的第一承接面和第二承接面垂直于载荷方向设置，提高多孔支架的结构设计效率，且连接杆的半径沿多孔结构的首端至尾端逐个递增，不但增加多孔支架的孔隙直径，提高复合单元抗剪切应力的能力，还有效提高材料的利用率。
2、本发明中的增强梁垂直于弯曲载荷方向设置，且复合单元的两端面分别承受最大拉应力和最大压应力，复合单元的中部承受最大的剪切应力，第一增强梁和第三增强梁的半径沿多孔结构的首端至尾端逐个递增，此设计有效提高复合单元抵抗剪切应力的能力；第二增强梁和第四增强梁的半径沿多孔结构的首端至尾端逐个递减，此设计有效提高复合单元抵抗弯曲变形的能力。
3、本发明中的多孔支架由若干复合单元阵列而成，通过调整结构单元的数量，增强梁和连接杆的直径以使多孔支架满足服役环境的需要，以实现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多孔结构的示意图；
图2示出了根据本发明实施例的复合单元的轴测图；
图3示出了根据本发明实施例的复合单元的主视图；
图4示出了根据本发明实施例的复合单元的侧视图；
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之间的主视图；
图中，1为结构单元；2为连接杆；3为多孔结构；4为第一增强梁；5为第二增强梁；6为第一节点；7为第三增强梁；8为第四增强梁；9为第一合并点；10为第二节点；11为第一合并梁；12为第二合并梁。
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-如4所示，一种用于骨植入物的复合单元，包括若干结构单元1，所述结构单元1包括第一承接面、第二承接面和呈圆台状的连接杆2，多根所述连接杆2的一端分别与第一承接面连接，多根所述连接杆2的另一端分别与第二承接面连接，所述连接杆2一端面的半径小于其另一端面的半径，结构单元1之间依次合并以形成多孔结构3，即：所述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结构3，所述连接杆2两端面的半径沿多孔结构3的首端至尾端逐个递增，两个多孔结构3尾端的第二承接面相合并以形成一个复合单元。因连接杆2呈圆台状，所以连接杆2两端面的半径不同，连接杆两端面的半径均沿孔结构3的首端至尾端均匀过渡，且呈递增趋势。第一承接面和第二承接面均垂直于弯曲载荷设置，在弯曲载荷的作用下，复合单元的两端分别承受最大拉应力和最大压应力，复合单元中部承受最大的剪切应力，因此连接杆2在复合单元长度方向上从两端向中间逐渐增大的，提高复合单元抗剪切应力的能力，而且连接杆2的直径单调变化，实现孔径自两端向中间递减，增加细胞营养的流通性。
所述第一承接面包括第一增强梁4、第二增强梁5和第一节点6；两根所述第一增强梁4相对设置，两根所述第二增强梁5相对设置，所述第一节点6设置在第一承接面的四角，所述第一增强梁4和第二增强梁5之间通过第一节点6连接；所述第二承接面包括第三增强梁7、第四增强梁8和第二节点10；两根所述第三增强梁7相对设置，两根所述第四增强梁8相对设置，所述第二节点10设置于第二承接面的四角，所述第三增强梁7和第四增强梁8之间通过第二节点10连接；所述连接杆2的一端与第一节点6连接，所述连接杆2的另一端与相应的第二节点10连接，且所述第一增强梁4与第三增强梁7相对应，所述第二增强梁5与第四增强梁8相对应，所述第二承接面的第三增强梁7、第四增强梁8和第二节点10与相邻的结构单元的第一增强梁4、第二增强梁5和第一节点6依次对应合并以形成多孔结构，两个多孔结构尾端的第三增强梁7、第四增强梁8和第二节点10对应合并以形成一个复合单元。其中，第一增强梁4和第三增强梁7合并后形成第一合并梁11，第二增强梁5和第四增强梁8合并后形成第二合并梁12，第一节点6和第二节点10合并后形成第一合并点9。本发明中合并是指布尔运算中的和集(AND)，例如第一增强梁4和第三增强梁7的尺寸相等，合并后形成第一合并梁11的尺寸与第一增强梁4或第三增强梁7的尺寸相等。连接杆2在复合单元长度方向上从两端向中间逐步递增，承载能力逐渐增强，从而提高复合单元抵抗剪切应力的能力。
所述第一增强梁4、第二增强梁5、第三增强梁7和第四增强梁8均呈圆柱形。所述第一增强梁4的半径沿多孔结构3的首端至尾端逐个递增，所述第二增强梁5的半径沿多孔结构3的首端至尾端逐个递减。所述第三增强梁7的半径沿多孔结构3的首端至尾端逐个递增，所述第四增强梁8的半径沿多孔结构3的首端至尾端逐个递减。弯曲载荷垂直于各增强梁，在弯曲载荷的作用下，复合单元的两端面分别承受最大的拉应力和最大的压应力，复合单元中部承受最大的剪切应力，第二增强梁5和第四增强梁8在复合单元长度方向上从中间向两端逐步增大，从而提高复合单元抗弯曲变形的能力。第一增强梁4和第三增强梁7在复合单元长度方向上从两端向中间逐步递增，从而提高复合单元的抗剪切能力。
所述第一节点6的半径r1与第一增强梁4的半径R1、第二增强梁5的半径R2和连接杆2一端面的半径R3中的最大值相等；所述第二节点10的半径r2与第三增强梁7的半径R4、第四增强梁8的半径R5和连接杆另一端面的半径R6中的最大值相等。即r1＝max(R1，R2，R3)，r2＝max(R4，R5，R6)采用此设计能够各合并点圆滑过渡，削弱应力集中，提高复合单元的结构承载能力，缩短设计耗时。
多孔结构中相合并的第二承接面与第一承接面尺寸相等。通过此设计，便于结构单元1间的组合，缩短设计耗时，同时提高复合单元的结构稳定性。
如图5-图6所示，一种用于骨植入物的多孔支架，包括多个复合单元，所述复合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6、第二节点10、连接杆2、第一增强梁4、第二增强梁5、第三增强梁7以及第四增强梁8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。
一种用于骨植入物的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，获得复合骨缺损外形要求的多孔支架模型；
S104、将S103中复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打印成型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 (7)

1.一种用于骨植入物的复合单元，其特征在于：包括若干结构单元，所述结构单元包括第一承接面、第二承接面和呈圆台状的连接杆，多根所述连接杆的一端分别与第一承接面连接，多根所述连接杆的另一端分别与第二承接面连接，所述连接杆一端面的半径小于其另一端面的半径，所述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结构，所述连接杆两端面的半径沿多孔结构的首端至尾端逐个递增，两个多孔结构尾端的第二承接面相合并以形成一个复合单元；
所述第一承接面包括第一增强梁、第二增强梁和第一节点；两根所述第一增强梁相对设置，两根所述第二增强梁相对设置，所述第一节点设置在第一承接面的四角，所述第一增强梁和第二增强梁之间通过第一节点连接；所述第二承接面包括第三增强梁、第四增强梁和第二节点；两根所述第三增强梁相对设置，两根所述第四增强梁相对设置，所述第二节点设置于第二承接面的四角，所述第三增强梁和第四增强梁之间通过第二节点连接；所述连接杆的一端与第一节点连接，所述连接杆的另一端与相应的第二节点连接，且所述第一增强梁与第三增强梁相对应，所述第二增强梁与第四增强梁相对应，所述第二承接面的第三增强梁、第四增强梁和第二节点与相邻的结构单元的第一增强梁、第二增强梁和第一节点依次对应合并以形成多孔结构，两个多孔结构尾端的第三增强梁、第四增强梁和第二节点对应合并以形成一个复合单元；
所述第一增强梁的半径沿多孔结构的首端至尾端逐个递增，所述第二增强梁的半径沿多孔结构的首端至尾端逐个递减；所述第三增强梁的半径沿多孔结构的首端至尾端逐个递增，所述第四增强梁的半径沿多孔结构的首端至尾端逐个递减。
2.根据权利要求1所述的用于骨植入物的复合单元，其特征在于：所述第一增强梁、第二增强梁、第三增强梁和第四增强梁均呈圆柱形。
3.根据权利要求1所述的用于骨植入物的复合单元，其特征在于：所述第一节点的半径与第一增强梁的半径、第二增强梁的半径和连接杆一端面的半径中的最大值相等；所述第二节点的半径与第三增强梁的半径、第四增强梁的半径和连接杆另一端面的半径中的最大值相等。
4.根据权利要求1所述的用于骨植入物的复合单元，其特征在于：多孔结构中相合并的第二承接面与第一承接面尺寸相等。
5.一种用于骨植入物的多孔支架，其特征在于：包括多个复合单元，所述复合单元规则阵列形成多孔支架，所述复合单元为权利要求1-4中任一项所述的复合单元。
6.一种根据权利要求5中所述的用于骨植入物的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，获得复合骨缺损外形要求的多孔支架模型；
S104、将S103中复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。
7.根据权利要求6所述的用于骨植入物的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。
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