CN109984871A - 一种骨损伤修复用的多孔植入体结构及加工方法 - Google Patents

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Abstract

一种骨损伤修复用的多孔植入体结构，包括多个结构支架，所述结构支架包括多个结构单元，所述结构单元外轮廓呈正四棱柱状，所述正四棱柱的底面边长为d，所述正四棱柱的侧棱高度为h，所述结构单元包括4根支撑梁柱和4条连接杆，4根所述支撑梁柱设置于所述结构单元的4条侧棱处，相邻的两条所述支撑梁柱之间通过连接杆连接，所述连接杆均与水平方向呈一定夹角。本产品由竖直方向支撑梁柱和与水平方向成一定角度的倾斜连接杆组成，由于无水平方向连接杆，可以减少支架成型后其中残余应力导致的变形，减小成型后连接杆断裂发生的可能，成角度的连接杆增加了结构支架的曲率，增加细胞粘附的可能性。

Description

一种骨损伤修复用的多孔植入体结构及加工方法
技术领域
本发明涉及医疗器械设计技术领域，具体涉及一种骨损伤修复用的多孔植入体结构及加工方法。
背景技术
由于肿瘤或者粉碎性骨折导致的大面积骨缺损通常采用骨移植方法进行修复，但是，因移植骨来源有限，易发生感染、疾病传播等并发症受到限制，金属多孔植入物具有良好的生物相容性和力学相容性，成为骨组织修复的重要研究方向，三维连通的孔结构能够使体液和营养物质在植入体中传输，促进组织再生与重建，加快愈合过程。
目前研究报道中多孔植入体结构通常采用简单的圆柱体、长方体、球体等相互连接成型得到复杂的空间结构。其中单元结构多基于自然界中的微观结构，如晶体结构，蜂窝结构、桁架结构等。以晶体结构为例，单元结构在立方体顶点、体心、面心位置设置球形节点，并通过圆柱形连接杆相互连接，但是目前的设计该结构具有设计复杂、强度低等劣势，无法同时满足多孔植入物的力学性能需求，不能实现结构和性能的主动控制，不利于植入物的个性化调整。
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，提供了一种骨损伤修复用的多孔植入体结构，本发明具有足够的承载能力，可以解决成型过程中的应力集中问题，同时可以个性化调整。
同时本发明还提供了一种骨损伤修复用的多孔植入体结构的加工方法。
本发明的目的可以通过如下技术方案实现：一种骨损伤修复用的多孔植入体结构，包括多个结构支架，所述结构支架包括多个结构单元，所述结构单元外轮廓呈正四棱柱状，所述正四棱柱的底面边长为d，所述正四棱柱的侧棱高度为h，所述结构单元包括4根支撑梁柱和4条连接杆，4根所述支撑梁柱设置于所述结构单元的4条侧棱处，相邻的两条所述支撑梁柱之间通过连接杆连接，所述连接杆均与水平方向呈一定夹角。本产品由竖直方向支撑梁柱和与水平方向成一定角度的倾斜连接杆组成，由于无水平方向连接杆，可以减少支架成型后其中残余应力导致的变形，减小成型后连接杆断裂发生的可能，成角度的连接杆增加了结构支架的曲率，增加细胞粘附的可能性。
优选的，所述结构单元沿侧面镜像一次形成二次结构单元，所述二次结构单元沿长侧面镜像形成结构支架，处于同一列的结构单元的支撑梁柱之间相互连接，所述多孔植入体结构由多个所述结构支架阵列而成，多孔植入体结构的外形轮廓可以是规则的几何形状，也可根据患者的实际情况定制。
优选的，4条所述连接杆首尾相连，呈阶梯状分别设置于所述结构单元的四个侧面，阶梯状设计可以增加多孔植入体结构的孔隙率，增加细胞粘附的可能性。
优选的，所述支撑梁柱为横截面为正方形，所述正方形的边长为a，其中a≥0.25mm。
优选的，所述连接杆的横截面为矩形，所述矩形的长为b，所述矩形的宽为c，其中b＝a，
优选的，所述连接杆与水平方向呈一定的夹角为α，所述夹角α的正切值tanα＝(h/4-c)/d。
由于骨组织工程多孔植入物的孔隙率适宜范围为50％-90％，可以通过调整正四棱柱的边长d，侧棱高h，连接杆截面矩形的长b，宽c，支撑梁柱底面边长a，控制孔隙率和孔隙直径等参数，以满足多孔支架与人体骨组织相匹配的弹性模量和抗压强度。
优选的，所述多孔植入体结构采用Ti-6AL-4V(钛合金)粉末加工而成，钛合金在众多医用金属中具有与人体骨骼相近的弹性模量，且无生物毒性元素获得广泛的应用。合理的设计孔隙结构和孔隙率可以使钛合金多孔植入体结构的弹性模量与人体骨骼相匹配。
优选的，所述连接杆采用激光烧结技术打印成型，避免一次成型，使连接杆中的残余应力逐层释放，可以减少多孔植入体结构中的残余应力。
一种骨损伤修复用的多孔植入体结构的加工方法，包括以下步骤：
1)通过计算机绘图软件绘制出结构单元，将结构单元两次镜像形成结构支架，再将结构支架阵列形成指定多孔植入体结构的模型；
2)利用3D打印软件对多孔植入体结构的模型进行分层处理，随后将模型转换为金属打印机可识别的文件格式；
3)将步骤2)中的文件导入金属打印设备，采用激光烧结技术打印成型。
4)采用力学测试机对金属打印机打印出的多孔植入体结构进行压缩测试。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明结构简单，依靠竖直方向支撑梁柱和与垂直方向成一定角度的倾斜连接杆组成，由于无水平方向连接杆，可以减少支架成型后其中残余应力导致的变形，减小成型后连接点断裂发生的可能。
2、本发明中成角度的连接杆增加了结构支架的曲率，增加细胞粘附的可能性。
3、本发明中连接杆的阶梯状设计可以增加多孔植入体结构的孔隙率，增加细胞粘附的可能性。
4、本发明中的孔结构由多个所述结构支架阵列而成，多孔植入体结构的外形轮廓可以是规则的几何形状，也可根据患者的实际情况定制。
5、本发明可以通过调整结构单元的参数以调整多孔植入体结构的孔隙率和孔隙直径等参数。
附图说明
图1是本发明的一种骨损伤修复用的多孔植入体结构的结构示意图；
图2是本发明结构单元的结构示意图；
图3是本发明二次结构单元的结构示意图；
图4是本发明结构支架的结构示意图；
图5是本发明结构单元的上视图；
图6是本发明结构单元的侧视图；
图7是本发明通过力学测试机测出的孔隙率50％-90％的多孔植入体结构的抗压强度变化图；
图8是本发明通过力学测试机测出的孔隙率50％-90％的多孔植入体结构的弹性模量变化图；
其中，1为结构支架，2为结构单元，3为支撑梁柱，4为连接杆，5为二次结构单元。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
如图1、图2、图5、图6所示，一种骨损伤修复用的多孔植入体结构，包括多个结构支架1，所述结构支架1包括多个结构单元2，所述结构单元2外轮廓呈正四棱柱状，所述正四棱柱的底面边长为d，所述正四棱柱的侧棱高度为h，所述结构单元2包括4根支撑梁柱3和4条连接杆4，4根所述支撑梁柱3设置于所述结构单元2的4条侧棱处，相邻的两条所述支撑梁柱2之间通过连接杆4连接，所述连接杆4与水平方向呈一定夹角。本产品由竖直方向支撑梁柱3和与水平方向成一定角度的倾斜连接杆4组成，由于无水平方向连接杆4，可以减少支架成型后其中残余应力导致的变形，减小成型后连接杆4断裂发生的可能，成角度的连接杆4增加了结构支架的曲率，增加细胞粘附的可能性。
如图3、图4所示，所述结构单元2沿侧面镜像一次形成二次结构单元5，所述二次结构单元5沿长侧面镜像形成结构支架1，处于同一列的结构单元2的支撑梁柱3之间相互连接，所述多孔植入体结构由多个所述结构支架1阵列而成，多孔植入体结构的外形轮廓可以是由结构支架1阵列成的规则的几何形状，也可根据患者的实际阵列成各种特殊形状。
4条所述连接杆4首尾相连，呈阶梯状分别设置于所述结构单元2的四个侧面，阶梯状设计可以增加多孔植入体结构的孔隙率，增加细胞粘附的可能性。
所述支撑梁柱为横截面为正方形，所述正方形的边长为a，其中a≥0.25mm。
所述连接杆的横截面为矩形，所述矩形的长为b，所述矩形的宽为c，其中b＝a，
所述夹角α的正切值tanα＝(h/4-c)/d。
由于骨组织工程多孔植入物的孔隙率适宜范围为50％-90％，可以通过调整正四棱柱的边长d，侧棱高h，连接杆4横截面矩形的长b，宽c，支撑梁柱3底面边长a，控制孔隙率和孔隙直径等参数，以满足多孔支架与人体骨组织相匹配的弹性模量和抗压强度。
所述多孔植入体结构采用Ti-6AL-4V粉末加工而成，钛合金在众多医用金属中具有与人体骨骼相近的弹性模量，且无生物毒性元素获得广泛的应用。合理的设计孔隙结构和孔隙率可以使钛合金多孔植入体结构的弹性模量与人体骨骼相匹配。
所述连接杆4采用激光烧结技术打印成型，避免一次成型，使连接杆中的残余应力逐层释放，可以减少多孔植入体结构中的残余应力。
一种骨损伤修复用的多孔植入体结构的加工方法，包括以下步骤：
1)通过CAD软件绘制出结构单元，将结构单元2两次镜像形成结构支架1，再将结构支架1阵列形成指定多孔植入体结构的模型；
2)利用MaterialiseMagics切片软件对多孔植入体结构的模型进行分层处理，随后将模型转换为金属打印机可识别的SLI文件格式；
3)将步骤2)中的文件导入EOS M280金属打印机，采用激光烧结技术打印成型。
4)采用万能力学试验机对金属打印机打印出的多孔植入体结构进行压缩测试。
如图7、图8所示，采用万能力学试验机对本产品进行压缩测试的数据如下表所示，根据表中数据可知，多孔支架的抗压强度和弹性模量均可与自然骨骼类似。
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)

1.一种骨损伤修复用的多孔植入体结构，其特征在于，包括多个结构支架，所述结构支架包括多个结构单元，所述结构单元外轮廓呈正四棱柱状，所述正四棱柱的侧棱高度为h，所述正四棱柱底面边长为d，所述结构单元包括4根支撑梁柱和4条连接杆，4根所述支撑梁柱设置于所述结构单元的4条侧棱处，相邻的两条所述支撑梁柱之间通过连接杆连接，所述连接杆与水平方向呈一定夹角。
2.根据权利要求1所述的一种骨损伤修复用的多孔植入体结构，其特征在于，所述结构单元沿侧面镜像一次形成二次结构单元，所述二次结构单元沿长侧面镜像形成结构支架，处于同一列的支撑梁柱之间相互连接，所述多孔植入体结构由多个所述结构支架阵列而成。
3.根据权利要求1所述的一种骨损伤修复用的多孔植入体结构，其特征在于，4条所述连接杆首尾相连，呈阶梯状分别设置于所述结构单元的四个侧面。
4.根据权利要求1所述的一种骨损伤修复用的多孔植入体结构，其特征在于，所述支撑梁柱为横截面为正方形，所述正方形的边长为a，其中a≥0.25mm。
5.根据权利要求4所述的一种骨损伤修复用的多孔植入体结构，其特征在于，所述连接杆的横截面为矩形，所述矩形的长为b，所述矩形的宽为c，其中b＝a，
6.根据权利要求5所述的一种骨损伤修复用的多孔植入体结构，其特征在于，所述连接杆与水平方向呈一定的夹角为α，其中α的正切值tanα＝(h/4-c)/d。
7.根据权利要求1所述的一种骨损伤修复用的多孔植入体结构，其特征在于，所述多孔植入体结构采用Ti-6AL-4V粉末加工而成。
8.根据权利要求1所述的一种骨损伤修复用的多孔植入体结构，其特征在于，所述连接杆采用激光烧结技术打印成型。
9.基于权利要求1～8所述的一种骨损伤修复用的多孔植入体结构的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)通过计算机绘图软件绘制出结构单元，将结构单元两次镜像形成结构支架，再将结构支架阵列形成指定多孔植入体结构的模型；
2)利用3D打印软件对多孔植入体结构的模型进行分层处理，随后将模型转换为金属打印机可识别的文件格式；
3)将步骤2)中的文件导入金属打印设备，采用激光烧结技术打印成型。
10.根据权利要求9所述的一种骨损伤修复用的多孔植入体结构的加工方法，其特征在于，还包括步骤4)采用力学测试机对金属打印机打印出的多孔植入体结构进行压缩测试。
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