CN110721010B - 一种径向梯度化植入体点阵结构及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种径向梯度化植入体点阵结构及其设计方法，包括沿轴向依次等距排列的多个平面点阵单元和连接于相邻两所述点阵单元之间的轴向连杆；所述平面点阵单元包括多个位于同一平面内且同心分布的圆环杆以及连接于相邻两个圆环杆之间的多个径向连杆组；所述径向连杆组包括多个沿周向均匀分布的径向连杆，且各径向连杆组内径向连杆的密度沿径向由外向内逐渐减小；所述圆环杆与径向连杆的连接点形成节点；相邻平面点阵单元的对应节点之间通过所述轴向连杆连接，本点阵结构内部杆数量少、孔洞尺寸大，外部杆数量多、空间尺寸小，从端面观察结构整体为同心的放射状圆环，呈现较为明显的“内疏外密”的结构特性，与骨结构实际结构特性相似。

Description

一种径向梯度化植入体点阵结构及其设计方法

技术领域

本发明涉及材料结构技术领域，尤其涉及一种点阵结构。该结构在径向上采用不同形式的点阵单元，在圆周上为周期性重复单元排列，有着轻质、多孔、梯度变化等特性，与人骨结构更加贴合，更宜用于植入体结构设计。

背景技术

我国骨疾患人数日益增多，而利用植入体对病患骨进行治疗是当前最常用也是最有效的措施，因此高性能植入体的需求日益增加。实体结构植入体具有较好的力学性能，如专利CN201320761186.3-颅骨修复用仿生植入体公布了一种利用可降解材料制备实体颅骨植入体的方法，能较好的弥补缺损骨，发挥其正常功能。但是实体结构植入体常由于其自身过高的弹性模量与结构的致密特性，易产生“应力屏蔽”效应，并且不利于骨组织再生，进而导致植入体滑脱；点阵结构植入体有着轻质多孔等特点，相较于实体结构植入体能够减少“应力屏蔽”的出现，也能够促进体液流动与物质交换，这使其更适用于植入体设计。然而，通过对人体骨骼解剖结构的观察，发现骨不同区域的结构不尽相同，单拓扑形式的多孔结构，虽具有多孔特性及适宜的弹性模量，但与实际骨骼内部形态具有较大差异性，从而引起周围组织的炎症、排异等反应，不利于骨植入体的长期稳定使用。对此，专利CN201910286252.8-一种基于曲线干扰的功能梯度人工骨支架的制备方法公布了一种利用梯度圆孔来制备具有梯度结构的植入体的方法，以此提高植入体与人骨的匹配度。但由于其梯度孔为独立的圆孔，孔与孔之间并不相通，是典型的二维多孔结构，这不利于体液的流动以及细胞间的物质传输，限制了植入体在人体中的应用效果。

发明内容

有鉴于此，为使骨植入体能够满足其在人体中力学性能与物质交换等要求，尽量还原骨的结构特性，使植入体能够更好与周围骨组织相容，促进骨组织再生，本发明创新性地采用径向梯度点阵结构，在满足点阵结构多孔轻质的性质的同时，在植入体上实现了不同区域具有不同密度的梯度变化特性，提升植入体的治疗效果与使用寿命。

本发明的径向梯度化植入体点阵结构，包括沿轴向依次等距排列的多个平面点阵单元和连接于相邻两点阵单元之间的轴向连杆；

平面点阵单元包括多个位于同一平面内且同心分布的圆环杆以及连接于相邻两个圆环杆之间的多个径向连杆组；径向连杆组包括多个沿周向均匀分布的径向连杆，且各径向连杆组内径向连杆的密度沿径向由外向内逐渐减小；

圆环杆与径向连杆的连接点形成节点；相邻平面点阵单元的对应节点之间通过轴向连杆连接。

进一步，各径向连杆组内径向连杆的数量由外向内呈等比递减分布。

进一步，各径向连杆组内径向连杆的数量由外向内呈公比值为1/2的等比递减分布。

进一步，圆环杆、径向连杆和轴向连杆的杆径为1mm，轴向连杆的长度为5mm。

本发明还公开了一种径向梯度化植入体点阵结构的设计方法，包括以下步骤：

s1.在同一平面内设置多个同心圆，根据所期望的植入体的密度及分布于最内层的同心圆上设置多个等份点，并从每一等分点作为起始点分别沿径向向外作出径向线直至与最外层的同心圆相交；

s2.由次内层同心圆到次外层同心圆，将同心圆被分隔出的各个圆弧中点作为起始点分别沿径向向外作出径向线直至与最外层的同心圆相交，进而形成平面点阵单元几何图形；

s3.将作出的平面点阵单元几何图形中的各线条实体化为杆件，进而形成平面点阵单元；

s4.将得到的平面点阵单元按一定距离沿轴向进行等距阵列，并将相邻两平面点阵单元的对应节点之间通过连杆连接，最终形成径向梯度化植入体点阵结构。

本发明的有益效果：

1、本发明得到了内部疏松外部紧密的放射状结构，相较于实体结构与单一拓扑点阵结构，该结构具有与实际骨结构更加相似的结构特征，更易于与人体匹配；

2、本发明采用逐层中点外延划分的方式，保证了不同梯度结构间仍有一定的连接，实现了梯度层的有效过渡，保证了该结构的稳定性；

3、本发明的点阵结构具有开孔特性，使其在作为植入体时，体液与各类物质能够自由的进行流动、运输，与此同时，通过调控杆径改变植入体力学性能也能避免“应力屏蔽”现象产生，进一步地，采用生物材料能保证植入体的生物功能性，实现植入体与周围骨组织相容，促进骨再生，提升治疗效果与使用寿命。

4.本发明的点阵结构具有灵活调节密度分布及孔径大小的特点，基于此方法可以进行多样化的梯度结构设计，为仿生植入体的设计提供参考思路。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明具有六层梯度结构的平面点阵单元几何图形示意图；

图2为本发明具有四层梯度结构的点阵结构的设计流程示意图；

图3为本发明具有四层梯度结构的点阵结构的轴测图。

具体实施方式

如图3所示，本实施例的径向梯度化植入体点阵结构，包括沿轴向依次等距排列的七个平面点阵单元和连接于相邻两点阵单元之间的轴向连杆；

如图2(c)所示，平面点阵单元包括四个位于同一平面内且同心分布的圆环杆以及连接于相邻两个圆环杆之间的三组径向连杆组；径向连杆组包括多个沿周向均匀分布的径向连杆，且各径向连杆组内径向连杆的密度沿径向由外向内逐渐减小；位于最外圈的径向连杆组包括16个沿周向均布的径向连杆；位于中圈的径向连杆组包括8个沿周向均布的径向连杆，位于最内圈的径向连杆组包括4个沿周向均布的径向连杆；

本实施例中，圆环杆与径向连杆两端的连接点形成节点；相邻平面点阵单元的对应节点之间通过轴向连杆连接；如图2(c)所示，本实施例的平面点阵单元具有44个节点；因此，相邻两个平面点阵单元之间通过44个轴向连杆进行连接。

本实施例中，圆环杆、径向连杆和轴向连杆的杆径为1mm，轴向连杆的长度为5mm。

本实施例采用的一种径向梯度化植入体点阵结构的设计方法，包括以下步骤：

s1.如图2(a)，在同一平面内设置4个同心圆，并于最内层的同心圆上设置4个等份点，并从每一等分点作为起始点分别沿径向向外作出径向线直至与最外层的同心圆相交；

s2.如图2(b)，由次内层同心圆到次外层同心圆，依次将同心圆被分隔出的各个圆弧中点作为作为起始点分别沿径向向外作出径向线直至与最外层的同心圆相交，进而形成平面点阵单元几何图形；

s3.如图2(c)，将作出的平面点阵单元几何图形中的各线条实体化为杆件，进而形成平面点阵单元；

s4.如图2(d)，将得到的平面点阵单元按一定距离沿轴向进行等距阵列，并将相邻两平面点阵单元的对应节点之间通过连杆连接，最终形成径向梯度化植入体点阵结构。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化；凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种径向梯度化植入体点阵结构，其特征在于：包括沿轴向依次等距排列的多个平面点阵单元和连接于相邻两所述点阵单元之间的轴向连杆；

所述平面点阵单元包括多个位于同一平面内且同心分布的圆环杆以及连接于相邻两个圆环杆之间的多个径向连杆组；所述径向连杆组包括多个沿周向均匀分布的径向连杆，且各径向连杆组内径向连杆在空间上的分布密度沿径向由外向内逐渐减小；

所述圆环杆与径向连杆的连接点形成节点；相邻平面点阵单元的对应节点之间通过所述轴向连杆连接。

2.根据权利要求1所述的径向梯度化植入体点阵结构，其特征在于：各所述径向连杆组内径向连杆的数量由外向内呈等比递减分布。

3.根据权利要求1所述的径向梯度化植入体点阵结构，其特征在于：各所述径向连杆组内径向连杆的数量由外向内呈公比值为1/2的等比递减分布。

4.根据权利要求1所述的径向梯度化植入体点阵结构，其特征在于：所述圆环杆、径向连杆和轴向连杆的杆径为1mm，所述轴向连杆的长度为5mm。

5.一种径向梯度化植入体点阵结构的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

s1.在同一平面内设置多个同心圆，根据所期望的植入体的密度及分布于最内层的同心圆上设置多个等分点，并从每一等分点作为起始点分别沿径向向外作出径向线直至与最外层的同心圆相交；

s2.由次内层同心圆到次外层同心圆，将同心圆被分隔出的各个圆弧中点作为起始点分别沿径向向外作出径向线直至与最外层的同心圆相交，进而形成平面点阵单元几何图形；

s3.将作出的所述平面点阵单元几何图形中的各线条实体化为杆件，进而形成平面点阵单元；

s4.将得到的平面点阵单元按一定距离沿轴向进行等距阵列，并将相邻两平面点阵单元的对应节点之间通过连杆连接，最终形成径向梯度化植入体点阵结构。

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