CN111494060B - 一种构建骨植入物的方法及骨植入物结构单元 - Google Patents

一种构建骨植入物的方法及骨植入物结构单元 Download PDF

Info

Publication number
CN111494060B
CN111494060B CN202010349308.2A CN202010349308A CN111494060B CN 111494060 B CN111494060 B CN 111494060B CN 202010349308 A CN202010349308 A CN 202010349308A CN 111494060 B CN111494060 B CN 111494060B
Authority
CN
China
Prior art keywords
bone implant
different
constructing
bone
structural units
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202010349308.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111494060A (zh
Inventor
杨光
郭冲冲
张永弟
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hebei University of Science and Technology
Original Assignee
Hebei University of Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hebei University of Science and Technology filed Critical Hebei University of Science and Technology
Priority to CN202010349308.2A priority Critical patent/CN111494060B/zh
Publication of CN111494060A publication Critical patent/CN111494060A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111494060B publication Critical patent/CN111494060B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/02—Prostheses implantable into the body
    • A61F2/28—Bones
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/02—Prostheses implantable into the body
    • A61F2/30—Joints
    • A61F2/3094—Designing or manufacturing processes
    • A61F2/30942—Designing or manufacturing processes for designing or making customized prostheses, e.g. using templates, CT or NMR scans, finite-element analysis or CAD-CAM techniques
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/02—Prostheses implantable into the body
    • A61F2/28—Bones
    • A61F2002/2835—Bone graft implants for filling a bony defect or an endoprosthesis cavity, e.g. by synthetic material or biological material
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/02—Prostheses implantable into the body
    • A61F2/30—Joints
    • A61F2002/30001—Additional features of subject-matter classified in A61F2/28, A61F2/30 and subgroups thereof
    • A61F2002/30108—Shapes
    • A61F2002/30199—Three-dimensional shapes
    • A61F2002/30261—Three-dimensional shapes parallelepipedal
    • A61F2002/30263—Three-dimensional shapes parallelepipedal cubical
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/02—Prostheses implantable into the body
    • A61F2/30—Joints
    • A61F2002/30001—Additional features of subject-matter classified in A61F2/28, A61F2/30 and subgroups thereof
    • A61F2002/30316—The prosthesis having different structural features at different locations within the same prosthesis; Connections between prosthetic parts; Special structural features of bone or joint prostheses not otherwise provided for
    • A61F2002/30535—Special structural features of bone or joint prostheses not otherwise provided for
    • A61F2002/30604—Special structural features of bone or joint prostheses not otherwise provided for modular
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/02—Prostheses implantable into the body
    • A61F2/30—Joints
    • A61F2/30767—Special external or bone-contacting surface, e.g. coating for improving bone ingrowth
    • A61F2/30771—Special external or bone-contacting surface, e.g. coating for improving bone ingrowth applied in original prostheses, e.g. holes or grooves
    • A61F2002/30772—Apertures or holes, e.g. of circular cross section
    • A61F2002/30784—Plurality of holes
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/02—Prostheses implantable into the body
    • A61F2/30—Joints
    • A61F2/30767—Special external or bone-contacting surface, e.g. coating for improving bone ingrowth
    • A61F2/30771—Special external or bone-contacting surface, e.g. coating for improving bone ingrowth applied in original prostheses, e.g. holes or grooves
    • A61F2002/30838—Microstructures
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/02—Prostheses implantable into the body
    • A61F2/30—Joints
    • A61F2/30767—Special external or bone-contacting surface, e.g. coating for improving bone ingrowth
    • A61F2002/3092—Special external or bone-contacting surface, e.g. coating for improving bone ingrowth having an open-celled or open-pored structure
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/02—Prostheses implantable into the body
    • A61F2/30—Joints
    • A61F2/3094—Designing or manufacturing processes
    • A61F2/30942—Designing or manufacturing processes for designing or making customized prostheses, e.g. using templates, CT or NMR scans, finite-element analysis or CAD-CAM techniques
    • A61F2002/30943—Designing or manufacturing processes for designing or making customized prostheses, e.g. using templates, CT or NMR scans, finite-element analysis or CAD-CAM techniques using mathematical models

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Vascular Medicine (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Transplantation (AREA)
  • Cardiology (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Orthopedic Medicine & Surgery (AREA)
  • Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Prostheses (AREA)

Abstract

本发明提供了一种构建骨植入物的方法，属于骨支架材料构建技术领域，包括以下步骤：六个十字构件构建立方体框架结构，在立方体框架结构内连接不同数量的支撑杆，以形成外部结构相同且内部结构不同的多个结构单元；利用有限元分析软件对多个结构单元进行模拟压缩分析，将模拟结果进行拟合，以得出多个结构单元的力学性能；根据不同的宿主骨弹性模量的需求，将多个结构单元通过其力学性能进行组合并匹配宿主骨弹性模量，最终构建骨植入物。本发明还提供了一种骨植入物结构单元。本发明提供的一种构建骨植入物的方法，构建成与宿主骨相匹配的骨植入物，使其具备梯度功能。解决了骨植入物存在多孔结构形式单一不能匹配不同患者的不同骨的需求问题。

Description

一种构建骨植入物的方法及骨植入物结构单元
技术领域
本发明属于骨支架材料构建技术领域，更具体地说，是涉及种构建骨植入物的方法及骨植入物结构单元。
背景技术
骨缺损通常是因受伤、骨质疏松以及肿瘤切除等导致，是临床上的常见病。多孔材料作为结构功能一体化材料，具有相对密度低、高比表面、隔热、降噪及吸能等特点，被广泛应用于医疗、航空航天等行业。在医疗领域，多孔材料因其弹性模量低且存在相互贯通的孔，将其应用于骨、硬组织替代物不但可以有效避“应力屏蔽”，而且可以使骨组织生长于骨植入物使其成为一体，提高了骨植入物和骨组织的结合强度。
骨由密质骨和松质骨组成，且骨的特征随年龄的增长而变化，不同人之间骨也存在差异，人不同部位骨组织也存在差异，因此不同患者的不同骨替换部位对骨植入物的需求不尽相同。由于传统方法骨支架材料的孔隙结构、力学性能不能精准控制，骨植入物存在多孔结构形式单一不能匹配不同患者的不同骨的需求问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种构建骨植入物的方法，旨在解决骨植入物存在多孔结构形式单一不能满足骨植入物需求的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种构建骨植入物的方法，包括以下步骤：
S1：利用六个十字构件构建立方体框架结构，在立方体框架结构内连接不同数量的支撑杆，以形成外部结构相同且内部结构不同的多个结构单元；
S2：利用有限元分析软件对多个结构单元进行模拟压缩分析，将模拟结果进行拟合，以得出多个结构单元的力学性能；
S3：根据不同的宿主骨弹性模量的需求，将多个结构单元通过其力学性能进行组合并匹配宿主骨弹性模量，最终构建骨植入物。
作为本申请另一实施例，在步骤S1中，选取不同杆径的十字构件和不同杆径的支撑杆任意组合，以形成多种不同的结构单元。
作为本申请另一实施例，在步骤S2中，利用Gibson-Ashby模型公式，计算不同的多个结构单元的力学性能。
本发明提供的一种构建骨植入物的方法的有益效果在于：与现有技术相比，本发明一种构建骨植入物的方法，通过立方体框架结构，通过六个十字构件构建的立方体框架结构为正方体形状的多孔结构，在内部的设置不同数量的支撑杆，通过任意数量的支撑杆在立方体框架结构内连接使用，构成不同孔隙率的结构单元。应用有限元分析软件，对该结构单元进行模拟压缩分析，最后将模拟分析的结果进行拟合，得出该结构的相关系数，从而较精确的掌握该结构单元的力学性能，每种结构单元都有其独特的力学性能。组合多个单元结构的力学性能匹配宿主骨弹性模量。最终确定多个结构单元组合的最终形态，通过增材制造的方式实现，满足患者对骨植入物的个性化需求，可以有效减少弹性模量，避免“应力屏蔽”的发生。从而解决了骨植入物存在多孔结构形式单一不能匹配不同患者的不同骨的需求问题。
本发明还提供了一种骨植入物结构单元，包括：
十字构件，包括两个等长的连杆，两个所述连杆中部相连，且相互垂直设置；
六个所述十字构件借助所述连杆的端部相互连接，用于构建成立方体框架结构。
作为本申请另一实施例，所述立方体框架结构内部连接有至少一个支撑杆，所述支撑杆用于连接不同所述十字构件上的所述连杆。
作为本申请另一实施例，所述支撑杆为圆柱形。
作为本申请另一实施例，所述连杆的横截面为半圆形。
作为本申请另一实施例，所述连杆的端部具备两个连接斜面，不同所述十字构件上的所述连杆通过所述连接斜面相互连接。
本发明提供的一种骨植入物结构单元，与现有技术相比，通过六个十字构件连接成立方体框架结构，构建多孔骨植入物的结构单元，使其具备稳定的力学性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种骨植入物结构单元的十字构件的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种骨植入物结构单元的立方体框架结构的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种骨植入物结构单元的在立方体框架结构内设置支撑杆的结构示意图一；
图4为图3中的支撑杆的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种骨植入物结构单元的在立方体框架结构内设置支撑杆的结构示意图二；
图6为图5中的支撑杆的结构示意图。
图中：1、十字构件；110、连杆；111、连接斜面；2、支撑杆；201、短杆；202、长杆。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
现对本发明提供的一种骨植入物结构单元进行说明。一种构建骨植入物的方法，包括以下步骤：
S1：利用六个十字构件1构建立方体框架结构，在立方体框架结构内连接不同数量的支撑杆2，以形成外部结构相同且内部结构不同的多个结构单元；
S2：利用有限元分析软件对多个结构单元进行模拟压缩分析，将模拟结果进行拟合，以得出多个结构单元的力学性能；
S3：根据不同的宿主骨弹性模量的需求，将多个结构单元通过其力学性能进行组合并匹配宿主骨弹性模量，最终构建骨植入物。
本发明提供的一种构建骨植入物的方法，与现有技术相比，通过立方体框架结构，通过六个十字构件1构建的立方体框架结构为正方体形状的多孔结构，内部的支撑杆2数量最少为0根，最多为15根。根据支撑杆2在立方体框架结构内具体的连接位置，将支撑杆2分为短杆201和长杆202，短杆201为12根，长杆202为3根，通过任意数量短杆201或长杆202单独或共同在立方体框架结构内连接使用，构成不同孔隙率的结构单元。应用有限元分析软件，对该结构单元进行模拟压缩分析，最后将模拟分析的结果进行拟合，得出该结构的相关系数，从而较精确的掌握该结构单元的力学性能，每种结构单元都有其独特的力学性能。人骨的弹性模量在1GPa-20GPa之间，由于不同年龄或不同部位自然骨的弹性模量存在差异，根据患者自然骨的特点，确定宿主骨弹性模量，组合多个单元结构的力学性能匹配宿主骨弹性模量。最终确定多个结构单元组合的最终形态，构建成与宿主骨相匹配的骨植入物，使其具备梯度功能。通过增材制造的方式实现，满足患者对骨植入物的个性化需求，可以有效减少弹性模量，避免“应力屏蔽”的发生。从而解决了骨植入物存在多孔结构形式单一不能匹配不同患者的不同骨的需求问题。
在步骤S1中，选取不同杆径的十字构件1和不同杆径的支撑杆2任意组合，以形成多种不同的结构单元。
在对患者进行治疗时，根据其骨缺损处所需骨植入物进行构建时，该处由密质骨和松质骨组成，在对该处骨修复处进行构建时，既要满足密质骨和松质骨的特点，又要避免“应力屏蔽”的发生，因此根据该患者的宿主骨的特征，通过选择符合密质骨和松质骨的需求，且能有效降低宿主骨弹性模量的几种结构单元通过连接，并能通过调控支撑杆2的杆径控制其结构力学性能，满足个性化需求。匹配的结构单元的立方体框架结构一致，因此可以稳固连接。通过改变十字构件1的杆径或改变支撑杆2的数量、连接位置以及杆径，构建成与宿主骨相匹配的骨植入物，使其具备梯度功能。
在步骤S2中，利用Gibson-Ashby模型公式，计算不同的多个结构单元的力学性能。
每一种类型的结构单元都存在符合该结构单元的Gibson-Ashby模型，例如，在内部结构为1根短杆201和12根短杆201下，Gibson-Ashby模型系数及指数即C1、C2、n1、n2可能存在差异，那么1根短杆201下的Gibson-Ashby模型的系数及指数应该如何求得，考虑到Gibson-Ashby模型是与相对密度有关的模型，而相对密度与孔隙率在数值上相加为1。因此在求Gibson-Ashby中的系数及指数时，通过改变该类型结构下的杆径(改变杆径，孔隙率就会变)，通过有限元软件模拟得到在该类型下不同杆径结构的有效弹性模量和平台应力，再将所得结果通过MATLAB或其他数学软件进行拟合，得出系数和指数，得出系数和指数后，也就能对这种结构单元下其他杆径的力学性能进行预测。将所有的结构单元的Gibson-Ashby模型拟合后，每种结构单元下不同杆径的力学性能也可预测，从而使用户具有更多的选择。
利用MATLAB软件根据Gibson-Ashby模型公式进行拟合，得出结构单元的相关系数，可以精确的掌握结构单元在不同杆径下的力学性能。具体参见公式1和公式2；
Figure BDA0002471374430000051
Figure BDA0002471374430000061
式中E---多孔结构的杨氏模量；
σpl---平台应力；
ρ---多孔结构密度；
ρs---致密金属密度；
ES---致密金属的弹性模量；
σys---致密金属的抗压强度。
C1、C2、n1、n2是取决于多孔结构单元的几何性质的常数，例如将支撑杆2基体材料确定为TC4钛合金，拟合出12根短杆201情况下的Gibson-Ashby模型公式，)杆径分别为100μm、150μm、200μm和250μm的结构单元进行模拟压缩，分别得到其有效弹性模量为1.34GPa、2.38GPa、4.05GPa和8.47GPa，抗压强度为155MPa、331MPa、640MPa和882MPa，通过MATLAB将所得数据进行拟合，得到C1、C2、n1、n2，最终得到的该结构下的Gibson-Ashby模型公式，具体参见公式3和公式4；
Figure BDA0002471374430000062
Figure BDA0002471374430000063
因此，可以通过公式3和公式4得到该结构单元不同杆径下的力学性能，如在150μm下，该结构单元的抗压强度为351.85MPa,有效弹性模量为2.16GPa,可以看出在满足人体骨骼抗压强度的条件下，可以有效减少弹性模量，避免“应力屏蔽”的发生。
不同结构单元的不同杆径或不同数量支撑杆2在结构单元内的设置，会影响结构单元的孔隙距离，孔隙距离通常由孔隙率来反应，孔隙率指块状材料中孔隙体积与材料在自然状态下总体积的百分比。
对于类似结构单元的这种多孔结构来说，孔隙率越小，其力学性能越高。孔隙率在一定程度上反映了多孔结构的致密程度，对多孔材料的导热性、透气性和抗渗抗冻性等有影响。应用于不同部位的宿主骨时，可以根据宿主骨对力学性能的需求，选取不同孔隙率的结构单元制作宿主骨。本申请中提供的结构以结构单元边长为1㎜，杆直径200um为例，内部不安装支撑杆2的情况下，经计算孔径为800微米，孔隙率为79％，能够匹配例如髌骨、盆骨等宿主骨的力学性能的需求。本发明还提供了一种骨植入物结构单元，包括十字构件1，十字构件1包括两个等长的连杆110，两个连杆110中部相连，且相互垂直设置；六个十字构件1借助连杆110的端部相互连接，用于构建成立方体框架结构。
本发明提供的一种骨植入物结构单元，与现有技术相比，通过六个十字构件1连接成立方体框架结构，构建多孔骨植入物的结构单元，使其具备稳定的力学性能。
通过改变十字构件1的杆径，可构建不同力学性能的结构单元，以满足不同宿主骨的要求。
作为本发明提供的一种骨植入物结构单元的一种具体实施方式，请参阅图至图，立方体框架结构内部连接有至少一个支撑杆2，支撑杆2用于连接不同十字构件1上的连杆110。本实施例中，采用具有不同数量的支撑杆2与立方体框架结构相连，结合生成具有独特力学性能的结构单元并构建骨植入物，以此，实现梯度功能的、满足患者个性化骨植入物的需求。
支撑杆2包括短杆201和长杆202，短杆201用于连接相邻十字构件1，长杆202用于连接相对的十字构件1。通过任意数量短杆201或长杆202单独或共同在立方体框架结构内连接，构成不同孔隙率的结构单元，以得到不同力学性能的结构单元，便于匹配不同的宿主骨的要求。
作为本发明提供的一种骨植入物结构单元的一种具体实施方式，请参阅图至图，支撑杆2为圆柱形。本实施例中，圆柱形结构的支撑杆2能够均匀传递立方体框架结构的力，提高结构单元的稳定性。当支撑杆2为短杆201时，根据短杆201在立方体框架结构的具体位置，在其端部设置于十字构件1具体连接位置匹配的匹配端面。当支撑杆2为长杆202时，长杆202连接相对的十字构件1，端部为平面或凹面结构。
作为本发明提供的一种骨植入物结构单元的一种具体实施方式，请参阅图至图，连杆110的横截面为半圆形。本实施例中，连杆110的一侧为弧面，连杆110的另一侧为平面。使用十字构件1拼接成立方体结构框架后，弧面均位于该立方体结构框架的内侧，平面均位于该立方体结构框架的外侧，使用多个立方体结构框架拼接时，可利用连杆110的平面结构拼接，相互拼接的连杆110构成圆柱结构，以获得较好的力学性能。
作为本发明提供的一种骨植入物结构单元的一种具体实施方式，请参阅图至图，连杆110的端部具备两个连接斜面111，不同十字构件1上的连杆110通过连接斜面111相互连接。本实施例中，在使用十字构件1连接成立方体框架结构时，连杆110端部的两个连接斜面111，可以使三个十字构件1的三个连杆110端部顺利拼接，形成立体的直角结构，以使立方体框架结构获得较为稳定的力学性能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种构建骨植入物的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：利用六个十字构件构建立方体框架结构，在立方体框架结构内连接不同数量的支撑杆，以形成外部结构相同且内部结构不同的多个结构单元；
S2：利用有限元分析软件对多个结构单元进行模拟压缩分析，将模拟结果进行拟合，以得出多个结构单元的力学性能；利用Gibson-Ashby模型公式，计算不同的多个结构单元的力学性能，在求Gibson-Ashby中的系数及指数时，通过改变该类型结构下的杆径，通过有限元软件模拟得到在该类型下不同杆径结构的有效弹性模量和平台应力，再将所得结果通过MATLAB软件进行拟合，得出系数和指数，利用MATLAB软件根据Gibson-Ashby模型公式进行拟合，得出结构单元的相关系数，可以精确的掌握结构单元在不同杆径下的力学性能。具体参见公式1和公式2；
Figure FDA0003781563070000011
Figure FDA0003781563070000012
式中E---多孔结构的杨氏模量；
σpl---平台应力；
ρ---多孔结构密度；
ρs---致密金属密度；
ES---致密金属的弹性模量；
σys---致密金属的抗压强度。
C1 、C2 、n1 、n2 是取决于多孔结构单元的几何性质的常数；
S3：根据不同的宿主骨弹性模量的需求，将多个结构单元通过其力学性能进行组合并匹配宿主骨弹性模量，最终构建骨植入物。
2.如权利要求1所述的一种构建骨植入物的方法，其特征在于，在步骤S1中，选取不同杆径的十字构件和不同杆径的支撑杆任意组合，以形成多种不同的结构单元。
3.如权利要求1所述的一种构建骨植入物的方法，其特征在于，使用了一种骨植入物结构单元，包括：
十字构件，包括两个等长的连杆，两个所述连杆中部相连，且相互垂直设置；
六个所述十字构件借助所述连杆的端部相互连接，用于构建成立方体框架结构。
4.如权利要求3所述的一种构建骨植入物的方法，其特征在于，所述立方体框架结构内部连接有至少一个支撑杆，所述支撑杆用于连接不同所述十字构件上的所述连杆。
5.如权利要求4所述的一种构建骨植入物的方法，其特征在于，所述支撑杆为圆柱形。
6.如权利要求3或4所述的一种构建骨植入物的方法，其特征在于，所述连杆的横截面为半圆形。
7.如权利要求3所述的一种构建骨植入物的方法，其特征在于，所述连杆的端部具备两个连接斜面，不同所述十字构件上的所述连杆通过所述连接斜面相互连接。
CN202010349308.2A 2020-04-28 2020-04-28 一种构建骨植入物的方法及骨植入物结构单元 Active CN111494060B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010349308.2A CN111494060B (zh) 2020-04-28 2020-04-28 一种构建骨植入物的方法及骨植入物结构单元

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010349308.2A CN111494060B (zh) 2020-04-28 2020-04-28 一种构建骨植入物的方法及骨植入物结构单元

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111494060A CN111494060A (zh) 2020-08-07
CN111494060B true CN111494060B (zh) 2022-10-04

Family

ID=71871441

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010349308.2A Active CN111494060B (zh) 2020-04-28 2020-04-28 一种构建骨植入物的方法及骨植入物结构单元

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111494060B (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112249509B (zh) * 2020-09-01 2022-08-02 哈尔滨工业大学（深圳） 吸能结构及吸能缓冲装置
CN113326588B (zh) * 2021-06-22 2023-02-28 清华大学 一种仿制生物骨刚度的多孔骨植入物结构设计方法
CN114632951A (zh) * 2022-03-21 2022-06-17 河北科技大学 选区激光熔融钛合金抗压强度的结构-成分复合调控方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109938883A (zh) * 2019-01-28 2019-06-28 国家康复辅具研究中心 十二面体杆结构单元、骨植入体及其传质性能评测方法
CN110946678A (zh) * 2019-12-31 2020-04-03 吉林大学 仿生多孔梯度人工髋关节基体的设计方法

Family Cites Families (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6520997B1 (en) * 1999-12-08 2003-02-18 Baxter International Inc. Porous three dimensional structure
US7252685B2 (en) * 2003-06-05 2007-08-07 Sdgi Holdings, Inc. Fusion implant and method of making same
DE102010041959A1 (de) * 2010-10-05 2012-04-05 Aces Gmbh Medizinisches Implantat
CN104207867B (zh) * 2014-08-13 2017-02-22 中国科学院福建物质结构研究所 一种低模量医用植入多孔支架结构
CN104224407B (zh) * 2014-09-15 2017-02-15 上海交通大学 一种杆系孔隙结构及其骨科植入物
ES2968195T3 (es) * 2015-03-03 2024-05-08 Smed Ta Td Llc Implante ortopédico con miembro estructural poroso
CN106148749B (zh) * 2015-04-09 2018-06-19 中国科学院金属研究所 一种兼具高强度和高吸收能梯度多孔Ti-6Al-4V块体材料及其制备方法
CN104887351A (zh) * 2015-05-31 2015-09-09 西安赛隆金属材料有限责任公司 一种高强度小孔径金属骨小梁及其制备方法
CN204971711U (zh) * 2015-05-31 2016-01-20 西安赛隆金属材料有限责任公司 一种高强度小孔径金属骨小梁
CN104985183B (zh) * 2015-06-12 2017-10-24 华南协同创新研究院 一种低弹性模量钛基颌骨植入体及其制备方法
CN105740523B (zh) * 2016-01-26 2018-08-07 西安交通大学 一种基于宿主骨应力环境的定制化假体优化设计方法
US20180228570A1 (en) * 2017-02-14 2018-08-16 HD LifeSciences LLC Variably X-Ray Lucent Marker System
CN109172049A (zh) * 2018-09-13 2019-01-11 浙江工业大学 一种基于分层片状杆连接的多孔网状结构骨科修复植入体的设计制作方法及植入体
EP3866719B1 (en) * 2018-10-15 2023-09-06 Mazor Robotics Ltd. Force prediction for spinal implant optimization
CN109992820B (zh) * 2019-01-28 2023-06-09 国家康复辅具研究中心 基于十二面体杆结构的多孔骨植入体的力学性能评测方法
CN109938882B (zh) * 2019-01-28 2021-01-19 国家康复辅具研究中心 基于八面体杆结构的多孔骨植入体的力学性能评测方法
CN109758267B (zh) * 2019-03-05 2021-02-19 华南协同创新研究院 一种骨修复用多孔支架及其制备方法
CN109984871B (zh) * 2019-04-16 2021-06-01 华南协同创新研究院 一种骨损伤修复用的多孔植入体结构及加工方法
CN109966027B (zh) * 2019-04-28 2021-02-19 华南协同创新研究院 一种骨修复用梯度单元、多孔支架及制备方法
CN109966028B (zh) * 2019-04-28 2021-02-19 华南协同创新研究院 一种用于骨植入物的复合单元、多孔支架及制备方法
CN110584837B (zh) * 2019-09-10 2020-10-13 北京力达康科技有限公司 一种变密度结构单元及骨小梁植入体

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109938883A (zh) * 2019-01-28 2019-06-28 国家康复辅具研究中心 十二面体杆结构单元、骨植入体及其传质性能评测方法
CN110946678A (zh) * 2019-12-31 2020-04-03 吉林大学 仿生多孔梯度人工髋关节基体的设计方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN111494060A (zh) 2020-08-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111494060B (zh) 一种构建骨植入物的方法及骨植入物结构单元
Wiggs et al. On the mechanism of mucosal folding in normal and asthmatic airways
Migliavacca et al. Computational fluid dynamics simulations in realistic 3-D geometries of the total cavopulmonary anastomosis: the influence of the inferior caval anastomosis
Gloria et al. Technical features and criteria in designing fiber-reinforced composite materials: from the aerospace and aeronautical field to biomedical applications
Roy et al. A literature review of the numerical analysis of abdominal aortic aneurysms treated with endovascular stent grafts
CN110929379A (zh) 一种拓扑优化人工椎体及其设计方法
Overaker et al. Finite element analysis of vertebral body mechanics with a nonlinear microstructural model for the trabecular core
CN109966027B (zh) 一种骨修复用梯度单元、多孔支架及制备方法
US20190350715A1 (en) Laminated structure with adjustable elastic modulus
CN113326588B (zh) 一种仿制生物骨刚度的多孔骨植入物结构设计方法
CN112075989B (zh) 一种正多面体多孔填充结构跟骨假体及其优化设计方法
Gupta et al. Expansion potential of auxetic prosthetic skin grafts: a review
CN113332003A (zh) 一种防松动骨固定植入物及其设计方法
Alsheghri et al. Optimization of 3D network topology for bioinspired design of stiff and lightweight bone-like structures
Cao et al. A phenomenological framework for modeling of nonlinear mechanical responses in soft network materials with arbitrarily curved microstructures
Wiechert et al. Advanced multi-scale modelling of the respiratory system
CN109966028B (zh) 一种用于骨植入物的复合单元、多孔支架及制备方法
Verma et al. Low elastic modulus and highly porous triply periodic minimal surfaces architectured implant for orthopedic applications
CN112220588A (zh) 一种可控梯度骨组织工程支架生成方法及系统
Salsabili et al. Simplifying the human lumbar spine (L3/L4) material in order to create an elemental structure for the future modeling
Yang et al. Design method of porous titanium alloy based on meta-structure
Park et al. Pseudo-organ boundary conditions applied to a computational fluid dynamics model of the human aorta
Nakamachi et al. Multi‐scale finite element analyses for stress and strain evaluations of braid fibril artificial blood vessel and smooth muscle cell
CN109984871B (zh) 一种骨损伤修复用的多孔植入体结构及加工方法
Takaki et al. Virtual construction of human lung

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant