CN111818879A - 植入物及其制造方法和孔隙率计算方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种植入物及其制造方法和孔隙率计算方法。该制造方法先是选择网状人造泡沫。接着，网状人造泡沫进行扫描并将扫描结果存储成数字多孔模型。然后，对数字多孔模型进行编辑，并对数字多孔模型进行装配而形成数字多孔块。最后，对数字多孔块进行编辑而获得数字植入物模型，并将数字植入物模型发送至3D打印机进行3D打印而获得植入物。通过这种方法，可以用较低成本制作符合要求的植入物。本申请的孔隙率计算方法通过引入一个校准系统，可以精确地测量植入物的孔隙率。

Description

植入物及其制造方法和孔隙率计算方法

相关申请交叉引用

本专利申请要求于2019年10月15日提交的、申请号为16/653921、发明名称为“植入物及其制造方法和孔隙率计算方法”的美国专利申请的优先权，上述申请的全文以引用的方式并入本文中。

技术领域

本发明涉及通过三维(3D)打印工艺制造具有网状多孔钛单独植入物和网状多孔钛与基体复合植入物的方法。

背景技术

非骨水泥固定物由于长期存活率，已广泛用于整形外科植入物。将骨骼理想地整合到植入物的多孔层间隙和生长在多孔层的表面，通过骨向孔内间隙生长来实现植入物与骨界面的相互融合。网状钽泡沫具有与人骨小梁相似的孔结构，并且临床上证明了良好的固定和骨向孔内间隙生长结果。孔径大于150μm的孔结构有利于骨的向孔内间隙生长。孔径为200μm对应于人骨的平均直径，而孔径为500μm对应于松质骨。然而，钽非常昂贵，因此限制了其应用。

相比之下，钛更具成本效益，并且已被证明具有高生物相容性。网状钛泡沫是理想的。制造多孔钛的方法已经取得进展并分为三类。第一类是在20世纪80年代发明，将钛珠和金属网烧结在实心金属基底上。第二种方法是20世纪90年代发明的，将预制金属泡沫烧结或焊接到金属基材上。第三种方法是在2000年代发明的，在支架上进行粉末涂覆并烧结，第三种方法是近几十年发明的增材制造或三维(3D)打印。由于3D打印方法具有一步到位的优点，因此它成为当今的前沿技术。

3D打印方法分为三种类型。第一种方法是数学计算的多孔结构，它通常具有规则的孔和支柱图案，与松质骨的随机结构不同。第二种方法是计算机软件自动产生随机多孔结构，但该方法也不产生与松质骨相同的结构。第三种方法是直接反向复制方法，其中多孔金属结构通过微CT扫描从局部松质骨复制，然后3D打印金属多孔结构。直接反向复制方法有复制局部松质骨结构的优点。

然而，直接反向复制方法具有两个缺点。缺点之一是骨源有各种不同情形。人体骨骼的多孔结构变化很大。皮质骨是非常致密的结构，而松质骨则有更多孔，但骨密度和孔隙率在很大范围内变化。例如，年龄，性别和遗传都会导致骨骼结构的变化。与年龄较小的骨骼与成熟患者相比，老年患者的骨密度更低。骨质疏松症患者的骨密度低于非骨质疏松症的患者。直接反向复制方法的另一个缺点是，用该方法获得的骨结构呈位置特异性的和骨质特异性。对于同一个人，骨孔隙率取决于骨结构内的位置。肱骨骨比股骨更多孔，并且在每种骨内，密度可沿着骨干的长度呈指数变化。对于同一个人和一些位置，骨孔隙率还取决于获取图像的位置，即松骨和骨皮质骨的距离。骨髓附近松质骨的密度低于皮质骨附近的松质骨。这种方法的骨源和位置的不确定性使得直接反向复制方法难以利用，并且难以普遍地适用于人体不同位置的植入物。而且，用这种方法复制大规模生产植入物的典型结构成本高昂，因为需要很多的人体骨，反复的CT扫描和计算机模拟，和大量三维打印实验。

此外，已经显示骨骼生入多孔机构的深度与多孔结构的气孔直径和气孔的连通性有关。但没有可靠的证据表明，在具有类似物理特征的简化结构上再现精确解剖结构，具有允许骨向内孔间隙生长和血管化的特定优势。精确解剖结构的额外复杂性增加了更多计算资源的需求，并且由于它们的不对称性，这些结构更难以阵列化，以形成更大的形式和块。因为它们不具有对称性，所以对这些结构，必须扫描较大的区域，这些区域必须以较低的分辨率数字化获取，或者它们必须通过从较大的骨块的小块中解剖和提取而以高分辨率扫描许多位置，这是很昂贵的，耗时的，且没有解决阵列化问题本身。

在实际植入物组件中定量测量支柱厚度，孔径和孔隙率还存在额外的技术挑战。目前测量多孔钛的方法是ASTM F1854-15，“医用植入物上多孔涂层的体视学评价的标准试验方法(Standard Test Method for Stereological Evaluation of Porous Coatingson Medical Implants)”。该方法是2D方法，使用二维信号来估计三维信号。该方法需要物理切割部件并手动测量支柱横截面积，费时耗力，精度较差。另一方面，ASTM F3259-17“组织工程支架的微型计算机断层扫描的标准指南(Standard guide for Micro-computedtomography of tissue engineered scaffold)”已被广泛用于聚合物和陶瓷，但未用于多孔金属，因为金属伪影会显着增加测量误差。

因此，需要找到一种更好的制造植入物的方法以及测量孔隙率的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种成本相对较低的多孔植入物以及能够相对低成本地制造该植入物的方法。本发明的另一目的是提供一种能够更准确测量多孔材料的孔隙率的方法。

为实现上述目的，本发明提供了一种制造具有多孔部分的植入物的方法，所述方法包括以下步骤：

获取择网状人造泡沫；

对网状人造泡沫进行扫描并将扫描结果存储成数字多孔模型；

对所述数字多孔模型进行编辑；

对所述数字多孔模型进行装配而形成数字多孔块；

对所述数字多孔块进行编辑而获得数字植入物模型；

对所述数字植入物模型进行3D打印而获得植入物。一实施例中，对所述数字多孔模型进行编辑包括对所述数字多孔模型的支柱厚度和/或孔径进行编辑。

一实施例中，对所述数字多孔模型中的支柱厚度和/或孔径进行编辑包括对支柱厚度和/或孔径进行放大或缩小。

一实施例中，将所述数字多孔模型进行装配而形成数字多孔块通过对所述数字多孔模型进行阵列化来进行。

一实施例中，将所述数字多孔模型进行装配而形成数字多孔块通过对所述数字多孔模型可用迪卡尔坐标，柱坐标，或球坐标沿三维方向进行阵列化来进行。

一实施例中，对所述数字多孔模型进行装配包括从所述数字多孔模型截取出基本单元，并将多个基本单元装配组合在一起而形成所述数字多孔块。

一实施例中，对所述数字多孔块的编辑包括将所述数字多孔块切割成数字多孔层，并将所述数字多孔层重叠铺设在基体上而形成数字植入物模型。

一实施例中，所述数字多孔层的形状与待制作的植入物的形状相符，以及所述基体与待制作的植入物的形状相符。

一实施例中，将所述数字多孔层重叠铺设在所述基体上通过布尔相交来实现。

一实施例中，所述基体是实心基体或者多孔基体。

一实施例中，在扫描之前，将所述网状人造材料切割成立方体几何形状。

一实施例中，所述立方体几何形状的体积小于0.5立方英寸。

一实施例中，对网状人造泡沫进行扫描通过微CT扫描来进行。

一实施例中，在3D打印之后，进一步对所述植入物进行进行清洗。

一实施例中，在3D打印之后，进一步对所述植入物进行喷砂处理和/或涂覆处理。

一实施例中，所述网状人造泡沫选自以下泡沫中的任一种：聚氨酯泡沫，碳泡沫，涂覆有陶瓷或者金属的碳泡沫。

一实施例中，所述网状人造泡沫选自以下泡沫中的任一种：铝涂层碳泡沫，铜涂层碳泡沫，镀镍碳泡沫，碳化硅涂覆的碳泡沫，涂有钽的碳泡沫，涂覆有氮化钛的碳泡沫，涂有碳化钛的碳泡沫。

本申请还提供了一种植入物，所述植入物具有基体和重叠铺设在所述基体上的多孔部分，所述植入物通过以下方法制成：

对网状人造泡沫进行扫描并将扫描结果存储成数字多孔模型；

对所述数字多孔模型进行编辑；

对所述数字多孔模型进行装配而形成数字多孔块；

对所述数字多孔块进行编辑而获得植入物的多孔部分数字模型，并将所述多孔部分数字模型重叠铺设在一数字实心基体上而获得数字植入物模型；

将所述数字植入物模型发送至3D打印机进行3D打印而获得植入物。

一实施例中，所述基体是实心基体或者多孔基体。

一实施例中，所述植入物具有Ti：SiC＝1.5：1比例的网状Ti6Al4V多孔层。

本申请进一步提供了一种获得多孔材料的孔隙率的方法，所述计算方法包括以下步骤：

通过微CT扫描测量多孔材料的孔隙率而获得第一孔隙率；

将第一孔隙率乘以孔隙率校准系数而获得实际孔隙率。

一实施例中，所述孔隙率校准系数通过以下步骤获得：

3D打印一多孔材料第一试样，并通过计算重量和体积的方法来测量该第一试样的真实孔隙率；

3D打印一多孔材料第二试样，并通过微CT方法来测量该第二试样的孔隙率；其中

将该第一试样的真实孔隙率除以该第二试样的孔隙率而获得所述孔隙率校准系数。

一实施例中，所述第一试样是一多孔材料立方体，所述第二试样是多孔材料盘状件。

与现有技术相比，本发明的新颖性包括以下方面：

(1)选择网状人造泡沫来用于微CT扫描，而不是现有技术中的人骨。此步骤避免使用人体尸体，并且不是特定位置。泡沫更均匀，更一致且代表已被临床证明了的良好松质骨结构。

(2)放大或缩小孔隙结构。采用了一种方法来通过放大或缩小得到的三维文件来调整孔结构。通过使用一次微CT扫描，孔径和支柱尺寸可以被裁剪成适应不同的植入部位。这与现有技术(例如US 8843229所公开的技术)路径相反，且更有效。现有技术是扫描人尸体的多个位置，以适合植入物的不同部位。

(3)对网状人造泡沫的数字组装。将使用小的基本多孔立方体在X，Y和Z方向上阵列化，以产生更大的结构，从该结构合并到植入物结构中。可以使用重叠来确保不存在大的粗糙度或间隙。或者可以镜像或阵列化几何形状，然后可以使用较大的块与3D体布尔相交，以创建最终形式。这种方法的一个优点是最小化数字文件的大小，并且可以低成本地生产一种结构，该结构已经显示满足集成和固定标准。

(4)采用一种3D打印技术，来打印植入物。例如采用金属3D打印技术，即直接金属激光烧结(DMLS)来制造钛泡沫结构。

(5)微CT检查。发现一种克服微CT的金属伪影的校准方法，以更精确地测量三维中的支柱厚度、孔径和孔隙率。

本发明还发现了三个意外的结果。首先，直接反向复制方法不适用于大体积多孔网状泡沫。泡沫的极高表面积和整形外科植入物的大体积几何形状使得数字文件太大，而无法使用典型的工作站和笔记本电脑进行存储和操作。为了解决这个问题，发明人首先通过高分辨率微CT扫描来对大尺寸的网状泡沫进行扫描，然后提取小体积作为基本体积并作为构建块。使用软件工具，将许多基本体积被阵列化成大块，其足够大以实现植入物尺寸系列中的最大植入物尺寸。然后，使用布尔几何来通过交叉函数从大块创建最终几何形状。可以使用替代方法，对从体积内的原始扫描中提取的甚至更小的单位单元进行直接阵列化。

另一个意想不到的结果是，通过直接反向复制法无法复制支柱尺寸、孔径和孔隙率。市售的网状泡沫制成用于其他工程应用，而不是用于整形外科。孔结构有限，要植入植入物的特定人体部位多，3D打印过程的分辨率受激光束宽度和其他DMLS参数的限制。这三个挑战需要一种反复试验的方法来获得具有符合应用需求的优选多孔结构。这种方法很烦锁，需要大量的实验。相反，发明人在数字编辑阶段使用放大或缩小方法来优化孔结构和孔隙率。结果，只进行了三个实验就获得了最佳的支柱尺寸，孔径和孔隙率。

第三个意外结果是微CT方法的校准。由于金属伪影，工程师几十年来一直在努力使用微CT方法精确测量多孔金属结构。金属制品人为地过高估计了支柱厚度，因此这些方法通常导致比实际孔隙率更低的孔径和孔隙率。在本发明中，通过使用重量和体积方法精确测量多孔钛立方体的真实孔隙率。孔隙率比率(即校准系数)定义为真实孔隙率除以测量的孔隙率。一旦通过使用已知的多孔结构来凭经验确定，该校准系数可以应用于形状复杂地钛植入物，以精确地校准结构的支柱厚度，孔径和孔隙率。校准数据与直接实验测量结果一致。

附图说明

图1是网状钛多孔结构的结构图。

图2是本申请的植入物的制造方法的流程图。

图3是网状人造泡沫的微CT扫描和数字文件中的孔扩大的过程示意图。

图4是将数字立方体数字化组装成多孔层的过程示意图。

图5是将多孔层与实心基体组装成数字髋臼壳。

图6是通过微CT方法得到的80PPI网状SiC泡沫的三维孔径的体积百分比。

图7是通过具有20体素分辨率的微CT，得到的80PPI网状SiC泡沫的三维孔径的体积百分比。

图8是通过具有20体素分辨率的微CT，得到的80PPI网状SiC泡沫的三维孔径的累积体积百分比。

图9是通过Ti：SiC＝1：1比例的3D打印的网状Ti6Al4V泡沫的光学显微镜检查。

图10是以Ti：SiC＝1.25：1比例进行3D打印的网状Ti泡沫的通过光学显微镜光学显微镜照片。

图11是以Ti：SiC＝1.5：1比例进行3D打印的网状Ti泡沫的通过光学显微镜光学显微镜照片。

图12是3D打印的网状Ti泡沫的微CT扫描的照片，其中Ti：SiC＝1.5：1.0。

图13是具有Ti：SiC＝1.5：1比例的网状Ti6Al4V多孔层的支柱厚度分布图。

图14是具有Ti：SiC＝1.5：1比例的网状Ti6Al4V多孔层的孔径分布图。

图15是具有Ti：SiC＝1.5：1比例的网状Ti6Al4V多孔层的孔径分布图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。

在下文的描述中，出于说明各种公开的实施例的目的，阐述了某些具体细节，以提供对各种公开实施例的透彻理解。但是，相关领域技术人员可以无需这些具体细节，便可实践实施例。在其它情形下，与本申请相关联的熟知的装置、结构和技术可能并未详细地示出或描述，从而避免不必要地与实施例相混淆。

除非语境有其它需要，在整个说明书和权利要求中，词语“包括”和其变型，诸如“包含”和“具有”应被理解为开放的、包含的含义，即应解释为“包括，但不限于”。

图2是本申请的制造方法的流程图。本发明的第一步是选择多孔结构原材料。通常，所有网状人造泡沫都具有连接的多孔和开孔结构，均可以被选择来用于微CT扫描。这种网状人造泡沫包括例如聚氨酯泡沫，碳泡沫，铝涂层碳泡沫，铜涂层碳泡沫，镀镍碳泡沫，碳化硅涂覆的碳泡沫，涂有钽的碳泡沫，涂覆有氮化钛的碳泡沫，涂有碳化钛的碳泡沫等。所有这些泡沫都是可在市场上购得的。钽涂层碳泡沫已被批准用于骨骼生长，但原子量很高，以至于微型CT会产生大量伪影。低原子泡沫如聚氨酯泡沫具有低原子量，但是柔韧性使得多孔结构在保持微CT扫描期间容易变形。优选的网状多孔泡沫是具有低原子量的陶瓷或金属涂覆的碳泡沫。优选的陶瓷是例如网状Al₂ O₃，莫来石，SiC，MgO，CaO，羟基磷灰石，氧化锆等。优选的金属泡沫是铝涂覆的碳泡沫，涂铜的碳泡沫，涂镍的碳泡沫，涂覆碳化硅的碳泡沫。最优选的是网状SiC涂覆的碳泡沫。

网状碳和SiC涂覆的碳泡沫具有不同的孔隙率。它们通过每英寸孔数(PPI)来衡量。商用SiC泡沫的孔隙率范围包括3PPI，10PPI，20PPI，30PPI，45PPI，65PPI，80PPI和100PPI。PPI数越低，孔的直径越大。碳泡沫是易碎的，因此碳化硅涂层的碳泡沫(简称为SiC泡沫)更强，特别是在高PPI数量的泡沫中。理论上可选择所有多孔泡沫作为扫描试样。优选地，选择65PPI，80PPI和100PPI的泡沫，因为它们接近松质骨的孔隙率。

如图3所示，本申请的植入物的制造方法的第二步骤是对网状泡沫进行微CT扫描，并将扫描结果保存为数字泡沫，即数字多孔模型，例如STL文件。任何具有高分辨率的微CT扫描仪都可用于扫描。微CT扫描越精细，就可以观察到更详细的支柱结构。但是，扫描时间会更长，STL文件会更大。考虑到添加剂制造的粉末尺寸的平均直径为25至100微米，优选的微CT扫描体素(voxel)选择在20微米至40微米的范围内。最优选的微CT扫描体素为20微米。

最流行的方法是反向复制方法，它直接复制多孔结构。表1显示了三种80PPI碳，80PPI SiC和65PPI SiC的微CT扫描结果。图6-8显示了80PPI SiC泡沫的支柱厚度和孔分布。所有这三种泡沫都具有非常高的开孔率并且能够进行微CT扫描以获得数字文件。80PPI碳的平均碳支柱为56.4微米，这过于脆弱而不能满足强度要求。本申请中，将SiC涂覆在碳泡沫上，从而支柱厚度增加到约100μm。80PPI SiC具有78.7％的孔隙率并且所有孔都是开放的，其支柱厚度98.2±27.2μm，孔径303±98μm。孔径超过150μm的孔的总体积超过93％，这有利于矿化骨长入多孔钛。

表1.通过微-CT扫描的1/2”网状人造立方体的STL尺寸，支柱厚度，孔径，孔隙率和开孔率。

本发明人还尝试直接反向复制方法用于最终几何形状。为此，发明人定制了80毫米×80毫米×80毫米网状碳或碳化硅涂层碳立方体，将立方体加工成68毫米外径和1.5毫米厚外壳，然后微型CT扫描外壳。然而，这种成本非常之高。

为了解决成本问题，发明人想到了扫描更小的立方体几何形状。发明人首先尝试了1.0”立方体(25.4mm×25.4mm×25.4mm)大小的SiC泡沫进行微CT扫描。在使用20μm体素分辨率进行微CT扫描后，扫描工程师尝试将扫描数据提取为STL文件格式，但STL文件太大，即使是超级计算机也无法处理。最后，发明人想到了从1.0”立方体(即体积为1立方英寸的立方体，下同)中取出0.5”立方体(12.5mm×12.5mm×12.5mm)数据，文件较小，然后笔记本电脑成功保存了STL文件。

如图3所示，本申请的植入物的制造方法的第三步是对上述数字多孔模型进行编辑，例如对大小、形状等进行编辑。更具体地，可对数字多孔模型中的支柱厚度和/或孔径进行编辑。例如，可放大或缩小多孔泡沫的STL文件(即数字多孔模型)的支柱厚度和孔径。最终打印的泡沫孔隙率和支柱尺寸可以与任何原始扫描泡沫不同。此过程仅扫描一个网状泡沫，获取STL文件，然后以数字方式放大或缩小STL文件。基于数字成像和最终3D打印，找到最佳的孔隙和支柱结构。这种方法可以在无限范围内调整孔结构，并适合人体任何位置的骨骼。

表2列出了基于不同放大或缩小比例的理论孔径范围。该值是初始选择SiC或碳泡沫的指导原则，而不是3D打印泡沫的最终尺寸。理论上，可以选择任何尺寸的网状人造泡沫。因为微CT可以通过从较大孔隙泡沫(如3PPI，10PPI，20PPI，30PPI)收缩(比例系数<1.0)并进行取样，以获得数字多孔模型，或从较小孔隙的泡沫(如40PPI，80PPI，100PPI)放大(比例系数>1.0)并进行取样，以获得数字多孔模型。优选的孔径接近所需的孔径并通过缩放进行调节，例如可以选择65PPI，80PPI和100PPI泡沫来用于微CT扫描。

表2.具有不同放大比例的理论孔径。

缩放比例

0.1

0.4

0.6

1.00

1.25

1.50

3PPI泡沫

846μm

20PPI泡沫

127μm

508μm

762μm

45PPI泡沫

225μm

338μm

564μm

705

846

65PPI泡沫

156μm

234μm

391μm

489μm

587μm

80PPI泡沫

190μm

317μm

397μm

476μm

100PPI泡沫

152μm

254μm

317μm

381μm

如图4-5所示，本申请的植入物的制造方法的第四步是将小型多孔泡沫(即数字多孔模型)数字化装配成最终植入物几何形状。例如，选择孔结构，并放大或缩小后，以0.5”立方体的STL文件作为构建块。许多0.5”立方体STL块彼此数字重叠，以通过3D编辑软件形成更大的块，该块可称为数字多孔块。该数字多孔块可被切成多孔数字外壳。将该多孔数字外壳重叠铺设在实心基体或多孔基体上，以形成最终的髋臼壳，如图5所示，其可通过无骨水泥粘连固定。

理论上，任何形状的多孔泡沫都可以从大块切割而获得。或者，可以从任何坐标(例如球面坐标或列坐标)的1/2”立方体中切出非常小的数字块。小块可以数字化组装到任何形状的部件上。商业软件可用于数字组装。示例包括

等。

可以将大型数字块切割成任何所需的几何形状，用于植入物或骨填充物。发明人发现STL构建块的重叠是必要的。如果只是线对线组装，则3D打印的试样将具有可见的线或间隙。数字重叠也包括多孔层到实心层，或者多孔层到多孔层。需要最小1.0μm厚度的重叠，优选超过10μm厚度的重叠，更优选超过50μm厚度的重叠，最优选超过100μm厚度的重叠。

基于3D打印和现有技术的理论，STL文件的重叠是不可取的。它会产生很多悬挂的悬垂支柱和非闭环。计算机软件会将重叠视为错误并需要修复。令人惊讶的是，本发明人未发现任何视觉标记，对机械性能和孔隙率没有影响。

本申请的植入物的制造方法的第五步是3D打印。将组装好的髋臼杯模型发送到3D打印机。3D打印是在激光或电子束作为加热源下通过逐层熔化或烧结工艺的最先进技术。3D金属打印机是可商购的，例如M2 Cursing DL 400W，ProX DMP320，FARSON 271M，BLT-S310。其中任何一种都可用于3D网印钛网多孔植入物。在打印过程中，软件将STL文件转换为切片文件，然后打印成最终几何体。在3D打印之后，最后的髋臼壳被去除金属支撑，喷砂处理，机械振动和超声波清洗以去除多孔层内部的粉末。可以在多孔表面上进行后喷砂处理和涂覆处理，例如涂覆羟基磷灰石。

本申请的植入物的制造方法的第六步是多孔结构的微CT检查。ASTM F3259-17，“组织工程支架的微型计算机断层扫描的标准指南”已广泛用于高精度的聚合物和陶瓷，以测量支柱尺寸，孔径和孔隙率。图7显示了通过微CT扫描的80PPI网状SiC泡沫的三维孔径。测量的平均316μm孔径与表1中的理论计算317μm一致。然而，该方法由于金属伪影而不推荐用于金属。金属伪影导致比实际值更厚的支柱(约25μm)，更小的孔径(约140μm)和更低的孔隙率(约15％)(表3)。传统上，金属制品通过增加X射线能量而最小化，但仍然产生大的误差，因此ASTM不推荐用于测量多孔钛层。

表3.在伪影校准之前通过显微CT和光学显微镜测量的网状Ti6Al4V多孔结构。

相反，为避免类似现有技术这样的缺陷，发明人开发了一种校准工具。该校准工具中，微CT的校准系数如下：

孔隙率校准系数＝第一试样孔隙率(重量和体积)/第二试样孔隙率(微CT)

孔径校准系数＝孔隙率校准系数

支柱厚度校准系数＝(1/孔径校准系数)^1/3

这里，使用1/2”立方体作为第一试样并作为校准。1/2”多孔立方体的真实孔隙率为50.38％，这一数值精确测量1/2”多孔立方体重量和体积获得的，细节在实施例7中描述。孔隙率校准系数为1.419，等于立方孔隙率50.38％除以第二试样(这里为圆盘)孔隙率35.5％。孔径校准系数等于孔隙率校准系数1.419。支柱厚度校准系数等于(1/1.419)^1/3＝0.8896。校准结果列于表4中，其与光学显微镜测量数据一致。

应理解的是，也可以采用除了立方体和圆盘之外其他形状，例如长方体，椭圆形等来作为第一试样和第二试样计算孔隙率校准系数。只要3D打印第一试样并通过计算重量和体积的方法来测量该第一试样的真实孔隙率，而3D打印第二试样并通过微CT方法来测量该第二试样的孔隙率，然后将该第一试样的真实孔隙率除以该第二试样的孔隙率，即可获得所述孔隙率校准系数。

表4.在伪影校准后通过显微CT和光学显微镜测量的网状Ti6Al4V多孔结构。

实施例

实施例1网状多孔钛试样与SiC泡沫的比例为1：1。

根据图2中的方法制备1：1比率的网状钛多孔泡沫和80PPI SiC泡沫。80PPI SiC泡沫由标乐公司(Ultramet)制造。SiC泡沫具有每英寸80个孔(PPI)的孔隙率。在20微米的体素下通过微CT扫描尺寸为30mm×20mm×12.5mm的泡沫块。SiC泡沫的微CT扫描参数为：Bruker SkyScan 1173micro-CT，体素20μm，源电压100kV，源电流62μA。使用Bruker NRecon软件完成重建，使用Bruker CTAn软件进行孔隙率分析，并使用Synopsis Simpleware软件制备STL模型。没有环形修正，平滑。光束硬化校正40％。

从原始的30mm×20mm×12.5mm块数字切割1/2”立方体(12.5mm×12.5mm×12.5mm)。微CT扫描保存为STL格式。使用Materalise MagicsTM 3D打印软件，将四个1/2”多孔立方体数字组装成1.0”多孔立方体(25.4mm×25.4mm×25.4mm)。立方体的接触是面对面接触，即没有重叠。将1.0英寸数字立方体切割成直径25.4毫米，厚度1.5毫米的圆盘形状。将多孔盘和实心基体进行数字组装，其厚度分别为25.4mm和6.25mm。多孔层重叠100μm，从而形成数值试样模型。

使用TiAl4V ELI粉末，通过GE添加剂公司(GE Additive INC)的M2 Coursing 3D打印机对数字试样模型进行打印。在打印过程中，激光束设定为150μm直径。通过在空气中的机械振动从打印的试样中除去散开的粉末，然后在水中进行超声波清洗。

通过数字光学显微镜和微CT分析支柱厚度和孔径。对在1.0”直径实心基体上的Ti6Al4V多孔层(1.5mm厚，25.4mm直径)进行微CT扫描的参数是Bruker SkyScan1173μ-CT，体素20μm，源电压130kV，源电流60μA。

使用Bruker NRecon软件完成重建，使用Bruker CTAn软件进行孔隙率分析，并使用Synopsis Simpleware软件制备STL模型。为了最大限度地减少金属伪影，环形伪影校正为4级，平滑2级，光束硬化校正为100％。

实施例2：网状多孔钛试样与SiC泡沫的比例为1.25：1。

除了80PPI SiC泡沫的数字STL文件在三维几何形状中被放大到1.25倍之外，所有工艺参数与实施例1相同。

实施例3.网状多孔钛试样，与SiC泡沫的比例为1.50：1。

除了将80PPI SiC泡沫的数字STL文件在三维几何形状中放大到1.5比例之外，所有工艺参数与实施例1相同。

实施例4.网状多孔钛立方体与SiC泡沫的比例为1：1。

所有工艺参数与实施例1相同，只是将1/2”数字立方体直接打印到Ti6Al4V多孔立方体中。

实施例5.网状多孔钛壳，与SiC泡沫的比例为1：1

所有工艺参数与实施例1相同，不同之处在于将1/2”多孔立方体(12.5mm×12.5mm×12.5mm)数字组装成多孔髋臼壳，尺寸为40mm，厚度为1.5mm，将多孔髋臼壳与实心基体一起组装成数字髋臼杯模型，参加图5。将数字髋臼杯模型发送至M2 Cursing 3D打印机(GE添加剂)，以打印Ti6Al4V杯。与实施例1-3的试样不同，本实施例中，立方体之间没有面对面接触。相反，所有立方体都以100μm厚度进行重叠，进行数字组装。在3D打印之后，多孔层中没有可视装配线。

实施例6.网状多孔钛与碳泡沫的比例为1：1

所有工艺参数与实施例1相同，不同之处在于对网状碳泡沫进行微CT扫描，以3D打印网状多孔钛，其比例为1：1。网状碳泡沫的多孔结构如表1所示。由于支柱厚度极细，仅为56.4±17μm，3D打印机软件难以识别支柱。在调整3D打印机参数后，打印出网状多孔钛，但多孔空间内留下了大量粉末。由此，打印不成功。

实施例7.SiC泡沫和3D打印部件的表征

通过微CT扫描表征网状多孔SiC泡沫。根据ASTM F3259-17，进行微CT扫描，微CT机是Skyscan1173。分析采用自适应模式(最小值和最大值的平均值)，灰度阈值为20，灰度阈值为150。图6-8显示了80PPI SiC泡沫结构的特征，包括支撑厚度分布，孔径分布和累积孔隙大小分布。表1总结了结果。平均孔径为300-400μm，开孔率为76-78％。由于SiC涂层碳泡沫是具有低原子量的陶瓷，因此金属伪影可以忽略不计。对于表2中的80PPI泡沫，孔径300-400μm与计算的孔径317μm一致。

通过微CT扫描试样(实施例1-3)和1/2”立方体(实施例4)上的网状多孔钛层。

根据ASTM F3259-17，进行了微CT扫描。微CT机是Skyscan1173。该扫描使用自适应模式(最小值和最大值的平均值)，具有较低的灰度阈值60和较高的灰度阈值155。由于钛具有用于微CT的金属伪影，因此使用光学显微镜方法来测量支柱厚度和孔径。用重量和体积方法来直接测量1/2“多孔Ti6Al4V立方体的孔隙率。通过校准的分析天平测量加权，精确度为0.1mg。通过校准的千分尺测量体积，精确度为0.01mm。表3和表4列出了通过微CT扫描和光学显微镜在伪影校准之前和之后测量的网状Ti6Al4V多孔结构。

图9-11显示了3D打印的实施例1-3的网状多孔钛层的支柱厚度的光学显微镜照片。钛多孔结构相对于80PPI SiC泡沫按比例放大1.25和1.5倍，支柱厚度为约220μm，标准偏差为约50μm。这意味着支柱厚度由激光束直径决定。初始数字SiC泡沫支柱厚度为98μm，比例为1：1(表1)，数字化SiC泡沫支柱厚度在放大1.25和1.5倍后分别为122μm和147μm，小于150微米的最小激光束尺寸设置。由于金属伪影，微CT测量的支柱比光学显微镜测量的值厚约20-30μm(表1)，但是基于本发明的教导校正了伪影。

图9-11是(实施例1-3)的光学显微镜照片，其示出了在实心钛试样上3D打印的网状多孔钛层的孔径。与支柱厚度相比，孔径随Ti：SiC比例增加而增加。光学显微镜测得的孔径为350±60μm，458±68μm和562±82μm(表3)，这对应于Ti：SiC的设计比例为1，1.25和1.5。设计比例与实验比率1.0(350/350)，1.30(458/350)和1.60(560/350)基本一致。

图12是显示了具有Ti：SiC＝1.5：1.0比例的3D打印的网状Ti泡沫的微CT扫描的图片。微孔互相连接。图13-15是显示了没有金属伪影校准的支柱和孔径分布的原始微CT扫描数据。所有孔均大于180μm且小于800μm。骨骼优选在400μm，600μm和800μm的约600μm钛孔中生长。因此，本发明中优选的孔径是实施例3的试样，其Ti：SiC比例为1.5。

表4列出了网状钛多孔层的孔隙率。在伪影校准之后，对于实施例1-3，孔隙率被校正为50.38％，66.44％和79.65％。基于先前的讨论，放大过程主要用于放大孔径。实施例1-3的理论孔隙率值为50.38％，62.98％和75.57％，这与校准的孔隙率非常一致。这些孔隙率值表明Ti：SiC＝1：1比率是可接受的，优选1.25：1比率，最优选1.5：1比率。

表5显示了网状Ti6Al4V ELI试样的粘合强度结果。拉伸和剪切粘合强度均高于FDA要求的最低要求，拉伸为20MPa，剪切为22MPa。所有失效都发生在多孔钛/粘合剂界面。

表5.网状Ti6Al4V ELI试样的粘合强度结果

以上已详细描述了本发明的较佳实施例，但应理解到，在阅读了本发明的上述教导之后，本领域的普通技术人员可以对本发明作出各种变化或修改。所有的这些等同方案均落入本申请所附权利要求书所限定的保护范围。

Claims (20)

1.一种制造具有多孔部分的植入物的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

获取网状人造泡沫；

对网状人造泡沫进行扫描并将扫描结果存储成数字多孔模型；

对所述数字多孔模型进行编辑；

对所述数字多孔模型进行装配而形成数字多孔块；

对所述数字多孔块进行编辑而获得数字植入物模型；

对所述数字植入物模型进行3D打印而获得植入物。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述数字多孔模型进行编辑包括对所述数字多孔模型的支柱厚度和/或孔径进行编辑。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，对所述数字多孔模型中的支柱厚度和/或孔径进行编辑包括对支柱厚度和/或孔径进行放大或缩小。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述数字多孔模型进行装配而形成所述数字多孔块通过对所述数字多孔模型进行阵列化来进行。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述数字多孔模型进行装配而形成所述数字多孔块通过对所述数字多孔模型可用迪卡尔坐标，柱坐标，或球坐标沿三维方向进行阵列化来进行。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述数字多孔模型进行装配包括从所述数字多孔模型截取出基本单元，并将多个基本单元装配组合在一起而形成所述数字多孔块。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述数字多孔块的编辑包括将所述数字多孔块切割成数字多孔层，并将所述数字多孔层重叠铺设在基体上而形成数字植入物模型。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述数字多孔层的形状与待制作的植入物的形状相符，以及所述基体与待制作的植入物的形状相符。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，将所述数字多孔层重叠铺设在所述基体上通过布尔相交来实现。

10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述基体是实心基体或者多孔基体。

11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在扫描之前，将所述网状人造材料切割成立方体几何形状。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述立方体几何形状的体积小于0.5立方英寸。

13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对网状人造泡沫进行扫描通过微CT扫描来进行。

14.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在3D打印之后，进一步对所述植入物进行进行清洗。

15.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在3D打印之后，进一步对所述植入物进行喷砂处理和/或涂覆处理。

16.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述网状人造泡沫选自以下泡沫中的任一种：聚氨酯泡沫，碳泡沫，涂覆有陶瓷或者金属的碳泡沫。

17.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述网状人造泡沫选自以下泡沫中的任一种：铝涂层碳泡沫，铜涂层碳泡沫，镀镍碳泡沫，碳化硅涂覆的碳泡沫，涂有钽的碳泡沫，涂覆有氮化钛的碳泡沫，涂有碳化钛的碳泡沫。

18.一种植入物，其特征在于，所述植入物具有基体和重叠铺设在所述基体上的多孔部分，所述植入物通过以下方法制成：

对网状人造泡沫进行扫描并将扫描结果存储成数字多孔模型；

对所述数字多孔模型进行编辑；

对所述数字多孔模型进行装配而形成数字多孔块；

对所述数字多孔块进行编辑而获得植入物的多孔部分数字模型，并将所述多孔部分数字模型重叠铺设在一数字基体上而获得数字植入物模型；

将所述数字植入物模型发送至3D打印机进行3D打印而获得植入物。

19.一种多孔材料的孔隙率的计算方法，其特征在于，所述计算方法包括以下步骤：

通过微CT扫描测量多孔材料的孔隙率而获得第一孔隙率；

将第一孔隙率乘以孔隙率校准系数而获得实际孔隙率。

20.如权利要求19所述的计算方法，其特征在于，所述孔隙率校准系数通过以下步骤获得：

3D打印一多孔材料第一试样，并通过计算重量和体积的方法来测量该第一试样的真实孔隙率；

3D打印一多孔材料第二试样，并通过微CT方法来测量该第二试样的孔隙率；其中

将该第一试样的真实孔隙率除以该第二试样的孔隙率而获得所述孔隙率校准系数。

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