CN112006816A - 具有混合结构单元的多孔梯度支架及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有混合结构单元的多孔梯度支架及制备方法，该具有混合结构单元的多孔梯度支架包括多个支架结构，所述支架结构包括多个结构单元，并且所述支架结构采用所述多个结构单元沿长、宽、高三个维度进行阵列形成，所述支架结构的相对密度呈梯度变化；所述结构单元包括立方体框架和设置在所述立方体框架内部的多个支撑圆柱，并且形成多个所述支架结构的所述结构单元的结构不同。该具有混合结构单元的多孔梯度支架采用多个支架结构组合形成，具备良好力学和生物相容性，并且结构简单，大大缩短设计周期，而且能够提高支架结构成形的准确性。

Description

具有混合结构单元的多孔梯度支架及制备方法

技术领域

本发明涉及生物医用植入材料技术领域，具体涉及一种具有混合结构单元的多孔梯度支架及制备方法。

背景技术

钛及钛合金具有较低的弹性模量、优异的耐蚀性以及良好的生物相容性，因而被广泛应用于骨科领域。但长期的研究表明，现在临床使用的致密钛基种植体弹性模量(～110GPa)明显高于人体骨组织(松质骨0.01～3GPa，密质骨3～30GPa)，不利于应力从植入体向其周围自然骨组织传递，产生“应力屏蔽”现象，造成植入体周围出现骨吸收和功能的退化，最终导致植入体无菌松动。

通过多孔结构的设计，即调节孔隙率和孔的大小、形状和分布来改变材料的弹性模量，避免“应力屏蔽”现象，使植入体具有良好的力学相容性。此外，三维连通的孔隙结构有利于细胞的粘附、增殖和分化；促进营养物质运输及代谢废物排出，促进组织再生与重建，加快愈合过程。骨科植入材料作为承力材料需承受压力、拉力、界面剪切力和扭转力以及重复的磨损、疲劳的综合作用，因此除具备与骨组织接近的低弹性模量值，还应有足够的强度。但低弹性模量与高强度的需求相矛盾，而目前设计的具有单一结构单元的多孔支架难以追求二者之间很好的平衡，达到人体骨组织的优异性能。

此外，医用多孔植入体材料结构复杂、细节丰富、精度要求高、尺寸因人而异，这就对其加工成形技术提出了很高的要求。目前制备多孔梯度结构的传统方法，如粉末烧结法、铸造法、造孔剂法等，工艺复杂，制备周期长且无法精确控制孔的大小、形状及分布，因而无法得到多变可控的力学性能。

因此获得一种具有混合结构单元的多孔梯度结构植入体是骨置换术中亟待解决的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种具有混合结构单元的多孔梯度支架及制备方法，该具有混合结构单元的多孔梯度支架采用多个支架结构组合形成，具备良好力学和生物相容性，并且结构单元的结构简单，大大缩短设计周期，而且能够提高结构成形的准确性，以解决现有技术中的仿生支架结构单一且性能与人体骨组织的性能差距较大的技术问题。

为了实现上述目的，根据本发明的第一方面，提供了一种具有混合结构单元的多孔梯度支架。

该具有混合结构单元的多孔梯度支架包括多个支架结构，所述支架结构包括多个结构单元，并且所述支架结构采用所述多个结构单元沿长、宽、高三个维度进行阵列形成，所述支架结构的相对密度呈梯度变化；

所述结构单元包括立方体框架和设置在所述立方体框架内部的多个支撑圆柱，并且形成多个所述支架结构的所述结构单元的结构不同。

进一步的，所述多个支撑圆柱的两端分别通过所述立方体框架的体心，且其两端分别连接在所述立方体框架上。结构单元中多个支撑圆柱相互连接于立方体框架的体心，支撑圆柱的两端在立方体框架的棱边上，且多个支撑圆柱的两端可在立方体框架的棱边上从立方体框架的中点开始沿顺时针或逆时针方向移动，移动距离为x，假定立方体框架的棱边长为a，则0≤x≤a/2，对于支撑圆柱的具体连接方式不作具体限定，因此，可以根据实际需要设置支撑圆柱的连接方式，从而得到具有不同内部连接结构的结构单元，提高了设计的灵活性及结构的准确性。此外，还可以通过改变支撑圆柱的半径得到满足设计要求的结构单元。

进一步的，所述支撑圆柱的半径为0.2～0.45mm，考虑到支架的生物性能要求，多孔支架整体孔隙率应在50％以上才具备良好的生物性能，促进硬组织修复；以及选择性激光熔化技术的制造精度，故支撑圆柱的半径在0.2～0.45mm范围内。

进一步的，所述立方体框架为采用四分之一圆柱形成的棱边组成，并且所述支撑圆柱连接在所述棱边的曲面一侧；所述棱边的长度为1.5～4mm。

进一步的，所述支架结构设置有两个，分别为内层支架结构和第一支架结构，所述内层支架结构呈柱状多孔结构，所述第一支架结构呈空心柱状多孔结构，所述内层支架结构设置在所述第一支架结构的中部空心处，并且所述支架结构的相对密度由所述内层支架结构到所述第一支架结构呈梯度变化。

进一步的，所述支架结构设置有三个，分别为内层支架结构、第二支架结构和第三支架结构；所述第二支架结构和第三支架结构均呈空心柱状多孔结构，所述第二支架结构设置在所述第三支架结构的中部空心处，所述内层支架结构设置在所述第二支架结构的中部空心处，并且所述支架结构的相对密度由所述内层支架结构到所述第三支架结构呈梯度变化。

进一步的，所述内部支架结构包括多个第一结构单元，所述第一结构单元包括立方体框架和4个支撑圆柱，所述4个支撑圆柱的两端分别连接在所述立方体框架的各个顶点，也即x＝a/2，且所述4个支撑圆柱相互连接于所述立方体框架的体心处。

进一步的，所述第一支架结构包括多个第二结构单元，所述第二结构单元包括立方体框架和6个支撑圆柱，所述6个支撑圆柱的两端分别连接在所述立方体框架各个棱边的中点位置，也即x＝0，且所述6个支撑圆柱相互连接于所述立方体框架的体心处。

进一步的，所述第二支架结构包括多个第三结构单元，所述第三结构单元与所述第二结构单元相同，或者所述第三结构单元中支撑圆柱的两端分别连接在所述立方体框架各个棱边的2/5位置，也即x＝2a/5。

进一步的，所述第三支架结构包括多个第四结构单元，所述第四结构单元包括立方体框架和6个支撑圆柱，所述6个支撑圆柱的两端分别连接在所述立方体框架各个棱边的1/4位置，也即x＝a/4，且所述6个支撑圆柱相互连接与所述立方体框架的体心。

为了实现上述目的，根据本发明的第二方面，提供了一种具有混合结构单元的多孔梯度支架的制备方法。

该制备方法包括以下步骤：

S1，构建基本单元：利用三维建模软件构建多个结构单元；

S2，构建梯度结构：利用三维建模软件构建多个支架结构，然后通过布尔运算得到圆柱体状的多孔梯度支架的模型；

S3，对所述多孔梯度支架的模型进行分层切片处理，并将得到的二维数据信息输入金属打印设备中；所述金属打印设备的工艺参数为：激光功率150～200W，扫描速度600～900mm/s，扫描间距0.1～0.14mm，铺粉层厚20～30μm；

S4，采用选择性激光熔化技术制备得到多孔梯度支架。

在本发明中，由于形成支架结构的结构单元的结构多样性，且梯度方式的设置多种多样，故多孔支架结构具有多样性，例如由棱心立方结构、体心立方结构和支撑圆柱两端分别连接于立方体框架棱边1/4位置等结构单元分别形成单一支架结构，并由多个上述单一支架结构组成的具有和混合结构单元的多孔梯度支架。

本发明相对于现有技术具有如下优点：

1、本发明所设计的混合结构单元多孔梯度支架，包括多种不同的单元结构，结构单元包括：体心立方结构单元、棱心立方结构单元、x＝a/4以及x＝2a/5时对应的结构单元，结构简单，提高结构成形的准确性，且大大缩短设计周期。

2、本发明设计的多孔梯度支架中所涉及的多种立方单元结构具有相同尺寸的棱边长度和圆柱半径，有利于实现各单元结构之间的无缝连接，提高结构的强度。

3、本发明所设计的混合结构单元多孔梯度支架，模仿人骨骼“外密内疏”的特性，设计的具有三维连通孔隙特征的规则排列的多孔梯度结构不仅满足植入物的强度和弹性模量要求，表现出良好的力学相容性；而且有利于细胞的粘附、增殖和分化并促进营养物质的运输及代谢废物排出体外，表现出良好的生物相容性。

4、本发明所设计的混合结构单元多孔梯度支架的制造相比于传统制造方法更加简单，生产周期短且成形精度高。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例中第一结构单元的结构示意图；

图2为本发明实施例中第二结构单元的结构示意图；

图3为本发明一种实施例中内层支架结构的结构示意图；

图4为本发明一种实施例中内层支架结构的俯视图；

图5为本发明一种实施例中第一支架结构的结构示意图；

图6为本发明一种实施例中第一支架结构的俯视图；

图7为本发明一种实施例中具有混合结构单元的多孔梯度支架的结构示意图；

图8为本发明一种实施例中具有混合结构单元的多孔梯度支架的俯视图；

图9为图7中具有混合结构单元的多孔梯度支架的纵向二分之一结构的主视图；

图10为本发明另一种实施例中第四结构单元的结构示意图；

图11为本发明另一种实施例中内层支架结构的结构示意图；

图12为本发明另一种实施例中第二支架结构的结构示意图；

图13为本发明另一种实施例中第三支架结构的结构示意图；

图14为本发明另一种实施例中具有混合结构单元的多孔梯度支架的俯视图；

图15为本发明另一种实施例中具有混合结构单元的多孔梯度支架的纵向二分之一结构的主视图。

图中：

1、立方体框架；2、支撑圆柱；3、内层支架结构；4、第一支架结构；5、中部空心；6、第二支架结构；7、第三支架结构；A：高密度区；B：低密度区；C：内层支架结构和第一支架结构之间的界面；E、中密度区；F、第二支架结构和第三支架结构之间的界面。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本发明公开了一种具有混合结构单元的多孔梯度支架，如图7～图9和图14～图15所示，该具有混合结构单元的多孔梯度支架包括多个支架结构，支架结构包括多个结构单元，并且支架结构采用多个结构单元沿长、宽、高三个维度进行阵列形成，支架结构的相对密度呈梯度变化；结构单元包括立方体框架1和设置在立方体框架1内部的多个支撑圆柱2，并且形成多个支架结构的结构单元的结构不同。

在上述实施例中，具有混合结构单元的多孔梯度支架主要由多个支架结构组合形成，而支架结构主要由多个结构单元组合形成，具体地，支架结构为采用多个结构单元沿长、宽、高三个维度进行阵列形成的柱状多孔结构，并且支架结构的相对密度呈梯度变化，外层相对密度大于内部相对密度；进一步地，结构单元主要由立方体框架1和设置在立方体框架1内部的多个支撑圆柱2组合形成，支撑圆柱2形成对立方框架1的有效支撑，并且形成多个支架结构的结构单元的结构不同，也即可以理解为相同结构的多个结构单元沿长、宽、高三个维度进行排列连接形成一支架结构，形成多个支架结构的结构单元的结构不同。

作为本发明的另一种实施例，立方体框架1为采用四分之一圆柱形成的棱边组成，并且支撑圆柱2连接在棱边的曲面一侧。如图1和图2所示，12个采用四分之一圆柱形成的棱边组合形成立方体框架1，并且支撑圆柱2的一端连接在棱边的曲面一侧，因而当多个骨修复用结构单元排列连接时，相邻的四个骨修复用结构单元的棱边组合形成一完整的圆柱结构。

作为本发明的另一种实施例，棱边的长度在1.5～4mm范围内。

本发明公开了一种具有两个支架结构的多孔梯度支架，如图3～图7所示，多孔梯度支架包括内层支架结构3和第一支架结构4，内层支架结构3呈柱状多孔结构，第一支架结构4呈空心柱状多孔结构，内层支架结构3设置在第一支架结构4的中部空心5处，并且支架结构的相对密度由内层支架结构3到第一支架结构4呈梯度变化，而且内层支架结构3与第一支架结构4匹配连接。

进一步地，内层支架结构3为柱状多孔结构的内切圆柱体状多孔结构，或者内层支架结构3为柱状多孔结构中部经切面形成的圆柱体状多孔结构。

进一步地，第一支架结构4为柱状多孔结构经切面形成的空心圆柱体状多孔结构，并且内层支架结构3连接在第一支架结构4的中部空心5处。

作为本发明的另一种实施例，内层支架结构3为采用多个第一结构单元沿水平及竖直方向阵列形成的柱状多孔结构，如图3和图4所示，第一结构单元由立方体框架1和4个支撑圆柱2组合形成，4个支撑圆柱2形成对立方体框架1的有效支撑，4个支撑圆柱2的两端分别连接在立方体框架1的各个顶点，4个支撑圆柱2相互连接于立方体框架1的体心处，形成体心立方结构。

作为本发明的另一种实施例，第一支架结构4为采用多个第二结构单元沿水平及竖直方向阵列形成的空心柱状多孔结构，如图5和图6所示，第二结构单元由立方体框架1和6个支撑圆柱2组合形成，6个支撑圆柱2两端分别连接在立方体框架1各个棱边的中点位置，6个支撑圆柱2相互连接于立方体框架1的体心处，形成棱心立方结构。

由于内层支架结构3中的支撑圆柱2的数量相对较少且连接位置不同于第一支架结构4，当然也可以采用支撑圆柱2的数量、连接位置以及半径均不同的具体实施方式，内层支架结构3具有较低的密度以及较高的孔隙率，可有效降低植入体的弹性模量，避免“应力屏蔽”现象的发生，且较大的孔径有利于提高渗透率，促进营养物质的运输及代谢废物的排出，有利于细胞的增殖和分化；相应地，第一支架结构4相比较于内层支架结构3具有较高的密度以及较低的孔隙率，能够提供骨组织作为承力结构所需的高强度，且较小的孔径有利于细胞的粘附。

而且，将具有较高密度的第一支架结构4与具有较低密度的内层支架结构3进行有效结合，并且形成“外密内疏”结构体，与人体骨骼的特性，即表层具有高强度低孔隙率的骨密质，内层具有低强度高孔隙率的骨松质高度吻合，因而可以实现在保证植入体作为承力件的强度需要的同时降低弹性模量，使植入体与自然骨具有良好的力学相容性；同时具备良好的生物相容性，提高植入体的使用寿命。

在本发明中，如图9所示，具有混合结构单元的多孔梯度支架中第一支架结构4形成的外层高密度区A具有低孔隙率，可提供足够的强度，而内层支架结构3形成的内层低密度区B具有高孔隙率，可明显降低植入体的弹性模量，并促进营养物质的运输及细胞的增殖和分化，内层支架结构3与第一支架结构4在界面C处无缝连接成一整体支架结构。

本发明公开了一种具有三个支架结构的多孔梯度支架，如图11～图14所示，多孔梯度支架包括内层支架结构3、第二支架结构6和第三支架结构7，内层支架结构3呈柱状多孔结构，第二支架结构6呈空心柱状多孔结构，第三支架结构7呈空心柱状多孔结构；内层支架结构3设置在第二支架结构6的中部空心5处，第二支架结构6设置在第三支架结构7的中部空心5处，并且支架结构的相对密度由内层支架结构3到第三支架结构7呈梯度变化，而且内层支架结构3、第二支架结构6以及第三支架结构7之间匹配连接，形成一整体支架结构。

进一步地，第二支架结构6为柱状多孔结构经切面形成的空心圆柱体状多孔结构，并且内层支架结构3连接在第二支架结构6的中部空心5处。

进一步地，第三支架结构7为柱状多孔结构经切面形成的空心圆柱体状多孔结构，并且第二支架结构6连接在第三支架结构7的中部空心5处。

作为本发明的另一种实施例，内层支架结构3为采用多个第一结构单元沿水平及竖直方向阵列形成的柱状多孔结构，结合图1和图11所示，第一结构单元由立方体框架1和4个支撑圆柱2组合形成，4个支撑圆柱2形成对立方体框架1的有效支撑，4个支撑圆柱2的两端分别连接在立方体框架1的各个顶点，且4个支撑圆柱2相互连接于立方体框架的体心位置，形成体心立方结构。

作为本发明的另一种实施例，第二支架结构6为采用多个第三结构单元沿水平及竖直方向阵列形成的空心柱状多孔结构，结合图2和图12所示，第三结构单元由立方体框架1和6个支撑圆柱2组合形成，6个支撑圆柱2两端分别连接在立方体框架1各个棱边的中点位置，且6个支撑圆柱2相互连接于立方体框架1的体心处，形成棱心立方结构。

作为本发明的另一种实施例，第三结构单元由立方体框架1和6个支撑圆柱2组合形成，6个支撑圆柱2两端分别连接在立方体框架1各个棱边的2/5位置，即x＝2a/5，且6个支撑圆柱2相互连接于立方体框架1的体心处(未图示)。

作为本发明的另一种实施例，第三支架结构7为采用多个第四结构单元沿水平及竖直方向阵列形成的空心柱状多孔结构，结合图10和图13所示，第四结构单元由立方体框架1和6个支撑圆柱2组合形成，6个支撑圆柱2两端分别连接在立方体框架1各个棱边的1/4位置，即x＝a/4，且6个支撑圆柱2相互连接于立方体框架1的体心处。

由于内层支架结构3、第二支架结构6和第三支架结构7中的支撑圆柱2的数量、连接位置不同，因而使得内层支架结构3、第二支架结构6和第三支架结构7具有不同的相对密度，且呈梯度变化，具体为内层支架结构3的相对密度<第二支架结构6的相对密度<第三支架结构7的相对密度，因此具有低相对密度的内层支架结构3可有效降低植入体的弹性模量，避免“应力屏蔽”现象的发生，且较大的孔径有利于提高渗透率，促进营养物质的运输及代谢废物的排出，有利于细胞的增殖和分化；相应地，第三支架结构7相比较于内层支架结构3和第二支架结构6具有较高的密度以及较低的孔隙率，能够提供骨组织作为承力结构所需的高强度，且较小的孔径有利于细胞的粘附；具有中密度的第二支架结构6有利于减缓内层支架结构3和第三支架结构7之间的过渡，更好的防止应力集中。故将具有较高密度的第三支架结构7与具有较低密度的内层支架结构3以及中密度的第二支架结构6进行有效结合，并且形成“外密内疏”结构体，与人体骨骼的特性，提高植入体的力学和生物相容性。

需要说明的是，在实际实施中，也可以采用支撑圆柱2的数量、连接位置以及半径均不同的实施方式获得相对密度呈梯度变化的多孔梯度支架。

在本发明中，如图15所示，具有混合结构单元的多孔梯度支架中第三支架结构7和第二支架结构6在界面F处无缝连接成一个整体，第二支架结构6与内层支架结构3在界面C处无缝连接成一整体支架结构；最终三个支架结构连接形成一个整体支架结构。

本发明还公开了一种具有混合结构单元的多孔梯度支架的制备方法，该制备方法具体包括以下步骤：

S1，构建基本单元：利用SOLIDWORKS软件构建第一结构单元、第二结构单元、第三结构单元和第四结构单元；具体步骤不做限定，根据所述混合结构单元的梯度支架所包含的支架数量及结构而定。

S2，构建梯度结构：利用SOLIDWORKS软件构建内层支架结构、第一支架结构、第二支架结构和第三支架结构，然后通过布尔运算得到圆柱体状的多孔梯度支架的模型；具体地，

包括两个支架的具有混合结构单元的梯度支架结构的构建步骤如下：

S2-1，先构建柱状内层支架结构以及空心柱状第一支架结构，如构建得到6*6*10mm的内层支架结构以及10*10*10mm的第一支架结构；

S2-2，通过布尔运算得到呈圆柱体状多孔结构的内层支架结构和呈空心圆柱体状多孔结构的第一支架结构，如得到直径4mm、高10mm的内层支架结构以及层厚D 3mm、中空圆柱直径R 4mm、高10mm的第一支架结构；

S2-3，将通过布尔运算得到的内层支架结构和第一支架结构再通过布尔运算求并，得到圆柱体状的多孔梯度支架的模型。在该步骤中，内层支架结构和第一支架结构中的各单元结构之间无缝连接，有利于应力在整个结构中传递且较均匀分布。

包括三个支架的具有混合结构单元的梯度支架结构的构建步骤如下：

S2-1，先构建柱状内层支架结构以及空心柱状第二支架结构和第三支架结构，如构建得到2*2*10mm的内层支架结构、6*6*10mm的第二支架结构以及10*10*10mm的第三支架结构；

S2-2，通过布尔运算得到呈圆柱体状多孔结构的内层支架结构以及呈空心圆柱体状多孔结构的第二支架结构和第三支架结构，如得到直径2mm、高10mm的内层支架结构，层厚D 2mm、中空圆柱直径R 2mm、高10mm的第二支架结构以及层厚D 2mm、中空圆柱直径R6mm、高10mm的第三支架结构；

S2-3，将通过布尔运算得到的内层支架结构、第二支架结构和第三支架结构再通过布尔运算求并，得到圆柱体状的多孔梯度支架的模型。在该步骤中，内层支架结构、第二支架结构以及第三支架结构中的各单元结构之间无缝连接，有利于应力在整个结构中传递且较均匀分布。

S3，对多孔梯度支架的模型进行分层切片处理，并将得到的二维数据信息输入金属打印设备中；具体地，

S3-1，将CAD模型导入快速成型辅助软件Materialise Magics中，进行分层切片处理，得到二维数据信息；

S3-2，将二维数据信息进行扫描路径生成，将所得数据输入选择性激光熔化(SLM)设备中，设置工艺参数，具体为：激光功率150～200W，扫描速度600～900mm/s，扫描间距0.1～0.14mm，铺粉层厚20～30μm。

S4，采用选择性激光熔化技术制备得到多孔梯度支架。在该步骤中，采用粒度范围为30～45μm的Ti粉末为原料，通过SLM设备来制备多孔梯度支架。

S5，将上述步骤制备得到的多孔梯度支架制品取出后，经过喷砂及超声处理，得到多孔梯度支架成品。同时通过压缩实验得到压缩屈服强度和弹性模量，与人体骨组织比较。

需要说明的是，本发明在步骤S2之后，步骤S3之前还对构建得到的圆柱体状的多孔梯度支架的模型进行力学性能和渗透性分析，具体地：

力学分析，通过有限元分析软件ANSYS WORKBENCH软件对所设计得到的多孔梯度支架模型进行仿真模拟，得到多孔梯度支架模型的最大等效应力，判断其在设置的工况条件下是否失效。其中，仿真具体条件设置如下：材料参数根据3D打印制品的性能参数设置，即密度4.64g/cm3，泊松比0.33，弹性模量110Gpa，圆柱体下表面添加固定约束条件，垂直于上表面施加50MPa的固定力，因为骨骼承受的力一般为人体重力的5倍，故假定一位成年男子的体重为75Kg，根据P＝F/S得到所受应力为50MPa。

通过ANSYS WORKBENCH软件中的Fluent模块对多孔梯度支架进行渗透性的仿真模拟，仿真条件如下：为模拟体液，确保液体处于层流，入口为速度入口，值设置为0.001m/s，流体设置为不可压缩流体水，密度为1000kg/m3，粘度为0.001Pa·s，出口为压力出口，值设置为0Pa，壁面条件设置为非滑移壁面；通过渗透率公式

及压力分布云图计算得到渗透率。

下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

实施例1：

一种具有混合结构单元的多孔梯度支架，该支架包括内层支架结构3和第一支架结构4，其中：内层支架结构3形成内层低密度区，第一支架结构4形成外层高密度区；第一支架结构4为多个第二结构单元排列连接构成的10*10*10mm立方体，然后经过布尔运算得到的层厚D 3mm，中空圆柱直径R4mm，高10mm的空心圆柱体，第二结构单元为由立方体框架1和半径为0.25mm的支撑圆柱2构成的棱心立方结构；立方体框架1为由长度为2mm的棱边组成，并且该棱边采用四分之一圆柱形成，圆柱的半径为0.25mm；内层支架结构3为多个第一结构单元排列连接构成的6*6*10mm立方体，然后通过布尔运算得到的直径4mm、高10mm的圆柱体，第一结构单元为由立方体框架1和半径为0.25mm的支撑圆柱2构成的体心立方结构；立方体框架1为由长度为2mm的棱边组成，并且该棱边采用四分之一圆柱形成，圆柱的半径为0.25mm。

对实施例1中得到的具有混合结构单元的多孔梯度支架模型进行力学性能和渗透性能的仿真模拟。

实施例1中的具有混合结构单元的多孔梯度支架的制备方法包括以下步骤：

S1，利用SOLIDWORKS软件构建第一结构单元和第二结构单元；

S2，利用SOLIDWORKS软件构建内层支架结构和第一支架结构，然后通过布尔运算得到圆柱体状的多孔梯度支架的模型；

S3，将SOLIDWORKS软件绘制的3D模型导入快速成型辅助软件Materalise Magics中进行分层切片处理，得到二维数据信息；

S4，将二维数据信息进行扫描路径生成，将所得二维数据输入SLM设备中，并设置工艺参数：激光功率175W，扫描速度900mm/s，扫描间距0.14mm，铺粉层厚30μm；

S5，利用SLM设备进行结构制备，取出后进行喷砂、超声处理。同时通过压缩实验得到屈服强度和弹性模量，与人体骨组织比较。

实施例2～4分别公开了一种混合结构单元多孔梯度支架，并且采用与实施例1相同的制备方法制备，所不同之处主要在于混合结构单元多孔梯度支架的各组成结构尺寸不同以及SLM设备的具体工艺参数不同，现将实施例1～4中混合结构单元多孔梯度支架的各组成结构的尺寸及制备方法中的各工艺参数进行汇总，详见表1。

表1

实施例5：

一种具有混合结构单元的多孔梯度支架，该支架包括内层支架结构3、第二支架结构6和第三支架结构7，其中：内层支架结构3形成内层低密度区，第二支架结构6形成次外层中密度区，第三支架结构7形成最外层高密度区；第三支架结构7为多个第四结构单元阵列形成的10*10*10mm立方体，然后经过布尔运算得到的层厚D 2mm，中空圆柱直径R 6mm，高10mm的空心圆柱体，第四结构单元为由立方体框架1和半径为0.25mm的支撑圆柱2构成的支撑圆柱的两端位于立方体框架棱边的1/4位置处(x＝a/4)的结构；立方体框架1为由长度为2mm的棱边组成，并且该棱边采用四分之一圆柱形成，圆柱的半径为0.3mm；第二支架结构6为多个第三结构单元阵列形成的6*6*10mm立方体，然后经过布尔运算得到的层厚D 2mm，中空圆柱直径R 2mm，高10mm的空心圆柱体，第三结构单元为由立方体框架1和半径为0.25mm的支撑圆柱2构成的棱心立方结构；立方体框架1的尺寸与第四结构单元相同；内层支架结构3为多个第一结构单元排列连接构成的2*2*10mm立方体，然后通过布尔运算得到的直径2mm、高10mm的圆柱体，第一结构单元为由立方体框架1和半径为0.25mm的支撑圆柱2构成的体心立方结构；立方体框架1的尺寸与第三结构单元相同。

按照实施例1中的方法对实施例5中得到的具有混合结构单元的多孔梯度支架模型进行力学性能和渗透性能的仿真模拟，并按照实施例1中的制备工艺制备具有内层支架结构3、第二支架结构6和第三支架结构7的多孔梯度支架。

实施例6～8分别公开了一种混合结构单元多孔梯度支架，并且采用与实施例5相同的制备方法制备，所不同之处主要在于混合结构单元多孔梯度支架的各组成结构尺寸不同以及SLM设备的具体工艺参数不同，现将实施例5～8中混合结构单元多孔梯度支架的各组成结构的尺寸及制备方法中的各工艺参数进行汇总，详见表2。

表2

以下将对实施例1～4以及实施例5～8中制备得到的多孔梯度支架的性能进行总结，详见表3和表4。

表3

表4

从表3和表4可以看出，本发明实施例1～4和实施例5～8中制备得到的混合多孔梯度支架的孔隙率为50.1％～68.5％，均大于50％，满足作为植入体孔隙率的要求；并且根据渗透性模拟计算得到的渗透率在4.74*10-9～15.1*10-9m2，与人体骨组织的渗透率0.467*10-9～14.8*10-9m2相似，表明本发明中制备得到的多孔梯度支架具备良好的渗透性能，有利于细胞的粘附、增殖和分化，促进营养物质的运输及代谢废物排出体外。

表3和表4分别所示的实施例3和实施例6中的多孔支架的孔隙率都约为55％，即在结构单元棱边尺寸为1.5mm时的最大孔隙率，因此，若选用棱边长度更小的结构单元可能会导致孔隙率小于50％，从而降低支架的生物相容性。

此外，从表3可以看出，本发明实施例1～4中制备得到的混合多孔梯度支架的压缩屈服强度在42.5～152.81MPa，在密质骨强度(10～220MPa)范围内，且超过松质骨的强度(0.8～11.6MPa)；弹性模量在3.3～6.59GPa范围内，与人体骨组织的弹性模量值(0.01～30Gpa)较为接近，具备良好的力学相容性。

本发明中的实施例1～实施例4中的多孔梯度支架在单向压缩条件下的最大等效应力为315.3～787.6MPa，均小于材料的屈服强度830MPa，表明该支架结构在50MPa的应力作用下不会发生失效。

从表4可以看出，本发明实施例5～实施例8中制备得到的具有混合结构单元的多孔梯度支架的压缩屈服强度为41～113MPa，在密质骨的强度(10～220MPa)范围内，且远超过松质骨的强度值，可作为承力假体支架；且弹性模量在3.25～5.09GPa范围内，与骨组织的弹性模量值0.001～30GPa接近，具备良好的力学相容性。

本发明中的实施例5～实施例8中的多孔梯度支架在单向压缩条件下的最大等效应力为455.3～825.6MPa，小于或接近于材料的屈服强度830MPa，表明该支架结构在50MPa的应力作用下不会发生失效。

结合表3和表4可以发现，当单元结构的棱边尺寸为4mm时，支柱半径为0.45mm，即孔隙率最小时，最大等效应力值已接近材料的屈服强度，因此，若棱边尺寸进一步增大将会导致支架结构的最大等效应力超过材料的屈服强度。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种具有混合结构单元的多孔梯度支架，其特征在于，包括多个支架结构，所述支架结构包括多个结构单元，并且所述支架结构采用所述多个结构单元沿长、宽、高三个维度进行阵列形成，所述支架结构的相对密度呈梯度变化；

所述结构单元包括立方体框架(1)和设置在所述立方体框架(1)内部的多个支撑圆柱(2)，并且形成多个所述支架结构的所述结构单元的结构不同。

2.根据权利要求1所述的具有混合结构单元的多孔梯度支架，其特征在于，所述多个支撑圆柱(2)的两端分别通过所述立方体框架(1)的体心，且其两端分别连接在所述立方体框架(1)上；所述支撑圆柱(2)的半径为0.2～0.45mm。

3.根据权利要求1所述的具有混合结构单元的多孔梯度支架，其特征在于，所述立方体框架(1)为采用四分之一圆柱形成的棱边组成，并且所述支撑圆柱(2)连接在所述棱边的曲面一侧；所述棱边的长度为1.5～4mm。

4.根据权利要求1所述的具有混合结构单元的多孔梯度支架，其特征在于，所述支架结构设置有两个，分别为内层支架结构(3)和第一支架结构(4)，所述内层支架结构(3)呈柱状多孔结构，所述第一支架结构(4)呈空心柱状多孔结构，所述内层支架结构(3)设置在所述第一支架结构(4)的中部空心(5)处，并且所述支架结构的相对密度由所述内层支架结构(3)到所述第一支架结构(4)呈梯度变化。

5.根据权利要求4所述的具有混合结构单元的多孔梯度支架，其特征在于，所述支架结构设置有三个，分别为内层支架结构(3)、第二支架结构(6)和第三支架结构(7)；所述第二支架结构(6)和第三支架结构(7)均呈空心柱状多孔结构，所述第二支架结构(6)设置在所述第三支架结构(7)的中部空心(5)处，所述内层支架结构(3)设置在所述第二支架结构(6)的中部空心(5)处，并且所述支架结构的相对密度由所述内层支架结构(3)到所述第三支架结构(7)呈梯度变化。

6.根据权利要求5所述的具有混合结构单元的多孔梯度支架，其特征在于，所述内部支架结构(3)包括多个第一结构单元，所述第一结构单元包括立方体框架(1)和4个支撑圆柱(2)，所述4个支撑圆柱(2)的两端分别连接在所述立方体框架(1)的各个顶点，且所述4个支撑圆柱(2)相互连接于所述立方体框架(1)的体心处。

7.根据权利要求6所述的具有混合结构单元的多孔梯度支架，其特征在于，所述第一支架结构(4)包括多个第二结构单元，所述第二结构单元包括立方体框架(1)和6个支撑圆柱(2)，所述6个支撑圆柱(2)的两端分别连接在所述立方体框架(1)各个棱边的中点位置，且所述6个支撑圆柱(2)相互连接于所述立方体框架(1)的体心处。

8.根据权利要求7所述的具有混合结构单元的多孔梯度支架，其特征在于，所述第二支架结构(6)包括多个第三结构单元，所述第三结构单元与所述第二结构单元相同，或者所述第三结构单元中支撑圆柱(2)的两端分别连接在所述立方体框架(1)各个棱边的2/5位置。

9.根据权利要求7所述的具有混合结构单元的多孔梯度支架，其特征在于，所述第三支架结构(7)包括多个第四结构单元，所述第四结构单元包括立方体框架(1)和6个支撑圆柱(2)，所述6个支撑圆柱(2)的两端分别连接在所述立方体框架(1)各个棱边的1/4位置，且所述6个支撑圆柱(2)相互连接与所述立方体框架(1)的体心。

10.一种权利要求1～9任一项所述的具有混合结构单元的多孔梯度支架的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，构建基本单元：利用三维建模软件构建多个结构单元；

S2，构建梯度结构：利用三维建模软件构建多个支架结构，然后通过布尔运算得到圆柱体状的多孔梯度支架的模型；

S3，对所述多孔梯度支架的模型进行分层切片处理，并将得到的二维数据信息输入金属打印设备中；所述金属打印设备的工艺参数为：激光功率150～200W，扫描速度600～900mm/s，扫描间距0.1～0.14mm，铺粉层厚20～30μm；

S4，采用选择性激光熔化技术制备得到多孔梯度支架。

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