CN112206077B - 基于Primitive和Diamond曲面结构单元的多孔梯度支架及制备方法 - Google Patents

基于Primitive和Diamond曲面结构单元的多孔梯度支架及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于Primitive和Diamond曲面结构单元的多孔梯度支架及制备方法，该多孔梯度支架包括内层支架结构和外层支架结构，所述内层支架结构由多个Diamond曲面结构单元沿长、宽、高三个维度阵列形成，所述外层支架结构由多个Primitive曲面结构单元沿长、宽、高三个维度阵列形成；所述外层支架结构设置在所述内层支架结构的外侧，并且所述多孔梯度支架的孔隙率由所述内层支架结构向所述外层支架结构呈梯度变化。该具有混合点阵的多孔梯度支架具备良好力学和生物相容性。

Description

基于Primitive和Diamond曲面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，具体涉及一种基于Primitive和Diamond曲面结构单元的多孔梯度支架及制备方法。
背景技术
日常生活中，由于老龄化、运动创伤、疾病等原因，常会导致人体骨骼的大面积缺损，严重降低人们的生活质量，人工假体置换手术是治疗大面积骨缺损的重要方法。然而，目前研发的多孔假体支架多为传统直杆基单一点阵结构的支架，这类支架在力学和生物相容性上无法与人体很好的匹配。一方面，直杆基点阵结构在杆间的节点位置处易产生应力集中，在循环应力的作用下提前失效，且直杆基点阵结构的比表面积相对较小，不利于细胞的粘附、增殖和分化以及体液和代谢废物的运输；另一方面，单一点阵结构无法兼具高强度、高孔隙率以及高渗透率，力学和生物相容性较差，无法满足临床植入的需求。
三周期极小曲面(TPMS)结构与自然骨的表面形态十分相似，其平滑过渡的曲面结构可避免传统直杆基点阵结构在杆间节点位置处存在的应力集中问题，以及低的比表面积和低的渗透率，对细胞粘附、增殖和分化以及体液运输造成的不利影响；且参数化控制的孔隙结构多变可控。但单一TPMS曲面基点阵结构支架仍无法满足人工假体所需的力学和生物性能。
此外，目前制备多孔梯度结构的传统方法有：粉末烧结法、铸造法、造孔剂法等。这些传统制备方法工艺复杂、制备周期长且无法精确控制孔的大小、形状及分布，因而无法得到具有目标性能的支架结构。
因此，获得一种基于TPMS结构的混合点阵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基于Primitive和Diamond曲面结构单元的多孔梯度支架及制备方法，该具有混合点阵的多孔梯度支架采用内层支架结构和外层支架结构组合形成，具备良好力学和生物相容性，充分发挥Primitive和 Diamond曲面结构单元各自的优势，即Primitive曲面结构单元具有高强度，可以代替密质骨提供支撑强度，Diamond曲面结构单元具有高渗透率，可代替松质骨促进物质运输，并且结构单元的结构基于隐函数表达式，提高了设计及成形的准确性，以解决现有技术中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，提供了一种基于Primitive和Diamond曲面结构单元的多孔梯度支架。
该基于Primitive和Diamond曲面结构单元的多孔梯度支架包括内层支架结构和外层支架结构，其中：
所述内层支架结构由多个Diamond曲面结构单元沿长、宽、高三个维度阵列形成；
所述外层支架结构由多个Primitive曲面结构单元沿长、宽、高三个维度阵列形成；
所述外层支架结构设置在所述内层支架结构的外侧，并且所述多孔梯度支架的孔隙率由所述内层支架结构向所述外层支架结构呈梯度变化。
进一步的，所述Diamond曲面结构单元的隐函数表达式为：
Figure RE-GDA0002790125030000021
其中，a、b、 c为结构单元在x、y、z方向的长度；t1为控制结构单元孔隙率的常数。
进一步的，所述Primitive曲面结构单元的隐函数表达式为：
Figure RE-GDA0002790125030000022
其中，a、b、c 为结构单元在x、y、z方向的长度；t2为控制结构单元孔隙率的常数。
进一步的，所述Diamond和Primitive曲面结构单元中a、b、c均为0.5～2mm；所述常数t1为0.0833～0.75，所述常数t2为0.1754～1.5789。
由于孔隙率范围为10～90％，故常数t1和t2的取值范围分别为0.0833～0.75 和0.1754～1.5789。
进一步的，所述内层支架结构呈柱状多孔结构，所述外层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外层支架结构的中部空心处，并且所述内层支架结构和外层支架结构之间通过S型函数平滑过渡连接。
进一步的，所述S型函数的表达式为：
Figure RE-GDA0002790125030000031
其中，k为控制所述内层支架结构和外层支架结构之间过渡区域宽度的常数，其值为0.5～3；函数G(x,t,z)决定过渡区域的形貌，且函数G(x,y,z)＝0所对应的坐标为过渡区域中心。
k值控制内层支架结构和外层支架结构之间过渡区域的宽度，k值越大过渡区域越窄；函数G(x,y,z)决定过渡区域的形貌，且函数G(x,y,z)＝0所对应的坐标为过渡区域中心，即过渡区域内比例为50％第一支架结构和50％第二支架结构对应的位置，k值以及函数G(x,y,z)根据实际情况进行选择。
进一步的，所述多孔梯度支架的表达式为：
Figure RE-GDA0002790125030000032
进一步的，所述内层支架结构为圆柱体状多孔结构，所述外层支架结构为空心圆柱体状多孔结构。
进一步的，所述圆柱状多孔梯度支架的表达式为：
Figure RE-GDA0002790125030000033
；其中，
Figure RE-GDA0002790125030000034
其为所述多孔梯度支架不同位置的半径函数；r0为所述圆柱状多孔梯度支架的半径；z为所述多孔梯度支架不同位置的高度；h为所述圆柱状多孔梯度支架的高度。各参数可以根据实际情况进行选择。
上述表达式中前两个不等式分别决定了两个等值面包围的体积，因此取交集之后即可得到两个等值面之间的部分，即确定了所需多孔梯度支架的形貌；后两个不等式决定了支架结构的边界。
为了实现上述目的，根据本发明的第二方面，提供了一种基于Primitive和Diamond曲面结构单元的多孔梯度支架的制备方法。
上述的基于Primitive和Diamond曲面结构单元的多孔梯度支架的制备方法包括以下步骤：
S1，构建结构表达式：确定内层支架结构和外层支架结构的表达式，并得到基于Primitive和Diamond曲面结构单元的多孔梯度结构的表达式；
S2，构建梯度结构：通过计算软件进行可视化处理，得到基于Primitive和Diamond曲面结构单元的多孔梯度支架的3D模型并导出；
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；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，函数G(x,y,z)决定过渡区形貌，具体方式为：在过渡区域内，控制在不同位置的两种结构的比例。
例如：过渡区中心在x＝0处(即G(x,y,z)函数的零点为x＝0)，且G(x,y,z)为一次函数时，在不同位置两种结构的比例如图10所示；
保持过渡中心不变，当G(x,y,z)为三次函数时，在不同位置两种结构的比例为如图11所示；
可以看出，不同的G(x,y,z)函数决定过渡区域内两种结构的比例，因而决定了不同的过渡区形貌。
因此，G(x,y,z)函数应符合以下要求：
G(x,y,z)在定义域内连续，定义域为支架结构的尺寸坐标范围；
G(x,y,z)在定义域内存在零点，即过渡区域在定义域内；
G(x,y,z)在定义域内单调增加或单调减少，即保证过渡区域中心两侧为不同的支架结构。
在本发明中，由于形成支架结构的结构单元的尺寸、孔隙率等参数的多样性，以及梯度方式的多样性，故支架结构具有多样性，且由上述支架结构组成的多孔梯度支架多种多样。
本发明相对于现有技术具有如下优点：
1、本发明所设计的多孔梯度支架，包括两种不同的单元结构，P曲面结构单元、D曲面结构单元，且两种结构单元由隐函数公式控制，因此针对目标性能，通过更改参数即可得到不同的点阵结构，精准控制孔隙结构，相比于传统试错方法设计周期短，可控性高。
2、本发明所采用的TPMS基结构单元与传统的直杆基结构单元相比，具有平滑过渡的曲面，有利于应力在整个支架结构中均匀分布，避免局部应力集中，因此具有更好的力学性能；且与人体骨组织相似的表面曲率以及较大的比表面积有利于体液和代谢废物的运输以及细胞的粘附、增殖和分化，提高生物相容性。
3、本发明所设计的基于P曲面和D曲面的混合点阵多孔梯度支架具有与骨组织结构表面曲率十分相似的结构单元，且两种结构单元具有各自的优势，即P曲面结构单元具备高强度，D曲面结构单元具备高渗透率；因此，模仿人骨骼“外密内疏”的结构特性，以及外层密质骨提供支撑强度，内部松质骨提高渗透率等功能特性，将两者结合，可得到与人体骨组织结构和功能相似的支架结构；具体地，P曲面位于支架的外层提供支撑强度，D曲面位于支架的内层提高支架的渗透率，因此，所制备的支架结构不仅满足植入物的高强度和低弹性模量要求，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、本发明所设计的基于P曲面和D曲面的混合点阵多孔梯度支架的孔隙率由外向内呈梯度变化，各界面处平滑过渡，避免应力集中。
5、本发明所设计的基于P曲面和D曲面的混合点阵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Primitive曲面结构单元的结构示意图；
图2为本发明实施例中Diamond曲面结构单元的结构示意图；
图3为本发明实施例中内层支架结构的结构示意图；
图4为本发明实施例中内层支架结构的俯视图；
图5为本发明实施例中外层支架结构的结构示意图；
图6为本发明实施例中外层支架结构的俯视图；
图7为本发明实施例中混合点阵多孔梯度支架的结构示意图；
图8为本发明实施例中混合点阵多孔梯度支架的俯视图；
图9为本发明实施例中混合点阵多孔梯度支架纵向二分之一结构的主视图；
图10为本发明实施例中过渡区中心在x＝0处，且G(x,y,z)为一次函数时，在不同位置两种结构的比例图；
图11为本发明实施例中过渡区中心在x＝0处，且G(x,y,z)为三次函数时，在不同位置两种结构的比例图。
图中：
1、内层支架结构；2、外层支架结构；3、中部空心；A、内层支架结构和外层支架结构之间的过渡区域；B、低孔隙率区；C、高孔隙率区；D、内层支架结构和过渡区域之间的界面；E、过渡区域和外层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。
本发明公开了一种基于Primitive和Diamond曲面结构单元的混合点阵多孔梯度支架，如图1～图9所示，该具有混合结构单元的多孔梯度支架包括内层支架结构1和外层支架结构2，其中：内层支架结构1由多个Diamond曲面结构单元沿长、宽、高三个维度进行阵列形成；外层支架结构2由多个Primitive曲面结构单元沿长、宽、高三个维度进行阵列形成；外层支架结构设置在内层支架结构的外侧，并且多孔梯度支架的孔隙率从内层支架结构1到外层支架结构 2呈梯度变化，具体地，外层支架结构的孔隙率小于内层支架结构的孔隙率。
在上述实施例中，Primitive和Diamond曲面结构单元分别由隐函数表达式控制，二者结构不同，而且形成同一支架结构的曲面结构单元相同，形成不同支架结构的曲面结构单元的结构不同。
作为本发明的另一种实施例，Diamond曲面结构单元的隐函数表达式具体为：
Figure RE-GDA0002790125030000071
其中，
a、b、c为结构单元在x、y、z方向的长度；t1为控制结构单元孔隙率的常数；也即通过调整结构单元的尺寸a、b、c以及t1值，可得到不同尺寸和孔隙率的Diamond曲面结构单元。
作为本发明的另一种实施例，Diamond曲面结构单元的尺寸a、b、c在 0.5～2mm范围内；常数t1的取值范围为0.0833～0.75。
作为本发明的另一种实施例，Primitive曲面结构单元的隐函数表达式具体为：
Figure RE-GDA0002790125030000072
其中，
a、b、c为结构单元在x、y、z方向的长度；t2为控制结构单元孔隙率的常数；也即通过调整结构单元的尺寸a、b、c以及t2值，可得到不同尺寸和孔隙率的Primitive曲面结构单元。
作为本发明的另一种实施例，Primitive曲面结构单元的尺寸a、b、c在 0.5～2mm范围内；常数t2的取值范围为0.1754～1.5789。
基于不同部位孔隙率不同，例如密质骨孔隙率为10％～20％，松质骨的孔隙率为50％～90％，故梯度孔隙率范围定为10％～90％，考虑到目标孔隙率范围 10％～90％、孔径范围200μm～1000μm以及选择性激光熔化技术的成形精度，即层厚大于等于200μm，故结构单元的尺寸为0.5～2mm。
作为本发明的另一种实施例，内层支架结构1呈柱状多孔结构，如图3和图4所示，外层支架结构2呈空心柱状多孔结构，如图5和图6所示，内层支架结构1设置在外层支架结构2的中部空心3处，并且多孔梯度支架的相对密度由内层支架结构1到外层支架结构2呈梯度变化，而且内层支架结构1与外层支架结构2通过S型函数平滑过渡连接。
进一步地，内层支架结构1为圆柱体状多孔结构。
进一步地，外层支架结构2为空心圆柱体状多孔结构，并且内层支架结构 1通过S型函数连接在外层支架结构2的中部空心3处。
作为本发明的另一种实施例，内层支架结构1和外层支架结构2通过S型函数过渡连接，具体的，S型函数的表达式为：
Figure RE-GDA0002790125030000081
其中，k值控制内层支架结构1和外层支架结构2之间过渡区域的宽度，k 值越大过渡区域越窄；函数G(x,y,z)决定过渡区域的形貌，且函数G(x,y,z)＝0 所对应的坐标为过渡区域中心，即过渡区域内比例为50％内层支架结构和50％外层支架结构对应的位置，k值以及函数G(x,y,z)根据实际情况进行选择，也即根据实际需要选择合适的S型函数表达式。
作为本发明的另一种实施例，多孔梯度支架的表达式为：
Figure RE-GDA0002790125030000082
作为本发明的另一种实施例，具有内层支架结构1和外层支架结构2的混合点阵多孔梯度支架的表达式与支架的形状和尺寸参数进行布尔运算，得到基于Primitive和Diamond曲面结构单元的圆柱状混合点阵多孔梯度支架的表达式，具体为：
Figure RE-GDA0002790125030000083
；其中，
Figure RE-GDA0002790125030000084
其为多孔梯度支架不同位置的半径函数；r0为圆柱状多孔梯度支架的半径；z为多孔梯度支架不同位置的高度；h为圆柱状多孔梯度支架的高度。各参数可以根据具体实际情况进行选择。
上述表达式中前两个不等式分别决定了两个等值面包围的体积，因此取交集之后即可得到两个等值面之间的部分，即确定了所需多孔梯度支架的形貌；后两个不等式决定了支架结构的边界。
由于内层支架结构1的孔隙率大于外层支架结构2的孔隙率，内层支架结构1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Diamond曲面结构有利于提高支架的渗透率，促进体液运输，有利于细胞的增殖和分化，加速组织再生；相应地，外层支架结构 2相比较于内层支架结构1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。
而且，利用S型过渡函数，将具有较低孔隙率、较高密度的外层支架结构 2与具有较高孔隙率、较低密度的内层支架结构1平滑过渡连接，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，延长植入体的使用寿命。
在本发明中，如图9所示，基于Primitive和Diamond曲面结构单元的混合点阵多孔梯度支架中外层支架结构2形成的外层低孔隙率区A具有高相对密度，可提供足够的强度，而内层支架结构1形成的内层高孔隙率区B具有低相对密度，可明显降低植入体的弹性模量，并促进体液的运输及细胞的增殖和分化，内层支架结构1与外层支架结构2通过S型函数控制的过渡区域C平滑连接成一整体支架结构，避免应力集中。
本发明还公开了一种基于Primitive和Diamond曲面结构单元的混合点阵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，构建结构表达式：根据植入体所需的结构和性能特征，确定需要选用的Primitive和Diamond曲面结构单元的尺寸、孔隙度，即可确定内层支架结构和外层支架结构的表达式，并选择合适的S型函数，将内层支架结构和外层支架结构的表达式通过S型过渡函数进行连接，得到基于Primitive和Diamond曲面结构单元的混合点阵多孔梯度结构的表达式；
S2，构建梯度结构：将基于Primitive和Diamond曲面结构单元的混合点阵多孔梯度结构的表达式以及梯度支架的尺寸和形状参数输入MATHEMATICA 软件进行可视化处理，得到基于Primitive和Diamond曲面结构单元的混合点阵多孔梯度支架的3D模型并导出；
S3，通过快速成型辅助软件Materialise Magics对上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
Figure RE-GDA0002790125030000101
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：
一种基于Diamond和Primitive曲面结构单元的混合点阵多孔梯度支架，该支架为柱状多孔结构，尺寸为
Figure RE-GDA0002790125030000102
孔隙率沿径向梯度为 50％-80％-50％，包括内层支架结构1和外层支架结构2，且内层支架结构1和外层支架结构2之间通过S型过渡函数连接；其中S型过渡函数的表达式为
Figure RE-GDA0002790125030000111
内层支架结构1孔隙率为80％，形成内层高孔隙率低密度区；内层支架结构1为多个Diamond曲面结构单元阵列形成，其对应的隐函数表达式为
Figure RE-GDA0002790125030000112
Diamond曲面结构单元尺寸为2mm，由隐函数表达式
Figure RE-GDA0002790125030000113
Figure RE-GDA0002790125030000114
控制得到；
外层支架结构2的孔隙率为50％，形成外层低孔隙率高密度区；外层支架结构2为多个Primitive曲面结构单元阵列形成，其对应的隐函数表达式为
Figure RE-GDA0002790125030000115
Primitive曲面结构单元的尺寸为2mm，由隐函数表达式
Figure RE-GDA0002790125030000116
Figure RE-GDA0002790125030000117
控制得到；
最后，经布尔运算得到直径10mm，高10mm的柱状多孔结构，其对应的表达式为：
Figure RE-GDA0002790125030000118
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，构建结构表达式，根据植入体所需的结构和性能特征，确定Diamond 和Primitive曲面结构单元以及内层支架结构1和外层支架结构2的表达式，并内层支架结构1和外层支架结构2的表达式通过S型过渡函数进行连接，得到基于Diamond和Primitive曲面结构单元的混合点阵多孔梯度支架的表达式；
S2，构建梯度结构，将基于Diamond和Primitive曲面结构单元的混合点阵多孔梯度支架的表达式以及梯度支架的尺寸和形状参数输入MATHEMATICA 软件进行可视化处理，得到基于Diamond和Primitive曲面结构单元的混合点阵多孔梯度支架的3D模型并导出；
S3，将MATHEMATICA软件绘制的3D模型导入快速成型辅助软件 MateraliseMagics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180W，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分别公开了一种基于Diamond和Primitive曲面结构单元的混合点阵多孔梯度支架，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基于Diamond和Primitive曲面结构单元的混合点阵多孔梯度支架及各组成结构的尺寸、孔隙率不同以及SLM设备的具体工艺参数不同，现将实施例 1～4中基于Diamond和Primitive曲面结构单元的混合点阵多孔梯度支架的相关结构参数及制备方法中的各工艺参数进行汇总，详见表1～表4。
表1
Figure RE-GDA0002790125030000121
Figure RE-GDA0002790125030000131
表2
Figure RE-GDA0002790125030000132
表3
Figure RE-GDA0002790125030000133
Figure RE-GDA0002790125030000141
表4
Figure RE-GDA0002790125030000142
Figure RE-GDA0002790125030000151
以下将对实施例1～实施例4中制备得到的多孔梯度支架的性能进行总结，详见表5。
表5
Figure RE-GDA0002790125030000152
从表5可以看出，在50MPa的应力作用下，本发明实施例1～4中制备得到的基于Primitive和Diamond曲面结构单元的混合点阵多孔梯度支架的最大等效应力为92.64～712.03MPa，均小于材料的屈服强度830MPa，故在该应力条件下不会发生失效；其压缩屈服强度在92.4～242.5MPa，在密质骨(10～220MPa)强度范围内，且远超过松质骨的强度(0.8～11.6MPa)；弹性模量在3.96～7.43GPa 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。
根据渗透性模拟计算得到的渗透率为4.57*10-9～11.25*10-9m2与人体骨组织的渗透率0.467*10-9～14.8*10-9m2接近，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。
本发明实施例1～3中制备得到的基于Primitive和Diamond曲面结构单元的混合点阵多孔梯度支架的孔隙率分别为75％、75％和70％，在松质骨的孔隙率范围50％～90％内，因此可用于松质骨的修复；实施例4中制备得到的多孔梯度支架的孔隙率为27％，与人体密质骨的孔隙率10％～20％接近，通过适当调整可用于替代受损的密质骨。
此外，通过比较实施例1和实施例2的实验结果可以看出，在孔隙率相同的条件下，适当减小单元结构的尺寸，可提高所制备支架的屈服强度，但会降低其渗透性。
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 (6)

1.一种基于Primitive和Diamond曲面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，构建结构表达式：确定内层支架结构和外层支架结构的表达式，并得到基于Primitive和Diamond曲面结构单元的多孔梯度结构的表达式；其中：
所述外层支架结构设置在所述内层支架结构的外侧，并且所述多孔梯度支架的孔隙率由所述内层支架结构向所述外层支架结构呈梯度变化；所述内层支架结构由多个Diamond曲面结构单元沿长、宽、高三个维度阵列形成；所述Diamond曲面结构单元的隐函数表达式为：
Figure 999172DEST_PATH_IMAGE001
其中，a、b、c为结构单元在x、y、z方向的长度，a、b、c均为0.5~2mm；t1为控制结构单元孔隙率的常数，t1为0.0833~0.75；
所述外层支架结构由多个Primitive曲面结构单元沿长、宽、高三个维度阵列形成；所述Primitive曲面结构单元的隐函数表达式为：
Figure 282386DEST_PATH_IMAGE002
；其中，a、b、c为结构单元在x、y、z方向的长度，a、b、c均为0.5~2mm；t2为控制结构单元孔隙率的常数，t2为0.1754~1.5789；
S2，构建梯度结构：通过计算软件进行可视化处理，得到基于Primitive和Diamond曲面结构单元的多孔梯度支架的3D模型并导出；
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；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。
2.根据权利要求1所述的基于Primitive和Diamond曲面结构单元的多孔梯度支架的制备方法，其特征在于，所述内层支架结构呈柱状多孔结构，所述外层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外层支架结构的中部空心处，并且所述内层支架结构和外层支架结构之间通过S型函数平滑过渡连接。
3.根据权利要求2所述的基于Primitive和Diamond曲面结构单元的多孔梯度支架的制备方法，其特征在于，所述S型函数的表达式为：
Figure 573690DEST_PATH_IMAGE003
；其中，k为控制所述内层支架结构和外层支架结构之间过渡区域宽度的常数，其值为0.5~3；函数G（x,y,z）决定过渡区域的形貌，且函数G（x,y,z）=0所对应的坐标为过渡区域中心。
4.根据权利要求3所述的基于Primitive和Diamond曲面结构单元的多孔梯度支架的制备方法，其特征在于，所述多孔梯度支架的表达式为：
Figure 309565DEST_PATH_IMAGE004
。
5.根据权利要求2所述的基于Primitive和Diamond曲面结构单元的多孔梯度支架的制备方法，其特征在于，所述内层支架结构为圆柱体状多孔结构，所述外层支架结构为空心圆柱体状多孔结构。
6.根据权利要求4所述的基于Primitive和Diamond曲面结构单元的多孔梯度支架的制备方法，其特征在于，圆柱状的所述多孔梯度支架的表达式为：
Figure 774045DEST_PATH_IMAGE005
；其中，
Figure 911765DEST_PATH_IMAGE006
，其为所述多孔梯度支架不同位置的半径函数；r0为圆柱状的所述多孔梯度支架的半径；z为所述多孔梯度支架不同位置的高度；h为圆柱状的所述多孔梯度支架的高度。
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