CN112316207A - 混合点阵多孔梯度支架及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种混合点阵多孔梯度支架及制备方法，该混合点阵多孔梯度支架包括多个支架结构，所述多个支架结构之间通过S型函数进行平滑过渡连接；每个所述支架结构由多个曲面结构单元沿长、宽、高三个维度进行阵列形成，所述曲面结构单元由隐函数表达式控制；在所述多个支架结构中，每个所述支架结构中的曲面结构单元与其它所述支架结构中的曲面结构单元的结构不同。该多孔梯度支架具备良好力学和生物相容性，充分发挥曲面结构的优势，可以代替密质骨提供支撑强度以及代替松质骨促进物质运输，并且曲面结构单元的结构可控，提高了设计及成形的准确性。

Description

混合点阵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，具体涉及一种混合点阵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、高的比强度、优异的耐蚀性以及良好的生物相容性，在骨修复领域得到广泛应用。但其弹性模量值(～110GPa)仍远高于自然骨的弹性模量值(松质骨0.01～3GPa，密质骨3～30GPa)，植入后会出现“应力屏蔽”现象，导致无菌松动，进而使植入体提前失效；且结构致密，生物相容性较差。
通过多孔结构的设计，即调整孔隙率、孔径、孔的形状及分布等可得到具有良好力学和生物相容性的植入体材料，即具备低弹性模量、高强度、高渗透率的植入体材料。这可以有效避免“应力屏蔽”效应的发生，且有利于细胞的吸附、增殖和分化，促进营养物质的运输以及代谢废物的排出，促进组织再生，加速愈合。但目前设计的具有单一结构单元的多孔支架无法很好地与人骨组织的生物和力学性能相匹配，即高强度、低弹性模量以及高渗透率。
此外，植入体材料结构复杂、细节丰富、精度要求高，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混合点阵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多个支架结构并通过S型函数进行过渡连接形成，并且支架结构采用多个曲面结构单元阵列形成，使得多孔梯度支架具备良好力学和生物相容性，充分发挥曲面结构的优势，可以代替密质骨提供支撑强度以及代替松质骨促进物质运输，并且曲面结构单元的结构可控，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，提供了一种混合点阵多孔梯度支架。
该混合点阵多孔梯度支架包括多个支架结构，所述多个支架结构之间通过 S型函数进行平滑过渡连接；
每个所述支架结构由多个曲面结构单元沿长、宽、高三个维度进行阵列形成，所述曲面结构单元由隐函数表达式控制；
在所述多个支架结构中，每个所述支架结构中的曲面结构单元与其它所述支架结构中的曲面结构单元的结构不同。
进一步的，该混合点阵多孔梯度支架包括两个所述支架结构，分别为内层支架结构和外层支架结构，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，并且所述多孔梯度支架的孔隙率由所述内层支架结构到所述外层支架结构呈梯度变化；优选地，所述内层支架结构的孔隙率大于所述外层支架结构的孔隙率。
进一步的，所述内层支架结构由多个Gyroid曲面结构单元沿长、宽、高三个维度进行阵列形成；所述外层支架结构由多个Primitive曲面结构单元沿长、宽、高三个维度进行阵列形成。
进一步的，所述Gyroid曲面结构单元的隐函数表达式为：
Figure RE-GDA0002790130330000021
Figure RE-GDA0002790130330000022
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-GDA0002790130330000023
其中，
a、b、c为结构单元在x、y、z的长度；t2为控制结构单元孔隙率的常数。
进一步的，所述Gyroid曲面结构单元和Primitive曲面结构单元在x、y、z 方向的长度a、b、c均为0.5～2mm；所述t1为0.1538～1.3846，所述t2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；由于孔隙率范围为 10～90％，故常数t1和t2的取值范围分别为0.1538～1.3846和0.1754～1.5789。
进一步的，所述S型函数的表达式为：
Figure RE-GDA0002790130330000031
其中，k为控制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＝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＝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，具体的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-GDA0002790130330000032
进一步的，圆柱状所述多孔梯度支架的表达式为：
Figure RE-GDA0002790130330000033
；其中，
Figure RE-GDA0002790130330000034
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位置的高度；h为所述圆柱状多孔梯度支架的高度。各参数值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植入体结构的边界。
为了实现上述目的，根据本发明的第二方面，提供了一种混合点阵多孔梯度支架的制备方法。
上述的混合点阵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：确定多个支架结构的表达式，并将多个支架结构的表达式通过S型函数进行连接，得到混合点阵多孔梯度支架的表达式；
S2，构建梯度结构：将混合点阵多孔梯度支架的表达式及其结构参数通过计算软件进行可视化处理，得到混合点阵多孔梯度支架的3D模型并导出；
S3，对混合点阵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曲面结构单元的尺寸、孔隙率等参数的多样性，以及梯度方式的多样性，故所形成的支架结构具有多样性，且由上述支架结构组成的混合点阵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、本发明所设计的混合点阵多孔梯度支架包含Primitive曲面结构单元和Gyroid曲面结构单元，且该两种结构单元分别由隐函数公式控制，因此针对不同部位植入体的具体需求，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，设计周期短，可控性高，可解决试错法存在的不足。
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，可以实现在整个结构中的均匀平滑过渡，有利于应力在整个支架结构中均匀分布，解决了直杆节点处的应力集中问题，因此具有更好的力学性能；且较大的比表面积有利于细胞的粘附、增殖和分化，提高生物相容性。
3、本发明所设计的混合点阵多孔梯度支架具有与骨组织结构十分相似的结构单元，且两种结构单元具有各自的优势，即Primitive曲面结构单元具备高强度，Gyroid曲面结构单元具备高渗透率；因此，模仿人骨骼“外密内疏”的特性，将两者结合，可得到与人体骨组织结构和性能相似的支架结构；具体地， Primitive曲面结构单元位于支架的外层提供支撑强度，Gyroid曲面结构单元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点阵多孔梯度支架的孔隙率由外向内呈梯度变化，混合界面处平滑过渡，避免应力集中；且具有比传统点阵结构更大的比表面积及与人体骨组织相似的表面曲率特征，提高生物相容性。
5、本发明所设计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Gyroid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多个支架结构，并且多个支架结构之间通过S型函数平滑过渡连接；其中，每个支架结构由多个曲面结构单元沿长、宽、高三个维度进行阵列形成；进一步地，曲面结构单元主要由隐函数表达式控制。在多个支架结构中，每个支架结构中的曲面结构单元与其它支架结构中的曲面结构单元的结构不同，也即可以理解为多个相同的曲面结构单元沿长、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，混合点阵多孔梯度支架由内层支架结构1和外层支架结构2组合形成，具体地，内层支架结构1由多个曲面结构单元沿长、宽、高三个维度进行阵列形成的柱状多孔结构，外层支架结构2由多个曲面结构单元沿长、宽、高三个维度进行阵列形成的空心柱状多孔结构，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2的孔隙率小于内层支架结构1的孔隙率。
作为本发明的另一种实施例，内层支架结构1由多个Gyroid曲面结构单元沿长、宽、高三个维度进行阵列形成的柱状多孔结构，如图3和图4所示；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的空心柱状多孔结构，如图5和图6所示。
作为本发明的另一种实施例，内层支架结构1为圆柱体状多孔结构。
作为本发明的另一种实施例，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。
由于内层支架结构1中的Gyroid曲面结构单元的孔隙率皆大于外层支架结构2中的Primitive曲面结构单元的孔隙率，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Gyroid曲面结构单元有利于提高支架的渗透率，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，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。
作为本发明的另一种实施例，Gyroid曲面结构单元的隐函数表达式为：
Figure RE-GDA0002790130330000081
Figure RE-GDA0002790130330000082
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，其值为0.1538～1.3846；也即通过调整结构单元的长度尺寸a、b、c以及t1值，可得到不同尺寸和孔隙率的Gyroid曲面结构单元。
作为本发明的另一种实施例，Gyroid曲面结构单元在x、y、z方向的长度尺寸a、b、c均在0.5～2mm范围内。
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为：
Figure RE-GDA0002790130330000083
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，其值为0.1754～1.5789；也即通过调整结构单元的长度尺寸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曲面结构单元在x、y、z方向的长度尺寸a、b、c均在0.5～2mm范围内。
作为本发明的另一种实施例，S型函数的表达式具体为：
Figure RE-GDA0002790130330000084
其中，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＝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，具体的k值以及函数G(x,y,z)根据实际情况进行选择，也即可以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-GDA0002790130330000085
在本发明中，如图9所示，基于Primitive和Gyroid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，并促进营养物质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。
本发明还公开了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Gyroid曲面结构单元的尺寸、孔隙度，即可确定内层支架结构1 和外层支架结构2的表达式，并将内层支架结构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Primitive和Gyroid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Gyroid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；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-GDA0002790130330000101
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Primitive和Gyroid曲面结构单元的混合点阵多孔梯度支架，该多孔梯度支架为柱状多孔结构，尺寸为
Figure RE-GDA0002790130330000109
孔隙率沿径向梯度为 50％-70％-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-GDA0002790130330000102
内层支架结构1孔隙率为70％，形成内层高孔隙率低密度区；内层支架结构1为多个Gyroid曲面结构单元阵列形成，其对应的隐函数表达式为：
Figure RE-GDA0002790130330000103
Gyroid曲面结构单元的尺寸为2mm，由隐函数表达式
Figure RE-GDA0002790130330000104
Figure RE-GDA0002790130330000105
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-GDA0002790130330000106
Primitive曲面结构单元的尺寸为2mm，由隐函数表达式
Figure RE-GDA0002790130330000107
Figure RE-GDA0002790130330000108
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-GDA0002790130330000111
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，确定需要选用的Primitive和Gyroid曲面结构单元的尺寸、孔隙度，确定内层支架结构1和外层支架结构2的表达式，并将内层支架结构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 Primitive和Gyroid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Primitive和Gyroid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Primitive和Gyroid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分别公开了一种基于Primitive和Gyroid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-GDA0002790130330000121
表2
Figure RE-GDA0002790130330000122
表3
Figure RE-GDA0002790130330000131
表4
Figure RE-GDA0002790130330000132
Figure RE-GDA0002790130330000141
以下将对实施例1～4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-GDA0002790130330000142
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Gyroid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94.89～733.86MPa，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87.5～251.5MPa，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3.46～7.83GPa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4.89*10-9～12.21*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P曲面和G曲面的混合点阵多孔梯度支架的孔隙率在59％～79％范围内，在松质骨孔隙率的范围，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30％，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。
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)

1.一种混合点阵多孔梯度支架，其特征在于，包括多个支架结构，所述多个支架结构之间通过S型函数进行平滑过渡连接；
每个所述支架结构由多个曲面结构单元沿长、宽、高三个维度进行阵列形成，所述曲面结构单元由隐函数表达式控制；
在所述多个支架结构中，每个所述支架结构中的曲面结构单元与其它所述支架结构中的曲面结构单元的结构不同。
2.根据权利要求1所述的混合点阵多孔梯度支架，其特征在于，包括两个所述支架结构，分别为内层支架结构(1)和外层支架结构(2)，所述内层支架结构(1)呈柱状多孔结构，所述外层支架结构(2)呈空心柱状多孔结构，所述内层支架结构(1)设置在所述外层支架结构(2)的中部空心(3)处，并且所述多孔梯度支架的孔隙率由所述内层支架结构(1)到所述外层支架结构(2)呈梯度变化；优选地，所述内层支架结构(1)的孔隙率大于所述外层支架结构(2)的孔隙率。
3.根据权利要求2所述的混合点阵多孔梯度支架，其特征在于，所述内层支架结构(1)由多个Gyroid曲面结构单元沿长、宽、高三个维度进行阵列形成；所述外层支架结构(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。
4.根据权利要求3所述的混合点阵多孔梯度支架，其特征在于，所述Gyroid曲面结构单元的隐函数表达式为：
Figure FDA0002683371340000011
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。
5.根据权利要求4所述的混合点阵多孔梯度支架，其特征在于，所述Primitive曲面结构单元的隐函数表达式为：
Figure FDA0002683371340000012
其中，
a、b、c为结构单元在x、y、z的长度；t2为控制结构单元孔隙率的常数。
6.根据权利要求5所述的混合点阵多孔梯度支架，其特征在于，所述Gyroid曲面结构单元和Primitive曲面结构单元在x、y、z方向的长度a、b、c均为0.5～2mm；所述常数t1为0.1538～1.3846，所述常数t2为0.1754～1.5789。
7.根据权利要求5所述的混合点阵多孔梯度支架，其特征在于，所述S型函数的表达式为：
Figure FDA0002683371340000021
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＝0所对应的坐标为过渡区域中心。
8.根据权利要求7所述的混合点阵多孔梯度支架，其特征在于，所述多孔梯度支架的表达式为：
Figure FDA0002683371340000022
9.根据权利要求8所述的混合点阵多孔梯度支架，其特征在于，圆柱状所述多孔梯度支架的表达式为：
Figure FDA0002683371340000023
Figure FDA0002683371340000025
其中，
Figure FDA0002683371340000024
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位置的高度；h为所述圆柱状多孔梯度支架的高度。
10.根据权利要求1-9任一项所述的混合点阵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：确定多个支架结构的表达式，并将多个支架结构的表达式通过S型函数进行连接，得到混合点阵多孔梯度支架的表达式；
S2，构建梯度结构：将混合点阵多孔梯度支架的表达式及其结构参数通过计算软件进行可视化处理，得到混合点阵多孔梯度支架的3D模型并导出；
S3，对混合点阵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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