CN112632816A - 基于医用植入体的多孔结构材料的设计及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出基于医用植入体的多孔结构材料的设计及制造方法，所述制造方法为使用选区激光熔化技术进行3D打印，所述设计方法包括以下步骤；步骤A1、建立三维的空间网格，以三维网络的各个节点建立空间点阵；步骤A2、以各个节点为圆心在空间点阵内生成多个概率球模型；通过控制各概率球模型的大小来控制球模型球面处随机生成点的运动范围，在空间点阵的空间内得到由随机生成点组成的随点点阵；步骤A3、基于随点点阵内的随机生成点以线框方式对空间点阵进行划分，并以划分空间的线框作为不规则多孔结构的骨架；步骤A4、对骨架进行包边、平滑处理，生成可用于医用植入体的不规则多孔结构3D模型；本发明能设计并制造可用于医用植入体的不规则多孔结构。

Description

基于医用植入体的多孔结构材料的设计及制造方法

技术领域

本发明涉及3D打印技术，尤其是基于医用植入体的多孔结构材料的设计及制造方法。

背景技术

近些年来，对于骨损伤的事件屡见不鲜，据相关统计，仅2005年全国道路交通事故受伤人数就由47万之多，每年还有大量的骨疾病患者，等待着相匹配的骨组织进行植入，可见人工植入体的需求量非常之大。目前，对于损伤的骨组织，临床上常采用力学性能较高的金属植入体进行置换，例如不锈钢、钛和钛合金、钴铬合金等金属植入体，并获得了大量的应用，比如人工膝关节、牙种植、人工骨等。但是人工植入体存在着远期无菌松动和在骨折现象，研究者普遍认为“应力屏蔽”效应是其主要原因。“应力屏蔽”效应是金属人工植入体的弹性模量与人体骨头的弹性模量存在着巨大差异，导致应力无法从人工植入体传递到骨组织上。由于人体骨细胞有着应力响应的生物学特性，人工植入体一端弹性模量较大，会承受较多的应力，骨细胞得不到足够的应力进行刺激时，骨细胞会发生凋亡现象，从而对健康骨头产生不良影响。

人骨内部并不是密实化组织，而是复杂的孔状结构，这些孔状结构形态轮廓各不相同，孔隙率也是因人而异，不同年龄阶段人的孔隙率也不相同。而且实心的金属人工植入体质量、刚度很大，不利于病人的恢复，也会带来诸多问题，例如：“应力屏蔽”效应。目前，多孔结构在人工植入体上的应用颇受欢迎。

多孔结构是一种微观结构的新型轻质高强多功能材料，具有超轻高强、吸收能量和热渗透等特点，在人工植入体方面有着独特的优势。多孔结构按照是否可以相互联通，可分为开孔多孔结构和闭孔多孔结构；按照孔洞的排布规律，可分为规则多孔结构和不规则多孔结构。规则多孔结构设计受到三维设计的自由度限制，且难以模拟骨组织的结构特性，但是设计方法简单。不规则多孔结构设计具有设计自由度高且几何参数可控，能够满足人体骨骼的结构特性，从而达到更好的生物相容性。

目前虽然国内外学者利用选区激光熔化技术，对多孔结构的研究取得了丰硕的成果，但是多孔材料的孔隙结构、力学性能、生物相容性问题，都未得到根本性的解决，国内外对规则多孔结构的报道和研究已经非常成熟，不规则多孔结构的相关探究鲜有人报道，由于不规则多孔结构有着个性化成型和良好的生物相容性的特性，能够提高骨损伤修复后的治疗效果，为广大的骨损伤患者提供更加合理的治疗手段，其具有巨大的社会意义和经济价值。

发明内容

本发明提出基于医用植入体的多孔结构材料的设计及制造方法，能设计并制造可用于医用植入体的不规则多孔结构。

本发明采用以下技术方案。

基于医用植入体的多孔结构材料的设计方法，用于设计可用于医用植入体的不规则多孔结构，所述设计方法包括以下步骤；

步骤A1、在3D造型软件的坐标系内建立三维的空间网格，以三维网络的各个节点建立空间点阵；

步骤A2、以各个节点为圆心，R为半径，在空间点阵内生成多个概率球模型；通过调节半径R控制各概率球模型的大小，以控制球模型球面处随机生成点的运动范围，在空间点阵的空间内得到由概率球模型球面处的随机生成点组成的随点点阵；

步骤A3、基于随点点阵内的随机生成点，按照Voronoi-Tessellation算法，以线框方式对空间点阵的空间进行划分，并以划分空间的线框作为不规则多孔结构的骨架；

步骤A4、对所得到的不规则多孔结构的骨架进行包边、平滑处理，生成可用于医用植入体的不规则多孔结构的3D模型。

在步骤A1中，在3D造型软件Rhinoceros的XYZ坐标系内建立三维的空间网格，其方法是首先在X/Y平面内构建一个矩形网格，然后通过该矩形网格在Z方向的偏移来形成空间网格。

在步骤A1中，以Grasshoper插件生成三维的空间网格，在步骤A4中，以插件T-Splines进行包边、平滑处理。

在步骤A4中，生成的3D模型为STL格式；所述设计方法还包括步骤A5，在步骤A5中对不规则多孔结构的3D模型进行二次处理，所述二次处理包括对模型进行噪点消除处理、网格平滑化处理和三角面片简化处理；然后对处理后的3D模型切片以生成可以直接用于3D打印的SLM文件。

在步骤A5中，把不规则多孔结构的3D模型的源STL文件导入到Geomagic Studio软件进行二次处理；

在噪点消除处理中，将模型表面的钉装物进行删除以消除噪点；

在网格平滑化处理中，对模型的表面进行松弛处理，以最大限度的减少多边形的角度，使其网格更加平滑；

在三角面片简化处理中，对模型的三角面片数进行简化处理，通过减少三角面片数来减少模型所占内存。

在步骤A2中，相邻的概率球模型的球面相交或相切；在步骤A5中，以Magics软件对处理后的3D模型进行切片。

基于医用植入体的多孔结构材料的制造方法，所述制造方法为使用选区激光熔化技术进行3D打印，在3D打印时使用权利要求4所述设计方法得到的SLM文件，包括以下步骤；

步骤B1、将Magic切片后的SLM文件导入至3D打印机中；

步骤B2、将316L不锈钢粉末填充到3D打印机的铺粉缸；

步骤B3、设定3D打印机的激光功率、扫描速度、扫描间距、扫描策略和铺粉厚度；

步骤B4、在3D打印机的成型仓内通入氮气作为保护气体，且仓内氧气含量低于0.5%；

步骤B5、3D打印机进行3D打印，通过其加热系统，将用于3D打印的基板加热到所需温度，通过铺粉系统在基板表面铺设第一层316L粉末；

步骤B6、.3D打印机发射激光并按照每层的轨迹路线进行扫描，将粉末进行熔化，熔化后的粉末形成熔池，熔池凝固后凝固在所述基板上；

步骤B7、.3D打印机工作台下降一层粉末厚度，其铺粉系统进行一层厚度的铺粉，覆盖已经烧结的上一层凝固后熔池；

步骤B8、依次重复步骤B5~B7，直到完成3D模型所表述的不规则多孔结构；

步骤B9、将成形完成后的不规则多孔结构样件，进行清理、线切割、清洗、烘干，使之可用于医用植入体。

本发明可根据不同患者、不同骨损伤部位进行弹性模量、抗压强度、孔隙率、孔径的调节，减少应力“屏蔽效应”，提高生物相容性，能够满足患者的个性化需求。不规则多孔结构，从形貌上更加类似人骨组织，力学性能上弹性模量能在人骨的弹性模量范围内调节，总而为骨损伤患者提高更加合理有效的治疗手段，其存在着巨大的经济意义和社会价值。

本发明提供了一种可控不规则多孔结构的结构设计以及制造方法，解决了传统规则多孔结构设计自由度低、孔隙可控性差等设计问题，结合选区激光熔化技术，可制备出符合个性化设计和生物相容性要求的金属人工植入体，且可根据患者的实际病因，调节弹性模量、孔隙率、孔径等大小，为广大的骨损伤患者提供一种更好治疗效果的手段。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：

附图1是多孔结构建模的总体工作流程的示意图；

附图2是X/Y平面建立二维网格的示意图；

附图3是沿着Z方向等间距复制二维网格平面的示意图；

附图4是空间点阵的示意图；

附图5是节点作为圆心的示意图；

附图6是概率球模型的示意图；

附图7随点点阵的示意图；

附图8多孔结构骨架的示意图；

附图9包边后多孔结构模型的示意图；

附图10导入至Geomagic Studio处理后模型的示意图；

附图11导入Magics软件模型的示意图；

附图12选区激光熔化技术成形过程的示意图；

附图13成形完成后样件的示意图（一片基板上有多个样件）。

具体实施方式

如图所示，基于医用植入体的多孔结构材料的设计方法，用于设计可用于医用植入体的不规则多孔结构，所述设计方法包括以下步骤；

步骤A1、在3D造型软件的坐标系内建立三维的空间网格，以三维网络的各个节点建立空间点阵；

步骤A2、以各个节点为圆心，R为半径，在空间点阵内生成多个概率球模型；通过调节半径R控制各概率球模型的大小，以控制球模型球面处随机生成点的运动范围，在空间点阵的空间内得到由概率球模型球面处的随机生成点组成的随点点阵；

步骤A3、基于随点点阵内的随机生成点，按照Voronoi-Tessellation算法，以线框方式对空间点阵的空间进行划分，并以划分空间的线框作为不规则多孔结构的骨架；

步骤A4、对所得到的不规则多孔结构的骨架进行包边、平滑处理，生成可用于医用植入体的不规则多孔结构的3D模型。

在步骤A1中，在3D造型软件Rhinoceros的XYZ坐标系内建立三维的空间网格，其方法是首先在X/Y平面内构建一个矩形网格，然后通过该矩形网格在Z方向的偏移来形成空间网格。

在步骤A1中，以Grasshoper插件生成三维的空间网格，在步骤A4中，以插件T-Splines进行包边、平滑处理。

在步骤A4中，生成的3D模型为STL格式；所述设计方法还包括步骤A5，在步骤A5中对不规则多孔结构的3D模型进行二次处理，所述二次处理包括对模型进行噪点消除处理、网格平滑化处理和三角面片简化处理；然后对处理后的3D模型切片以生成可以直接用于3D打印的SLM文件。

在步骤A5中，把不规则多孔结构的3D模型的源STL文件导入到Geomagic Studio软件进行二次处理；

在噪点消除处理中，将模型表面的钉装物进行删除以消除噪点；

在网格平滑化处理中，对模型的表面进行松弛处理，以最大限度的减少多边形的角度，使其网格更加平滑；

在三角面片简化处理中，对模型的三角面片数进行简化处理，通过减少三角面片数来减少模型所占内存。

在步骤A2中，相邻的概率球模型的球面相交或相切；在步骤A5中，以Magics软件对处理后的3D模型进行切片。

基于医用植入体的多孔结构材料的制造方法，所述制造方法为使用选区激光熔化技术进行3D打印，在3D打印时使用权利要求4所述设计方法得到的SLM文件，包括以下步骤；

步骤B1、将Magic切片后的SLM文件导入至3D打印机中；

步骤B2、将316L不锈钢粉末填充到3D打印机的铺粉缸；

步骤B3、设定3D打印机的激光功率、扫描速度、扫描间距、扫描策略和铺粉厚度；

步骤B4、在3D打印机的成型仓内通入氮气作为保护气体，且仓内氧气含量低于0.5%；

步骤B5、3D打印机进行3D打印，通过其加热系统，将用于3D打印的基板加热到所需温度，通过铺粉系统在基板表面铺设第一层316L粉末；

步骤B6、.3D打印机发射激光并按照每层的轨迹路线进行扫描，将粉末进行熔化，熔化后的粉末形成熔池，熔池凝固后凝固在所述基板上；

步骤B7、.3D打印机工作台下降一层粉末厚度，其铺粉系统进行一层厚度的铺粉，覆盖已经烧结的上一层凝固后熔池；

步骤B8、依次重复步骤B5~B7，直到完成3D模型所表述的不规则多孔结构；

步骤B9、将成形完成后的不规则多孔结构样件，进行清理、线切割、清洗、烘干，使之可用于医用植入体。

实施例：

设计方法中，以图1为多孔结构建模的总体工作流程图，将基于空间生成的随机点阵，建立多孔结构骨架，最终完成多孔结构的建模，具体步如下

(1).在Rhinoceros界面中，利用Grasshopper插件，在X/Y平面建立二维网格(图2);

(2).沿着Z方向等间距复制二维网格平面(图3);

(3).取所有网格的节点，建立空间点阵(图4)；

(4).以各节点为圆心(图5)，R为半径生成概率球模型(图6)，通过调节半径R控制随机生成点的运动范围，得到随点点阵(图7)；

(5).取随机点阵，基于随机点阵，按照Voronoi-Tessellation算法将空间进行划分，取划分空间的线框作为多孔结构骨架(图8)；

(6).利用T- Splines 插件对多孔结构骨架进行包边(图9)；

(7).将包边后的多孔结构模型以STL格式导入至Geomagic Studio软件(图10)，含下述步骤：（1）将模型表面的钉装物进行删除，消除噪点。（2）对模型的表面进行松弛处理，最大限度的减少多边形的角度，使其网格更加平滑。（3）对模型的三角面片数进行简化处理，目标三角面片数越少，最终得到的模型所占内存也就越小。

(8).将处理过后得到的最终模型，导入Magics软件进行切片处理，如图11所示。

制造方法中，以图12为选区激光熔化技术成形的过程，具体步骤如下：

(1).将Magic切片后的SLM文件导入至德国SLM Solutions GmbH公司生产的SLM-125HL的打印机中；

(2).将316L不锈钢粉末填充到铺粉缸；

(3).设置的工艺参数为激光功率250W，扫描速度800mm/s，扫描间距0.08mm，铺粉厚度0.03mm扫描策略为单向扫描；

(4). 成型仓内通入氮气作为保护气体，且仓内氧气含量低于0.5%；

(5). 通过加热系统，将基板加热到100℃，通过铺粉系统在基板表面铺设第一层316L粉末；

(6).激光按照每层的轨迹路线进行扫描，将粉末进行熔化，熔化后的粉末形成熔池，熔池凝固后凝固在所述基板上；

(7).工作台下降一层粉末厚度，铺粉系统进行一层厚度的铺粉，覆盖已经烧结的上一层凝固后熔池；

(8).依次重复步骤(5)~(7)，直到完成多孔结构的成(图13)；

(9).将成形完成后的多孔结构样件，进行清理、线切割、清洗、烘干。

Claims (7)

1.基于医用植入体的多孔结构材料的设计方法，用于设计可用于医用植入体的不规则多孔结构，其特征在于：所述设计方法包括以下步骤；

步骤A1、在3D造型软件的坐标系内建立三维的空间网格，以三维网络的各个节点建立空间点阵；

步骤A2、以各个节点为圆心，R为半径，在空间点阵内生成多个概率球模型；通过调节半径R控制各概率球模型的大小，以控制球模型球面处随机生成点的运动范围，在空间点阵的空间内得到由概率球模型球面处的随机生成点组成的随点点阵；

步骤A3、基于随点点阵内的随机生成点，按照Voronoi-Tessellation算法，以线框方式对空间点阵的空间进行划分，并以划分空间的线框作为不规则多孔结构的骨架；

步骤A4、对所得到的不规则多孔结构的骨架进行包边、平滑处理，生成可用于医用植入体的不规则多孔结构的3D模型。

2.根据权利要求1所述的基于医用植入体的多孔结构材料的设计方法，其特征在于：在步骤A1中，在3D造型软件Rhinoceros的XYZ坐标系内建立三维的空间网格，其方法是首先在X/Y平面内构建一个矩形网格，然后通过该矩形网格在Z方向的偏移来形成空间网格。

3. 根据权利要求2所述的基于医用植入体的多孔结构材料的设计方法，其特征在于：在步骤A1中，以Grasshoper插件生成三维的空间网格，在步骤A4中，以插件T- Splines进行包边、平滑处理。

4.根据权利要求2所述的基于医用植入体的多孔结构材料的设计方法，其特征在于：在步骤A4中，生成的3D模型为STL格式；所述设计方法还包括步骤A5，在步骤A5中对不规则多孔结构的3D模型进行二次处理，所述二次处理包括对模型进行噪点消除处理、网格平滑化处理和三角面片简化处理；然后对处理后的3D模型切片以生成可以直接用于3D打印的SLM文件。

5. 根据权利要求4所述的基于医用植入体的多孔结构材料的设计方法，其特征在于：在步骤A5中，把不规则多孔结构的3D模型的源STL文件导入到Geomagic Studio软件进行二次处理；

在噪点消除处理中，将模型表面的钉装物进行删除以消除噪点；

在网格平滑化处理中，对模型的表面进行松弛处理，以最大限度的减少多边形的角度，使其网格更加平滑；

在三角面片简化处理中，对模型的三角面片数进行简化处理，通过减少三角面片数来减少模型所占内存。

6.根据权利要求4所述的基于医用植入体的多孔结构材料的设计方法，其特征在于：在步骤A2中，相邻的概率球模型的球面相交或相切；在步骤A5中，以Magics软件对处理后的3D模型进行切片。

7.基于医用植入体的多孔结构材料的制造方法，其特征在于：所述制造方法为使用选区激光熔化技术进行3D打印，在3D打印时使用权利要求4所述设计方法得到的SLM文件，包括以下步骤；

步骤B1、将Magic切片后的SLM文件导入至3D打印机中；

步骤B2、将316L不锈钢粉末填充到3D打印机的铺粉缸；

步骤B3、设定3D打印机的激光功率、扫描速度、扫描间距、扫描策略和铺粉厚度；

步骤B4、在3D打印机的成型仓内通入氮气作为保护气体，且仓内氧气含量低于0.5%；

步骤B5、3D打印机进行3D打印，通过其加热系统，将用于3D打印的基板加热到所需温度，通过铺粉系统在基板表面铺设第一层316L粉末；

步骤B6、.3D打印机发射激光并按照每层的轨迹路线进行扫描，将粉末进行熔化，熔化后的粉末形成熔池，熔池凝固后凝固在所述基板上；

步骤B7、.3D打印机工作台下降一层粉末厚度，其铺粉系统进行一层厚度的铺粉，覆盖已经烧结的上一层凝固后熔池；

步骤B8、依次重复步骤B5~B7，直到完成3D模型所表述的不规则多孔结构；

步骤B9、将成形完成后的不规则多孔结构样件，进行清理、线切割、清洗、烘干，使之可用于医用植入体。

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