CN113304312B - 一种微点阵结构的应用 - Google Patents

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Abstract

一种微点阵结构的应用，它涉及仿生生物材料设计与应用技术领域，具体涉及一种微点阵结构的应用。本发明的目的是要解决现有颅骨修复材料骨诱导与骨整合性能差，结构刚度弱、与真实颅骨内部孔隙率及孔洞分布的匹配度较差和价格昂贵的问题。一种微点阵结构作为颅骨修复材料使用。本发明提出的微点阵颅骨修复材料具有力学性能可调控，从而实现与真实颅骨力学性能的良好匹配。本发明具有十分重要的科学意义与实际价值。

Description

一种微点阵结构的应用
技术领域
本发明涉及仿生生物材料设计与应用技术领域，具体涉及一种微点阵结构的应用。
背景技术
颅骨是一种典型的轻量化多孔结构，作为人脑的外部保护，对于维持生命安全至关重要。据统计，在人体各处损伤中，颅脑损伤发生的概率为10％-20％，诸多领域对颅骨仿生替代/修复材料的设计与应用提出了迫切的需求。现有颅骨修复材料多以刚度较弱的二维钛合金网状材料为主，使得其在受到外部冲击时容易发生较大变形且一般无法自主修复。同时，二维钛合金网状材料是覆盖式修复，长期使用容易产生头皮磨损外露等问题。目前，聚醚醚酮材料(PEEK)被认为是最理想的颅骨修复材料。然而，PEEK材料的生物惰性使其不具备良好的骨诱导与骨整合性能，同时存在结构刚度较弱、与真实颅骨内部孔隙率及孔洞分布的匹配度较差和价格昂贵等问题。
发明内容
本发明的目的是要解决现有颅骨修复材料骨诱导与骨整合性能差，结构刚度弱、与真实颅骨内部孔隙率及孔洞分布的匹配度较差和价格昂贵的问题，而提供一种微点阵结构的应用。
一种微点阵结构作为颅骨修复材料使用。
一种微点阵结构作为颅骨修复材料使用，具体是按以下步骤完成的：
一、选择点阵单胞拓扑构型，根据颅骨的强度、模量、真实颅骨的厚度、颅骨厚度方向上单胞数量、适合诱导新骨长入的孔隙值和颅骨修复材料整体的孔隙率进行逆向求解，再采用micro-CT扫描技术获得颅骨缺损部位的曲率和周边几何尺寸，最后以钛合金粉末为原料，采用选区激光熔化技术打印出与颅骨缺损部位具有相同几何特征的微点阵结构颅骨修复材料。
本发明的原理：
基于本发明的结构设计原则和选择生物相容性材料(钛合金)作为母材，保证了将该颅骨修复材料植入人体后，诱导患者的新骨生成，使颅骨缺损部位逐渐愈合且无免疫排斥反应。本发明，将以Kagome单胞拓扑构型为例，设计基于Kagome的微点阵颅骨修复材料；此外，基于Kagome单胞拓扑构型的微点阵颅骨修复材料可以通过在厚度方向添加增强杆、引入梯度设计(包括正梯度、负梯度、零梯度、变梯度等梯度形式)等手段，可以有效调节其力学性能(包括强度和模量等)，使设计的微点阵颅骨修复材料力学性能与真实颅骨更加匹配；对于不同单胞拓扑构型的点阵结构力学性能存在较大差异，这些都充分体现了点阵结构可设计性强的特点，进而可以很好地与颅骨力学性能(强度50MPa～250MPa，模量3～20GPa)相匹配。
与现有颅骨修复材料相比，本发明的技术效果是：
1、本发明，将微点阵结构作为颅骨修复材料进行个性化设计新型颅骨修复材料；该颅骨修复材料为多孔材料，使其在结构上与真实颅骨孔隙率与内部孔洞分布特征相匹配，易于诱导新骨长入；
2、本发明提出的微点阵颅骨修复材料具有力学性能可调控，从而实现与真实颅骨力学性能的良好匹配；
3、本发明基于颅骨内部的多孔形貌特征，结合轻质点阵结构高比强度/高比刚度、可设计性强的优势，设计并制备一种与真实颅骨内部孔洞分布和力学性能相匹配的颅骨修复材料，实现其与真实颅骨结构孔隙率、生物相容性、表面生物活性与力学性能较匹配的个性化定制，确保其在人体内部能够长期使用并具备良好的骨诱导能力，更好地服务于临床颅骨修复，具有十分重要的科学意义与实际价值。
附图说明
图1为Kagome单胞拓扑构型，图中
Figure BDA0003101541750000021
图2为基于Kagome单胞拓扑构型的微点阵颅骨修复材料；
图3为图2中添加增强杆件的微点阵颅骨修复材料；
图4为准静态压缩下基于Kagome单胞拓扑构型的微点阵颅骨修复材料实验与有限元载荷-位移曲线结果，图中曲线1为实验结果1，曲线2为实验结果2，曲线3为有限元结果；
图5为准静态压缩下基于Kagome单胞拓扑构型的微点阵颅骨修复材料和增添不同杆径增强杆件后的有限元应力-应变曲线结果，曲线1为有限元结果，曲线2为添加直径为0.1mm增强杆有限元结果，曲线3为添加直径为0.2mm增强杆有限元结果。
具体实施方式
以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改和替换，均属于本发明的范围。
具体实施方式一：本实施方式将一种微点阵结构作为颅骨修复材料使用。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同点是：所述的颅骨修复材料的厚度为2.0mm～10.0mm。其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同点是：颅骨修复材料的厚度与真实颅骨厚度相同，颅骨修复材料厚度方向上的点阵单胞数量需要根据单胞拓扑构型尺寸和颅骨修复材料的厚度确定。其它步骤与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同点是：微点阵结构单胞可以为Kagome单胞拓扑构型、金字塔单胞拓扑构型、立方体板单胞拓扑构型和螺旋二十四面体板单胞拓扑构型中的一种或其中几种的混合拓扑构型。其它步骤与具体实施方式一至三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同点是：所述的微点阵结构的材质为钛合金。其它步骤与具体实施方式一至四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同点是：所述的钛合金为Ti-6Al-4V。其它步骤与具体实施方式一至五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同点是：所述的微点阵结构内部单胞拓扑构型杆件直径尺寸或面板厚度尺寸为微米量级。其它步骤与具体实施方式一至六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同点是：一种微点阵结构作为颅骨修复材料使用，具体是按以下步骤完成的：
一、选择点阵单胞拓扑构型，根据颅骨的强度、模量、真实颅骨的厚度、颅骨厚度方向上单胞数量、适合诱导新骨长入的孔隙值和颅骨修复材料整体的孔隙率进行逆向求解，再采用micro-CT扫描技术获得颅骨缺损部位的曲率和周边几何尺寸，最后以钛合金粉末为原料，采用选区激光熔化技术打印出与颅骨缺损部位具有相同几何特征的微点阵结构颅骨修复材料。其它步骤与具体实施方式一至七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同点是：所述的颅骨的强度为50MPa～250MPa，模量为3GPa～20GPa，真实颅骨的厚度为2.0mm～10.0mm，诱导新骨长入的孔隙值为0.05mm～0.8mm，颅骨修复材料整体的孔隙率大于0.5。其它步骤与具体实施方式一至八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同点是：所述的点阵单胞拓扑构型为Kagome单胞拓扑构型；所述的钛合金为Ti-6Al-4V。其它步骤与具体实施方式一至九相同。
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的说明。
实施例1：一种微点阵结构作为颅骨修复材料使用，得到微点阵颅骨修复材料：
首先，本发明基于点阵结构可设计性强的优势，将微点阵结构作为颅骨修复材料，针对颅骨修复材料进行设计，确保基于微点阵结构的颅骨修复材料与真实颅骨内部多孔形貌特征及孔洞分布的良好匹配，易于诱导新骨长入；同时，其具有力学性能可调控，可实现与真实颅骨力学性能的较好匹配。下面，以Kagome单胞拓扑构型为例(如图1所示)，设计基于Kagome的微点阵颅骨修复材料。值得指出的是，Kagome单胞拓扑构型只是点阵结构一种典型代表，这里只是以其为特例进行相关说明。此外，本发明涉及的点阵单胞拓扑构型包括四面体、金字塔等单胞拓扑构型。
Kagome单胞拓扑构型的杆长为l，杆(以圆截面杆为例)半径为R，单胞高度为H，宽度为D，相应几何关系见图1。本发明以7.6mm的真实颅骨厚度为例进行设计，沿厚度方向设计了7个Kagome点阵单胞。基于生物多孔材料孔隙率大于50％，材料内部孔洞尺寸在0.05mm～0.8mm时易于诱导新骨生长的限定条件，可以得到如下约束方程：
Figure BDA0003101541750000041
Figure BDA0003101541750000042
本实施例中设计的Kagome单胞拓扑构型几何尺寸，如表1所示。采用SolidWorks绘制Kagome单胞，并沿空间相互垂直的三个方向进行阵列获得所设计的基于Kagome单胞拓扑构型的微点阵颅骨修复材料，几何尺寸见表1。另外，在Kagome微点阵颅骨修复材料厚度方向上添加增强杆件可以有效调控其力学性能。图2和图3展示了采用SolidWorks绘制的基于Kagome微点阵颅骨修复材料和添加增强杆件后的Kagome微点阵颅骨修复材料。最后，采用选区激光熔化技术进行制备。通过以上设计制备过程可以很好地保证植入该颅骨修复材料后，在患者颅骨缺损部位实现诱导新骨长入并与修复材料逐渐融合且无免疫排斥反应。值得说明的是，临床应用时要根据具体的病例，经CT扫描确定真实缺损颅骨周边几何尺寸及相应的曲率特征，进而打印相应的微点阵结构颅骨修复材料。图2和图3选择周边几何形状为正方形且无曲率的点阵结构颅骨修复材料只是为了便于进行材料力学性能测试。
压缩实验与有限元模拟分析
如图4所示，对Kagome微点阵颅骨修复材料进行准静态压缩实验获得其载荷-位移曲线。并采用商用有限元软件ABAQUS建立了对应的数值模型，数值结果与实验结果取得很好的一致性(图4)，证明了该数值模型的有效性。随后，采用该模型分析了添加不同杆件直径(0.1mm和0.2mm)增强杆的颅骨修复材料压缩响应，应力-应变曲线结果如图5所示。可以看到通过添加增强杆件有效调控微点阵颅骨修复材料的刚度和抗压强度等力学性能，使其与真实颅骨的力学性能相匹配，相应的数值结果参见表2。
综上所述，本发明首次基于“医工结合”思想，将点阵结构应用于颅骨修复材料，设计了具有良好的生物相容性、结构上与真实颅骨孔隙率和内部孔洞分布特征相匹配、力学性能相匹配的微点阵颅骨修复材料。
表1 Kagome单胞拓扑构型和基于Kagome的微点阵颅骨修复材料几何尺寸
Figure BDA0003101541750000051
表2人颅骨、PEEK材料和本专利基于Kagome单胞拓扑构型设计的微点阵颅骨修复材料的准静态压缩强度、刚度统计结果
Figure BDA0003101541750000052

Claims (1)

1.一种微点阵结构的应用，其特征在于所述微点阵结构在制备颅骨修复材料中的应用，具体是按以下步骤完成的：
选择点阵单胞拓扑构型，根据颅骨的强度、模量、真实颅骨的厚度、颅骨厚度方向上单胞数量、适合诱导新骨长入的孔隙值和颅骨修复材料整体的孔隙率进行逆向求解，再采用micro-CT扫描技术获得颅骨缺损部位的曲率和周边几何尺寸，最后以钛合金粉末为原料，采用选区激光熔化技术打印出与颅骨缺损部位具有相同几何特征的微点阵结构颅骨修复材料；
所述的真实颅骨的厚度为7.6mm；
所述的点阵单胞拓扑构型为Kagome单胞拓扑构型，杆长度为1.4mm，杆半径为0.1mm，单胞高度为1.0mm，单胞宽度为0.7mm；
所述的微点阵结构颅骨修复材料的底面积为7.1*7.1mm2，高度为7.6mm，孔隙率为64.5%；
所述的钛合金为Ti-6Al-4V；
所述的微点阵结构颅骨修复材料的强度为238.16MPa，刚度为13.58GPa。
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