CN116608403B - 一种点阵结构、医用植入物及点阵结构制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于多孔金属材料相关技术领域，其公开了一种点阵结构、医用植入物及点阵结构制造方法，其中，点阵结构由点阵单胞排列组阵形成，点阵单胞包括一级单胞和二级单胞，一级单胞包括相互垂直且中线重合的两个第一二维结构，二级单胞包括第二二维结构，第二二维结构的节点与两个第一二维结构的节点或连杆相连，且第二二维结构呈水平设置状态。本发明通过设计二级单胞与一级单胞相连形成多级点阵结构，二级单胞在一级单胞内部可起到支撑作用，有利于提高点阵结构的强度性能进而提高使用寿命，且多级点阵结构内部避免了垂悬情况的存在，解决了现有存在垂悬的点阵结构不便于打印成型的问题，有利于降低增材制造工艺的成型难度，便于打印成型。

Description

一种点阵结构、医用植入物及点阵结构制造方法

技术领域

本发明属于多孔金属材料相关技术领域，更具体地，涉及一种点阵结构、医用植入物及点阵结构制造方法。

背景技术

近年来，人口老龄化现象日益严重，随着年龄的增长人骨不可避免的发生骨老化。此外，由于交通意外和骨科疾病等原因大量的患者也面临骨缺损的问题。例如，许多先天髋关节疾病患者无法独立生活。骨骼是一种具有活力的组织，一直处于一种破骨细胞吸收和成骨细胞生成新骨的变化、更新的状态。然而，当骨缺损超过临界时，成骨细胞修复不足，尤其是在严重的骨折、疾病和骨老化的情况下，骨移植是不可避免的。骨移植是骨科临床面临的难题。为了解决上述问题，近年来通常采用金属骨植入物替代患者损伤或者缺失的骨骼。通常骨植入物应具有如下特征：植入物的外部拓扑结构应与受损的骨骼保持一致；具有与人骨相似的弹性模量，避免应力遮挡效应；金属植入物的内部优选含有相互联通的孔隙且具备一定的孔隙率，便于骨细胞的粘附、增殖、分化以及营养物质的传输。

金属点阵结构是一类具有周期性晶格结构的多孔结构，通过增加孔隙率的方法，可以大幅降低点阵结构的弹性模量以获取与人骨相似的弹性模量，在医用植入物领域有较多的研究应用。且点阵结构内部呈现为多孔结构，较适合采用增材制造的工艺来制作成型。然而孔隙率增加会导致强度降低，医学上希望点阵结构的弹性模量与人骨保持一致，而强度则越高越好以增强使用寿命。现有通过设计特殊复杂形状的点阵结构，来提高植入物的屈服强度。现有点阵结构为满足强度需求，大多形状结构较为复杂，存在增材制造工艺成型难度较大，不便于制造的问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种点阵结构、医用植入物及点阵结构制造方法，解决了现有点阵结构形状结构较为复杂，存在增材制造工艺成型难度较大，不便于制造的问题，在提高点阵结构强度性能的同时便于打印成型制造。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种点阵结构，所述点阵结构由点阵单胞排列组阵形成，所述点阵单胞包括一级单胞和二级单胞，所述一级单胞包括相互垂直且中线重合的两个第一二维结构，所述二级单胞包括第二二维结构，所述第二二维结构的节点与两个所述第一二维结构的节点或连杆相连，且所述第二二维结构呈水平设置状态。

根据本发明提供的点阵结构，所述第二二维结构的相邻两个节点之间的连杆为折线段形式。

根据本发明提供的点阵结构，还包括依次套设在所述二级单胞内部的至少一级子单胞，所述子单胞呈水平设置状态，且所述子单胞的相邻两个节点之间的连杆为折线段形式。

根据本发明提供的点阵结构，所述一级单胞、所述二级单胞和所述子单胞分别为弯曲主导型单胞。

根据本发明提供的点阵结构，所述二级单胞的变形抗力小于对所述一级单胞施加预设压力时所述一级单胞施加至所述二级单胞的作用力。

根据本发明提供的点阵结构，所述点阵单胞排列组阵时，在所述一级单胞的任一所述第一二维结构所在平面上，所述点阵单胞上下依次交错设置，且相邻两个所述点阵单胞中的所述一级单胞共连杆设置。

根据本发明提供的点阵结构，所述点阵结构的材质包括医用纯钛、医用Ti-6Al-4V、Ti-Mo系、Ti-Zr系、Ti-Nb系、Ti-Nb-Zr系、Ti-Nb-Hf系医用β型钛合金、NiTi系形状记忆合金、CoCr系合金、医用不锈钢、铝合金、铜合金、铁基合金以及镍基合金中的至少一种。

按照本发明的另一个方面，提供了一种医用植入物，包括上述任一项所述的点阵结构。

按照本发明的另一个方面，提供了一种点阵结构制造方法，所述点阵结构为上述任一项所述的点阵结构，所述制造方法包括：

选取所述第一二维结构，将所述第一二维结构绕中线旋转90°获取所述一级单胞的三维模型；

选取所述第二二维结构作为所述二级单胞，将所述第二二维结构与所述一级单胞相连，获取所述点阵单胞的三维模型，其中，所述第二二维结构呈水平设置状态；

对所述点阵单胞进行排列组阵，获取所述点阵结构的三维模型；

根据所述点阵结构的三维模型，通过增材制造获取所述点阵结构。

根据本发明提供的点阵结构制造方法，获取所述点阵单胞的三维模型还包括：

设置所述第二二维结构的相邻两个节点之间的连杆为折线段形式，并通过试验验证使得所述二级单胞的变形抗力小于对所述一级单胞施加预设压力时所述一级单胞施加至所述二级单胞的作用力。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的点阵结构、医用植入物及点阵结构制造方法：

1.通过设计二级单胞与一级单胞相连形成多级点阵结构，二级单胞在一级单胞内部可起到支撑稳定作用，有利于提高点阵结构的强度性能进而提高使用寿命，且该多级点阵结构内部避免了垂悬情况的存在，解决了现有存在垂悬的点阵结构不便于打印成型的问题，有利于降低增材制造工艺的成型难度，便于打印成型；

2.通过多级点阵结构的设计，可以形成具有不同尺寸的孔隙，因此可以获得具有多级孔尺寸的点阵结构，在该点阵结构应用于医用植入物时，由于曲率效应，小孔可以促进细胞的粘附，而大孔可以促进细胞的增殖，因此，该多级孔尺寸有利于细胞的粘附、分化和增殖，可以促进骨再生，有利于提高医用植入物的使用性能；

3.通过设计二级单胞相邻节点之间为折线段连接，使得二级单胞具有一定的可变形性，从而在一级单胞受力时，使得点阵结构具有一定的缓冲性能，有利于减缓应力集中现象，降低局部疲劳开裂的几率，从而有利于提高点阵结构的疲劳性能，使得点阵结构具有较好的实用性；

4.通过相邻点阵单胞之间共连杆的组阵形式，能够提高强度性能，减缓一级点阵结构的应力集中，从而能够大幅提升初始点阵结构的疲劳寿命，同时，多级点阵结构的弹性模量基本保持不变，不会带来额外的应力屏蔽作用，对推动点阵结构在骨植入物中的应用具有重大意义。

附图说明

图1是本发明提供的第一二维结构为内入六边形的二维框架图；

图2是本发明提供的第一二维结构为内入六边形的二维杆模型图；

图3是本发明提供的一级单胞模型举例示意图；

图4是本发明提供的第二二维结构为内入八边形二维框架图；

图5是本发明提供的多级点阵结构的点阵单胞图；

图6是本发明提供的三级单胞嵌入二级单胞的示意图；

图7是本发明提供的多级点阵结构阵列一次示意图；

图8是本发明提供的多级点阵结构阵列两次示意图；

图9是本发明提供的多级点阵结构打印模型多胞图；

图10是本发明提供的一级点阵结构打印模型多胞图；

图11是本发明提供的多级点阵结构和一级点阵结构的工程应力应变曲线图；

图12是本发明提供的多级点阵结构和一级点阵结构的有限元模拟的最大主应力随加载应力的变化图；

图13是本发明提供的多级点阵结构和一级点阵结构的疲劳强度比和疲劳寿命对比图；

图14是本发明提供的多级点阵结构和一级点阵结构的疲劳强度比与其他类型点阵结构的疲劳强度比的对比图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-第一二维结构；11-内入点；12-顶杆；13-底杆；14-左上侧杆；15-左下侧杆；16-右上侧杆；17-右下侧杆；2-第二二维结构；A-一级单胞；B-二级单胞；C-三级单胞；A1-一号单胞；A2-二号单胞；A3-三号单胞。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请参阅图1、图2和图3，本发明提供一种点阵结构，所述点阵结构由点阵单胞排列组阵形成，所述点阵单胞包括一级单胞A和二级单胞B，所述一级单胞A包括相互垂直且中线重合的两个第一二维结构1，参考图4和图5，所述二级单胞B包括第二二维结构2，所述第二二维结构2的节点与两个所述第一二维结构1的节点或连杆相连，且所述第二二维结构2呈水平设置状态。

点阵单胞是点阵结构的最小重复单元，点阵单胞在三维空间重复排列形成点阵结构。本发明提供的点阵结构为多级点阵结构，即是通过多级点阵单胞依次嵌套设置形成多级点阵单胞，再由多级点阵单胞在三维空间进行排列组阵形成。具体地，参阅图1、图2和图3，一级单胞A为三维结构，可通过一个第一二维结构1绕自身中线旋转90°形成两个相互垂直的第一二维结构1，在该相互垂直的两个第一二维结构1的节点之间连接连杆形成一级单胞A。

进一步地，在一级单胞A上连接设置二级单胞B。二级单胞B是在第二二维结构2的节点之间连接连杆形成，如图4和图5所示。二级单胞B可嵌设在一级单胞A内部，二级单胞B的节点可与一级单胞A的节点连接。在点阵单胞排列组阵形成多级点阵结构时，可在相互垂直的两个第一二维结构1所在的平面内分别进行多个一级单胞A的连接进行组阵，由此可形成三维多孔结构。该多级点阵结构可通过增材制造的工艺进行制造成型。

进一步地，本发明考虑到对于现有一些为了增加强度而设计为复杂特殊形状的点阵结构，内部有较多存在垂悬的结构即在竖直方向上存在断开不连续的部位，垂悬结构的存在会导致增材制造工艺成型困难，不便于打印。本发明考虑到利用增材制造工艺来成型点阵结构，制造精度和制造样品的稳定性均较高，进而本发明根据实际增材制造工艺来进行点阵结构相关的设计，提出设置点阵单胞中二级单胞B呈水平设置状态，即二级单胞B位于水平面上，如图5和图9所示。从而该多级点阵结构避免了内部垂悬情况的存在，便于利用增材制造工艺来制造成型。

本发明提供的点阵结构，通过设计二级单胞B与一级单胞A相连形成多级点阵结构，二级单胞B在一级单胞A内部可起到支撑稳定作用，有利于提高点阵结构的强度性能进而提高使用寿命，且该多级点阵结构内部避免了垂悬情况的存在，解决了现有存在垂悬的点阵结构不便于打印成型的问题，有利于降低增材制造工艺的成型难度，便于打印成型。

进一步地，本发明多级点阵结构的设计，通过一级单胞A和二级单胞B的嵌套相连，可以形成具有不同尺寸的孔隙，因此可以获得具有多级孔尺寸的点阵结构，在该点阵结构应用于医用植入物时，由于曲率效应，小孔可以促进细胞的粘附，而大孔可以促进细胞的增殖，因此，该多级孔尺寸有利于细胞的粘附、分化和增殖，可以促进骨再生，有利于提高医用植入物的使用性能。

进一步地，参考图5，在一个实施例中，二级单胞B的节点可与一级单胞A的节点相连；在另一个实施例中二级单胞B的节点也可与一级单胞A的连杆相连；可根据实际需要灵活设置，具体不做限定。二级单胞B的节点与一级单胞A的节点或连杆之间可直接相连，也可通过连接杆相连，具体不做限定。

进一步地，参考图4和图5，所述第二二维结构2的相邻两个节点之间的连杆为折线段形式。即二级单胞B的相邻连接点不是直线直接连接，必须是折线连接，相邻节点之间通过多段折线相连。该设置使得二级单胞B具有一定的可变形性，即在一级单胞A受力时，一级单胞A会对二级单胞B施加一个作用力，二级单胞B在面对该作用力时由于折线段的连接形式，二级单胞B并不是完全不能变形的，而是具有一定的可变形性。

本发明考虑到在点阵结构应用于医用植入物时，由于人类步态的周期性，承重骨植入物在植入人体后会承载周期性的载荷，这对点阵结构的疲劳性能提出了要求。然而，现有点阵结构的力学性能随着孔隙率的增加会大幅降低，特别是疲劳性能会严重恶化。具体地，本发明发现细的杆径、节点处的应力集中和局部疲劳开裂是点阵结构疲劳性能低的主要原因。在医疗领域，长寿命、可靠的骨科植入物能够避免二次翻修对患者带来的手术疼痛和经济负担。因此，如何获得低模量、高疲劳寿命的点阵结构是目前医用领域亟待解决的问题。

基于此，本发明提出设计多级点阵结构，二级单胞B在一级单胞A内部能够起到一定的支撑固定作用，有利于提高点阵结构的强度性能，且有利于避免一级单胞A的应力集中现象，从而提高点阵结构的疲劳性能；进一步地，设计二级单胞B相邻节点之间为折线段连接，使得二级单胞B具有一定的可变形性，一级单胞A同样具有一定的可变形性，从而在一级单胞A受力时，点阵结构可通过一定的变形来缓冲压力，使得点阵结构具有一定的缓冲性能，有利于减缓应力集中现象，降低局部疲劳开裂的几率，从而有利于提高点阵结构的疲劳性能，使得点阵结构具有较好的实用性。

进一步地，点阵结构还包括依次套设在所述二级单胞B内部的至少一级子单胞，所述子单胞呈水平设置状态，且所述子单胞的相邻两个节点之间的连杆为折线段形式。

即本发明提供的点阵结构还可设置为更多级单胞嵌套的结构以形成更多级的点阵结构。多级子单胞可依次嵌套设置在二级单胞B的内部。例如，参考图6，二级单胞B内部可连接设置一级子单胞，该级子单胞可为三级单胞C，三级单胞C的节点与二级单胞B的节点或连杆连接。三级单胞C的内部还可嵌套设置四级单胞等，具体点阵结构的级数可根据实际需求灵活设计，不做具体限定。考虑到增材制造过程的技术要求，二级、三级、四级或更低一级的单胞应该避免悬空结构以便能够成功建造。且二级、三级、四级或更低一级的单胞相邻节点之间同样应为折线段的连接形式，提提高点阵结构的缓冲性能，以提高疲劳性能。

进一步地，所述一级单胞A、所述二级单胞B和所述子单胞分别为弯曲主导型单胞。弯曲主导型单胞与本发明的设计构思一致，在点阵结构受力时，主要发生弯曲变形，结合本发明提供的点阵结构的上述设计，能够使得点阵结构具有较好的强度性能以及疲劳性能。

进一步地，所述二级单胞B的变形抗力小于对所述一级单胞A施加预设压力时所述一级单胞A施加至所述二级单胞B的作用力。即一级单胞A在受力时会施加给二级单胞B一定的作用力，该作用力应高于二级点阵结构本身的变形抗力，使得在对一级单胞A施加预设压力时，一级单胞A和二级单胞B能够发生一定的形变，以避免应力集中，提高疲劳性能。

进一步地，预设压力的设定根据点阵结构具体应用时所受的压力来确定。例如，在点阵结构应用于医用骨植入物时，可分析具体用户在运动时对骨植入物产生的实际压力，预设压力可小于等于该实际压力，以使得在点阵结构具体应用时，在实际压力的作用下，点阵结构具有一定的可变形性。

进一步地，通过调节二级单胞B中相邻节点之间连杆的数量、连杆的杆径以及相邻连杆之间的夹角来调节二级单胞B的变形抗力。可通过有限元仿真分析的方式，通过试验验证使得二级单胞B的变形抗力满足设计要求。

进一步地，二级单胞B的内部还可以嵌套三级单胞C，三级单胞C的内部还可以嵌套四级单胞。其嵌套原则与二级点阵结构一致。子单胞抗变形力的具体设计原则与二级单胞B一致。

进一步地，二级单胞B的连杆的杆径小于所述一级单胞A的连杆的杆径。有利于使得二级单胞B变形抗力的设计满足上述要求。

进一步地，参考图7、图8和图9，所述点阵单胞排列组阵时，在所述一级单胞A的任一所述第一二维结构1所在平面上，所述点阵单胞上下依次交错设置，且相邻两个所述点阵单胞中的所述一级单胞A共连杆设置。

即本发明提供的点阵单胞在排列组阵时，相邻两个点阵单胞的一级单胞A是共连杆相连结构，而无需通过另外设置连接杆进行相连，该共连杆设置使得点阵单胞依次交错排列。该排列方式有利于提高点阵单胞的设置密度，进而大幅度提高点阵结构的强度性能，减缓一级单胞A的应力集中，从而使疲劳寿命大幅增加。

进一步地，所述点阵结构的材质包括医用纯钛、医用Ti-6Al-4V、Ti-Mo系、Ti-Zr系、Ti-Nb系、Ti-Nb-Zr系、Ti-Nb-Hf系医用β型钛合金、NiTi系形状记忆合金、CoCr系合金、医用不锈钢、铝合金、铜合金、铁基合金以及镍基合金中的至少一种。

该点阵结构在用于医学应用时，增材制造所用医用合金可以是医用纯钛，医用Ti-6Al-4V，Ti-Mo系、Ti-Zr系、Ti-Nb系、Ti-Nb-Zr系、Ti-Nb-Hf系医用β型钛合金，NiTi系形状记忆合金，CoCr系合金和医用不锈钢中的至少一种。

进一步地，在医疗领域范围之外，该多级点阵结构适用于任何材料如铝合金，铜合金，铁基合金，镍基合金等。该多级点阵结构能够提高多孔结构的强度性能，具有较好的疲劳性能，且便于打印制造成型，具有较好的实用性，具体应用不限于用于医疗领域，还可用于其他需要多孔结构的领域。

进一步地，一级单胞A属于弯曲主导型单胞，其可以是内入六边形，六边形，菱形等；具有弯曲主导特征的点阵结构均在本发明的保护范围内。二级单胞B可以是内入六边形，六边形，内入八变形等。多级点阵结构对实际孔隙率、杆横截面的形状、单胞的大小等特征不做要求，可根据实际应用需要灵活设置，具有多级点阵结构特征的点阵结构设计都在本发明的保护范围内。

进一步地，多级点阵结构可以通过电子束选区熔化技术或是激光选区熔化技术制造，所述多级点阵结构也可以通过铸造或是选择性激光烧结成型，具体成型工艺不做限定。

进一步地，本发明还提供一种医用植入物，该医用植入物包括上述任一项所述的点阵结构。

进一步地，本发明还提供一种点阵结构制造方法，所述点阵结构为上述任一项所述的点阵结构，所述制造方法包括：选取所述第一二维结构1，将所述第一二维结构1绕中线旋转90°获取所述一级单胞A的三维模型；选取所述第二二维结构2作为所述二级单胞B，将所述第二二维结构2与所述一级单胞A相连，获取所述点阵单胞的三维模型，其中，所述第二二维结构2呈水平设置状态；对所述点阵单胞进行排列组阵，获取所述点阵结构的三维模型；根据所述点阵结构的三维模型，通过增材制造获取所述点阵结构。

进一步地，获取所述点阵单胞的三维模型还包括：

设置所述第二二维结构2的相邻两个节点之间的连杆为折线段形式，并通过试验验证使得所述二级单胞B的变形抗力小于对所述一级单胞A施加预设压力时所述一级单胞A施加至所述二级单胞B的作用力。

本发明提供了一种具有超高疲劳寿命的多级点阵结构设计和制造方法，通过该方法可以获得具有超高疲劳寿命同时具有低模量的点阵结构，并且该方法适用于任何弯曲主导型点阵结构。该方法主要包括以下步骤：

(1)选取一种二维形状，在三维建模软件中建立该二维形状的二维单胞。然后通过沿着其Z方向上的对称轴旋转90°可以获得三维单胞，该三维单胞称为一级单胞A。

(2)选取一种形状作为二级单胞B。将该形状的若干个节点与步骤(1)中的三维单胞的对应个节点相连，绘制杆模型，从而实现在在一级点阵结构单胞中嵌入二级点阵结构单胞。所述一级点阵结构单胞和其内部的二级点阵结构单胞共同称为多级点阵结构点阵单胞。

(3)不同于与传统在xyz单一方向等距离阵列的方法，步骤(2)中的多级点阵结构点阵单胞通过波动阵列的方式获得多级点阵结构单胞。具体特征为，第二个点阵单胞的阵列方向与相邻点阵单胞的上、下边不在一条直线上，阵列的第二个点阵单胞的上半部分与第一个点阵单胞的下半部分的连杆重合。阵列的第三个点阵单胞的下半部分与阵列的第二个点阵单胞的上半部分的杆重合。依次类推，可以获得多级点阵结构多胞。

(4)将该模型保存为stl格式文件，输入增材设备控制电脑中进行打印制造。

进一步地，本实施例提供一个具体应用实例，首先选取一种内入六边形二维框架结构，如图1所示，即第一二维结构1为内入六边形。内入六边形具有两个内入节点11。在SolidWorks中将绘制该内入六边形的杆模型，上下边距离为3mm，内入角为60°，连杆杆径为0.6mm，如图2所示，该第一二维结构1的杆模型具体包括顶杆12、底杆13、左上侧杆14、左下侧杆15、右上侧杆16和右下侧杆17。将图2中的内入六边形的二维杆模型沿着z轴的对称轴旋转90°，可以组成一个三维内入六边形单胞，如图3所示，就是本发明的一级单胞A。

进一步选取一种内入八边形二维框架结构，如图4所示，即第二二维结构2为内入八边形。将该内入八边形的4个内入顶点与图3中的三维内入六边形单胞的4个内入节点11相连，并绘制内入八边形的杆状模型，杆径为0.4mm，就是二级单胞B。图5所示的一级单胞A和二级单胞B共同组成本发明所述的多级点阵结构点阵单胞。在二级点阵结构中再嵌入三级点阵结构，可以获得具有三级特征的多级点阵结构，如图6所示。

进一步地，参考图7和图8，展示在一级单胞A的其中一个第一二维结构1所在平面上，点阵单胞的排列组阵结构。基于图5中的点阵单胞建立多级点阵多胞模型。首先，在SolidWorks中选择装配体，输入图5中的多级点阵结构点阵单胞，为一号单胞A1。然后，再次输入图5中的多级点阵结构点阵单胞，为二号单胞A2。设置一号单胞A1的右下侧杆17与二号单胞A2的左上侧杆14重合，可以获得图7所示的两个组阵单胞。进一步的，再次输入图5中的多级点阵结构单胞，为三号单胞A3。设置三号单胞A3的左下侧杆15与二号单胞A2的右上侧杆16重合，可以获得由一号单胞A1、二号单胞A2和三号单胞A3三个单胞组成的多级点阵结构的多胞，如图8。进一步的，可以通过这种方式在xy获得多胞点阵结构。将图5中的多级点阵结构单胞沿着z方向间隔3mm阵列5次，可以获得5层多级点阵结构单胞，如图9所示。

同样的，为了分析本发明提供的多级点阵结构的具体性能，本发明实施例只对一级单胞A进行与图7和图8所示的多胞建模，可以获得一级点阵结构多胞，如图10所示，该一级点阵结构作为对比实施例用来对比分析多级点阵结构的性能。

将一级点阵结构多胞和多级点阵结构多胞另存为STL文件，并导入SLM控制系统、基板安装和装粉、抽真空和通入高纯Ar气、调整扫描区域在基板范围内、激光加工、冷却到室温取样。该多级点阵结构的内入八边形以水平放置，避免了垂悬存在，可以成功进行高精度打印。最后，采用Ti-6Al-4V球形粉对两种结构进行打印。

具体地，通过万能力学试验机对两种点阵结构的力学性能进行测试，如图11所示。结果表明，多级点阵结构的强度性能大幅增加，而弹性模量只增加4％，不会影响使用。

进一步地，本发明通过研究发现最大主应力的大小严重影响点阵结构的疲劳性能。进而通过有限元模拟对两种点阵结构的最大主应力大小进行统计。可以发现多级点阵结构的最大主应力在任何加载应力下均小于一级点阵结构，如图12所示。

进一步地，通过疲劳测试液压试验机对该多级点阵结构和单一的一级点阵结构的进行疲劳性能测试以获得有益效果。加载频率为20Hz，最大加载力与最小加载力的比值为0.1。结构表明，该多级点阵结构与一级点阵结构相比，疲劳寿命可有提高2800％～3100％，疲劳强度比从一级点阵结构的0.65提高到了多级点阵结构的0.8，是目前已报道的最高值，如图13所示。

为了进一步说明本发明的有益效果，参考图14，将一级点阵结构和多级点阵结构的疲劳强度比与其他类型的点阵结构的疲劳强度比的结果进行对比。所示结果都是Ti-6Al-4V在1×10⁶测试下的疲劳强度和屈服强度的比值。结果表明，本发明所提出的多级点阵结构具有最优的疲劳性能，如图14所示。

进一步地，在其他具体应用实例中，第一二维结构1以及第二二维结构2也可为其他形状，例如第一二维结构1也可为六边形，具体不做限定。

本发明受到自然界中多级多尺度结构材料的启发，例如贝壳、骨头、牙齿、竹子、木头和树枝，提出了一种多级点阵结构的设计和制造方法，提出的多级点阵结构的设计和制造方法大幅提高了点阵结构的疲劳寿命，获得了具有超高疲劳寿命的多级点阵结构。本发明也为改进已应用的弯曲主导型点阵结构提供了指导，进一步推动了金属点阵结构的临床应用。

另外，本发明提供了一种具有多级孔尺寸的点阵结构和骨科植入物，本发明通过引入多级点阵结构，可以获得具有多种孔尺寸的点阵结构。

本发明提供的一种具有超高疲劳寿命的多级点阵结构设计和制造方法，该方法解决了传统点阵结构疲劳寿命不足的问题。通过多级点阵结构设计，减缓了一级点阵结构的应力集中，从而使疲劳寿命大幅增加。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：本发明提供的一种具有超高疲劳寿命的多级点阵结构设计和制造方法，通过将二级点阵及更低一级结构平行于建造平面放置，解决了现有点阵结构存在垂悬问题而不便于打印成型的问题；

本发明提供的一种具有超高疲劳寿命的多级点阵结构设计和制造方法，通过在一级点阵结构中嵌入二级点阵结构，获得了一种多级点阵结构单胞。进一步通过单胞与单胞之间共连杆的拼接阵列形式，减缓了一级点阵结构的应力集中，从而提高了疲劳寿命。

该多级点阵结构能够大幅提升初始点阵结构的疲劳寿命。同时，多级点阵结构的弹性模量基本保持不变，不会带来额外的应力屏蔽作用。该方法突破了现有点阵结构设计思路，获得了具有超高疲劳寿命的多级点阵结构。本发明还证明了该多级点阵结构也适用于其他多孔结构。就这个方面而言，本发明对推动点阵结构在骨植入物中的应用具有巨大意义，本发明提出的多级点阵结构在制备长寿命医用多孔植入物方面具有广泛的应用前景。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种点阵结构，其特征在于，所述点阵结构由点阵单胞排列组阵形成，所述点阵单胞包括一级单胞和二级单胞，所述一级单胞包括相互垂直且中线重合的两个第一二维结构，所述二级单胞包括第二二维结构，所述第二二维结构的节点与两个所述第一二维结构的节点或连杆相连，且所述第二二维结构呈水平设置状态；

所述第二二维结构的相邻两个节点之间的连杆为折线段形式。

2.如权利要求1所述的点阵结构，其特征在于，还包括依次套设在所述二级单胞内部的至少一级子单胞，所述子单胞呈水平设置状态，且所述子单胞的相邻两个节点之间的连杆为折线段形式。

3.如权利要求2所述的点阵结构，其特征在于，所述一级单胞、所述二级单胞和所述子单胞分别为弯曲主导型单胞。

4.如权利要求1所述的点阵结构，其特征在于，所述二级单胞的变形抗力小于对所述一级单胞施加预设压力时所述一级单胞施加至所述二级单胞的作用力。

5.如权利要求1-4中任一项所述的点阵结构，其特征在于，所述点阵单胞排列组阵时，在所述一级单胞的任一所述第一二维结构所在平面上，所述点阵单胞上下依次交错设置，且相邻两个所述点阵单胞中的所述一级单胞共连杆设置。

6.如权利要求1-4中任一项所述的点阵结构，其特征在于，所述点阵结构的材质包括医用纯钛、医用Ti-6Al-4V、Ti-Mo系、Ti-Zr系、Ti-Nb系、Ti-Nb-Zr系、Ti-Nb-Hf系医用β型钛合金、NiTi系形状记忆合金、CoCr系合金、医用不锈钢、铝合金、铜合金、铁基合金以及镍基合金中的至少一种。

7.一种医用植入物，其特征在于，包括上述权利要求1-6中任一项所述的点阵结构。

8.一种点阵结构制造方法，其特征在于，所述点阵结构为上述权利要求1-6中任一项所述的点阵结构，所述制造方法包括：

选取所述第一二维结构，将所述第一二维结构绕中线旋转90°获取所述一级单胞的三维模型；

选取所述第二二维结构作为所述二级单胞，将所述第二二维结构与所述一级单胞相连，获取所述点阵单胞的三维模型，其中，所述第二二维结构呈水平设置状态；

对所述点阵单胞进行排列组阵，获取所述点阵结构的三维模型；

根据所述点阵结构的三维模型，通过增材制造获取所述点阵结构。

9.根据权利要求8所述的点阵结构制造方法，其特征在于，获取所述点阵单胞的三维模型还包括：

设置所述第二二维结构的相邻两个节点之间的连杆为折线段形式，并通过试验验证使得所述二级单胞的变形抗力小于对所述一级单胞施加预设压力时所述一级单胞施加至所述二级单胞的作用力。