CN117100460A - 一种修复仿生骨支架 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种修复仿生骨支架，该仿生骨支架的结构以三维单元结构为基础，通过空间延拓布置形成；所述三维单元结构由垂直于X‑Y平面的片面围合而成，所述片面上设有开孔；所述三维单元结构在X‑Y平面上为周期性延拓，在Z方向为顺延布置或错位布置；所述三维单元结构片面上的开孔大小沿Z方向渐进式变化。由于渐进的开孔设计，使得该修复仿生骨支架的物性参数，如密度、弹性模量和泊松比等，在空间上发生渐进式变化，可有效减弱骨生物力学中的应力遮挡效应，减少术后骨质的流失，有效提高孔隙连通性，改善术后营养物质的供应以及加快代谢废物的排放，开孔设计提升了仿生支架的渗透性能，同时内部复杂的结构为细胞的附着生长提供有利条件。

Description

一种修复仿生骨支架

技术领域

本发明属于医用材料技术领域，具体涉及一种修复仿生骨支架。

背景技术

骨骼病变对人的身体健康影响极大，其诱因有多种，如骨质疏松、磨损，还可能由于其他部位的肿瘤病变使得附近天然骨结构受累导致，如卵巢癌容易转移到骨盆或者髋关节。此外，碰撞和运动类意外事故可能造成骨创伤与病变。通常在这种情况下,即仅骸关节的盆侧部分、骸臼及其直接围绕的区域受到影响，仿生骨支架的植入或者替换能够减轻人们的疼痛，提高骨损伤患者的生活品质。由于人的自然骨组织的结构和性能具有随空间位置不同的梯度分布，由此，仿生骨支架需要模拟人类自然骨，要求其物性参数在空间上呈渐进变化。

发明内容

发明目的：本发明提供一种修复仿生骨支架，其物性参数在空间上呈现渐进式变化，能够满足实际医疗需求。

技术方案：本发明采用如下技术方案：

一种修复仿生骨支架，所述仿生骨支架的结构以三维单元结构为基础，通过空间延拓布置形成；所述三维单元结构由垂直于X-Y平面的片面围合而成，所述片面上设有开孔；所述三维单元结构在X-Y平面上为周期性延拓，在Z方向为顺延布置或错位布置；所述三维单元结构片面上的开孔大小沿Z方向渐进式变化。

进一步地，所述三维单元结构在X-Y平面的投影为多边形。

进一步地，所述三维单元结构在X-Y平面的投影为六边形、矩形或三角形。

进一步地，所述三维单元结构片面上的开孔为圆形、多边形或星形。

进一步地，所述三维单元结构片面上开孔的面积沿Z方向渐进式变化有如下方式：

方式一：开孔的面积沿Z方向增大；

方式二：开孔的面积沿Z方向先增大后减小；

方式三：开孔的面积沿Z方向先减小后增大。

进一步地，所述三维单元结构在Z方向为错位布置，所述错位布置为沿Z方向的上下两层三维单元结构在X方向或Y方向之一进行错位。

进一步地，所述三维单元结构在Z方向为错位布置，所述错位布置为沿Z方向的上下两层三维单元结构在X方向和Y方向均进行错位。

进一步地，所述三维单元结构采用医用硅橡胶、钛合金或生物相容性PEEK材料。

进一步地，所述仿生骨支架为盆骨的骨架。

进一步地，所述仿生骨支架为人体器官的骨架。

有益效果：本发明公开的修复仿生骨支架，以三维单元结构为基础，在X-Y平面进行周期性延拓，在Z方向为顺延布置或错位布置；并在三维单元结构的片面上设置开孔，开孔大小沿Z方向渐进式变化。由于渐进的开孔设计，使得该修复仿生骨支架的物性参数(如密度、弹性模量和泊松比等)在空间上具有渐进式变化，可有效减弱骨生物力学中的应力遮挡效应，进一步减少术后骨质的流失，可以有效提高孔隙连通性，改善术后营养物质的供应以及加快代谢废物的排放，开孔设计进一步提升仿生支架的渗透性能，促进术后细胞、骨骼与组织的生长。该仿生骨支架能够基于3D打印技术实现加工制作，在整体上可具有与受损部位相适应的外形，促进术后骨骼与组织生长在合适区域内，同时内部具备复杂的结构为细胞的附着生长提供有利条件。该修复仿生骨支架所具有的渐进式变化物理特性，改善了现有术后骨骼支架与骨硬接触的问题，基于骨重建理论，降低了骨重建效应，使得骨组织在康复过程中获得更多的力学刺激，提高了术后骨上的应力水平，能有效避免骨组织逐渐发生吸收而形成骨质疏松，可设计性强，并且制作方法可行，具有独特的生物力学性能，在医疗领域应用前景十分可观。

附图说明

图1为实施例1中的双向渐进错位蜂窝型修复仿生骨支架示意图；

图2为蜂窝型三维单元结构在X方向和Y方向均进行错位的示意图；

图3为实施例2中的单向渐进错位蜂窝型修复仿生骨支架示意图；

图4为实施例3中的双向渐进顺延蜂窝型修复仿生骨支架示意图；

图5为实施例4中的单向渐进顺延蜂窝型修复仿生骨支架示意图；

图6为实施例5中的双向渐进错位三角型修复仿生骨支架示意图；

图7为三角型三维单元结构在X方向和Y方向均进行错位的示意图；

图8为实施例6中的单向渐进错位三角型修复仿生骨支架示意图；

图9为实施例7中的双向渐进顺延三角型修复仿生骨支架示意图；

图10为实施例8中的单向渐进顺延三角型修复仿生骨支架示示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。

本发明公开了一种修复仿生骨支架，该仿生骨支架的结构以三维单元结构为基础，通过空间延拓布置形成；所述三维单元结构由垂直于X-Y平面的片面围合而成，所述片面上设有开孔；所述三维单元结构在X-Y平面上为周期性延拓，在Z方向为顺延布置或错位布置；所述三维单元结构片面上的开孔大小沿Z方向渐进式变化。由于渐进的开孔设计，使得该修复仿生骨支架的物性参数(如密度、弹性模量和泊松比等)随空间位置呈梯度变化。

三维单元结构在X-Y平面的投影为多边形，如六边形、矩形、三角形或其他多边形。三维单元结构片面上的开孔可以为圆形、多边形(如长方形、正方形、三角形等)或星形。三维单元结构片面上开孔的面积沿Z方向渐进式变化有如下方式：

方式一：开孔的面积沿Z方向增大；

方式二：开孔的面积沿Z方向先增大后减小；

方式三：开孔的面积沿Z方向先减小后增大。

上述方式一得到的是单向渐进仿生骨支架，方式二和方式三得到的是双向渐进仿生骨支架。

三维单元结构采用医用硅橡胶、钛合金或生物相容性PEEK材料。本发明公开的修复仿生骨支架为盆骨的骨架或其他人体器官的骨架；该仿生骨支架可进行缺陷设计以填充相关人体指征监测设备，并可填充缓释型药物，对术后恢复及其它疾病进行给药治疗。

下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1：

如图1所示，本实施例为双向渐进错位蜂窝型修复仿生骨支架，其中三维单元结构在X-Y平面的投影为六边形，通过在X-Y平面进行周期性延拓得到蜂窝型的结构，如图1(a)所示；在Z方向上进行错位布置，本实施例中为沿Y方向错位，即按Z方向的上下两层三维单元结构在Y方向有错位，如图1(b)所示，图中虚线和实线表示蜂窝型结构分别为Z方向相邻的两层三维单元结构。如图1(c)所示，本实施例中六边形的三维单元结构1的六个片面上均设有圆形开孔3，开孔的大小随着空间位置的变化而先渐进减小再渐进增大，使得结构整体在空间上具有了渐进式物性参数，形成本实施例的双向渐进错位蜂窝型修复仿生骨支架。该支架具有较高的孔隙连通性与生物渗透性，降低了骨重建效应，并具有渐进式变化物理特性，可通过改变三维单元结构1与开孔3的几何形状与尺寸对其包括密度、泊松比、生物渗透率进行控制。

在Z方向上进行错位布置，上下两层可以如图1中沿Y方向错位，也可以沿X方向错位，或者在X方向和Y方向均进行错位，如图2所示。

实施例2：

如图3所示，本实施例为单向渐进错位蜂窝型修复仿生骨支架，与实施例1的区别是，本实施例中，三维单元结构1片面上的圆形开孔3的大小随着空间位置的变化沿Z方向渐进增大，即开孔的大小呈单向变化，形成本实施例的单向渐进错位蜂窝型修复仿生骨支架，该支架具有较高的孔隙连通性与生物渗透性，降低了骨重建效应，并具有渐进式变化物理特性，可通过改变三维单元结构1与开孔3的几何形状与尺寸对其包括密度、泊松比、生物渗透率进行控制。

实施例3：

如图4所示，本实施例为双向渐进顺延蜂窝型修复仿生骨支架，与实施例1的区别是，本实施例中，三维单元结构在Z方向上进行顺延布置，其在X-Y平面的投影如图4(a)所示。本实施例中的仿生骨支架，开孔3的大小同样随着空间位置的变化而先渐进减小再渐进增大，使得结构整体在空间上具有了渐进式物性参数，形成本实施例的双向渐进顺延蜂窝型修复仿生骨支架，如图4(b)所示。该支架具有较高的孔隙连通性与生物渗透性，降低了骨重建效应，并具有渐进式变化物理特性，可通过改变三维蜂窝单元结构1与开孔3的几何形状与尺寸对其包括密度、泊松比、生物渗透率进行控制。

实施例4：

如图5所示，本实施例为单向渐进顺延蜂窝型修复仿生骨支架，以蜂窝型三维单元结构1为基础，在X-Y平面上进行周期性延拓布置，并在Z方向上进行顺延布置，如图5(a)所示；并在Z方向上进行渐进式开孔设计形成。在该开孔过程中，开孔3的大小沿Z方向而渐进增大，使得结构整体在空间上具有了渐进式物性参数，形成本实施例的单向渐进顺延蜂窝型修复仿生骨支架，如图5(b)所示。该支架具有较高的孔隙连通性与生物渗透性，降低了骨重建效应，并具有渐进式变化物理特性，可通过改变三维蜂窝单元结构1与开孔3的几何形状与尺寸对其包括密度、泊松比、生物渗透率进行控制。

实施例5：

如图6所示，本实施例为双向渐进错位三角型修复仿生骨支架，其中三维单元结构在X-Y平面的投影为三角形，通过在在X-Y平面上进行周期性延拓得到三角形网格结构，如图6(a)所示。在Z方向上进行错位布置，本实施例中为沿X方向错位，即按Z方向的上下两层三角型三维单元结构在X方向有错位，如图6(b)所示，图中虚线和实线分别为Z方向相邻的两层三维单元结构。如图6(c)所示，三角型三维单元结构2的三个片面上均设有圆形开孔3，开孔3的大小随着空间位置的变化而先渐进减小再渐进增大，使得结构整体在空间上具有了渐进式物性参数，形成本实施例的双向渐进错位三角型修复仿生骨支架。该支架具有较高的孔隙连通性与生物渗透性，降低了骨重建效应，并具有渐进式变化物理特性，可通过改变三角型三维单元结构2与开孔3的几何形状与尺寸对其包括密度、泊松比、生物渗透率进行控制。

在Z方向上进行错位布置，上下两层可以如图6中沿X方向错位，也可以沿Y方向错位，或者在X方向和Y方向均进行错位，如图7所示。

实施例6：

如图8所示，本实施例为单向渐进错位三角型修复仿生骨支架，与实施例5的区别是，本实施例中，三角型三维单元结构2片面上的圆形开孔3的大小随着空间位置的变化沿Z方向渐进增大，即开孔的大小呈单向变化，形成本实施例的单向渐进错位三角型修复仿生骨支架。该支架具有较高的孔隙连通性与生物渗透性，降低了骨重建效应，并具有渐进式变化物理特性，可通过改变三角型三维单元结构2与开孔3的几何形状与尺寸对其包括密度、泊松比、生物渗透率进行控制。

实施例7：

如图9所示，本实施例为双向渐进顺延三角型修复仿生骨支架，与实施例5的区别是，本实施例中，三维单元结构在Z方向上进行顺延布置，其在X-Y平面的投影如图9(a)所示。本实施例中的仿生骨支架，开孔3的大小同样随着空间位置的变化而先渐进减小再渐进增大，使得得结构整体在空间上具有了渐进式物性参数，形成本实施例的双向渐进顺延三角型修复仿生骨支架，如图9(b)所示。该支架具有较高的孔隙连通性与生物渗透性，降低了骨重建效应，并具有渐进式变化物理特性，可通过改变三角型三维单元结构2与开孔3的几何形状与尺寸对其包括密度、泊松比、生物渗透率进行控制。

实施例8：

如图10所示，本实施例为单向渐进顺延三角型修复仿生骨支架，以三角型三维单元结构2为基础，在X-Y平面上进行周期性延拓布置，并在Z方向上进行顺延布置，如图10(a)所示；并在Z方向上进行渐进式开孔设计形成。在该开孔过程中，开孔3的大小随着空间位置的变化而渐进增大，使得结构整体在空间上具有了渐进式物性参数，形成本实施例的单向渐进顺延三角型修复仿生骨支架，如图10(b)所示。该支架具有较高的孔隙连通性与生物渗透性，降低了骨重建效应，并具有渐进式变化物理特性，可通过改变三角型三维单元结构2与开孔3的几何形状与尺寸对其包括密度、泊松比、生物渗透率进行控制。

Claims (10)

1.一种修复仿生骨支架，其特征在于，所述仿生骨支架的结构以三维单元结构为基础，通过空间延拓布置形成；所述三维单元结构由垂直于X-Y平面的片面围合而成，所述片面上设有开孔；所述三维单元结构在X-Y平面上为周期性延拓，在Z方向为顺延布置或错位布置；所述三维单元结构片面上的开孔大小沿Z方向渐进式变化。

2.根据权利要求1所述的修复仿生骨支架，其特征在于，所述三维单元结构在X-Y平面的投影为多边形。

3.根据权利要求1所述的修复仿生骨支架，其特征在于，所述三维单元结构在X-Y平面的投影为六边形、矩形或三角形。

4.根据权利要求1所述的修复仿生骨支架，其特征在于，所述三维单元结构片面上的开孔为圆形、多边形或星形。

5.根据权利要求1所述的修复仿生骨支架，其特征在于，所述三维单元结构片面上开孔的面积沿Z方向渐进式变化有如下方式：

方式一：开孔的面积沿Z方向增大；

方式二：开孔的面积沿Z方向先增大后减小；

方式三：开孔的面积沿Z方向先减小后增大。

6.根据权利要求1所述的修复仿生骨支架，其特征在于，所述三维单元结构在Z方向为错位布置，所述错位布置为沿Z方向的上下两层三维单元结构在X方向或Y方向之一进行错位。

7.根据权利要求1所述的修复仿生骨支架，其特征在于，所述三维单元结构在Z方向为错位布置，所述错位布置为沿Z方向的上下两层三维单元结构在X方向和Y方向均进行错位。

8.根据权利要求1所述的修复仿生骨支架，其特征在于，所述三维单元结构采用医用硅橡胶、钛合金或生物相容性PEEK材料。

9.根据权利要求1所述的修复仿生骨支架，其特征在于，所述仿生骨支架为盆骨的骨架。

10.根据权利要求1所述的修复仿生骨支架，其特征在于，所述仿生骨支架为人体器官的骨架。