CN117257526A - 负泊松比胞元体、多孔骨微结构及其制备方法和植入体 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种负泊松比胞元体、多孔骨微结构及其制备方法和植入体，多孔骨微结构包括多个负泊松比胞元体，多个负泊松比胞元体在三维空间内排列形成一个立体结构的多孔骨微结构，竖直方向上的相邻二个负泊松比胞元体通过上椭圆和下椭圆相连接，水平方向上的相邻二个负泊松比胞元体通过左连杆和右连杆相连。能够解决现有技术对于人工骨植入后产生“应力屏蔽”的缺陷和弹性模量调控困难以及受压时出现应力集中的问题。
Description
技术领域
本发明涉及骨科医疗器械领域，具体涉及一种负泊松比胞元体、多孔骨微结构及其制备方法和植入体。
背景技术
现在越来越多的老年人面临骨科疾病的困扰，如颈椎关节等问题。在临床上治疗常用骨植入的方式进行功能修复，骨植入的方式有自体骨植入、异体骨植入。前者资源有限，不足以满足需求，目前主要以人工骨植入为方式应用于临床，其中金属人工骨应用广泛，但是也存在一些弊端，如：由于人体骨组织结构复杂、存在多孔结构、弹性模量低，而金属实体结构弹性模量高且不利于营养物质输送。因此，金属实体人工骨和人体骨组织存在结构与力学不匹配问题，从而带来骨组织再生困难和“应力屏蔽”问题，术后效果不佳。
随着进一步研究，在实体中引入了多孔结构，常见的有简单立方点阵结构、金刚石结构等，可以有效的降低弹性模量和质量，同时为营养物质输送提供通道，据研究表明，具有较高孔隙率(60％-90％)的多孔结构能够促进骨细胞生长，然而较高的孔隙率虽然可以降低弹性模量，但是也会导致强度下降；另外，传统多孔结构多为直杆连接，容易导致应力集中而引起植入体松动，同时直杆结构连接面积小，不利于细胞吸附。
发明内容
为此，本发明为改善上述问题，提供一种负泊松比胞元体、多孔骨微结构及其制备方法和植入体。解决现有技术对于人工骨植入后产生“应力屏蔽”的缺陷和弹性模量调控困难以及受压时出现应力集中的问题。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：
一种负泊松比胞元体，包括二个负泊松比单元和一个第一内凹四边框，二个负泊松比单元均包括第二内凹四边框、上椭圆、下椭圆、左连杆和右连杆，所述第一内凹四边框和第二内凹四边框均由四个内凹的边框构成，分别是上韧带、下韧带、左韧带和右韧带；所述上椭圆连接第二内凹四边框的上韧带，所述下椭圆连接第二内凹四边框的下韧带，所述左连杆连接第二内凹四边框的左韧带，所述右连杆连接第二内凹四边框的右韧带；定义负泊松比单元上下方向延伸的中心轴线为Z轴轴线，二个负泊松比单元和一个第一内凹四边框的中心点相重合，二个负泊松比单元的Z轴轴线相重合且相垂直设置，所述第一内凹四边框垂直于Z轴轴线设置；进而使二个负泊松比单元和一个第一内凹四边框在三维空间内垂直并相嵌套。
进一步的，所述上韧带、下韧带、左韧带和右韧带均是内凹的圆弧段。
进一步的，所述上椭圆和下椭圆的长轴线平行于左连杆和右连杆的延伸方向。
一种多孔骨微结构，包括多个上述所述的负泊松比胞元体，多个负泊松比胞元体在三维空间内排列形成一个立体结构的多孔骨微结构，竖直方向上的相邻二个负泊松比胞元体通过上椭圆和下椭圆相连接，水平方向上的相邻二个负泊松比胞元体通过左连杆和右连杆相连。
进一步的，竖直方向上的相邻二个负泊松比胞元体通过上椭圆和下椭圆相重合而形成连接。
一种多孔骨微结构的制备方法，包括如下步骤：
A1，通过三维建模软件建立内凹四边框的模型，该内凹四边框的模型为二维的内凹四边框，包括上韧带、下韧带、左韧带和右韧带，得到第一内凹四边框的模型；
A2，通过三维建模软件建立负泊松比单元的模型，在步骤A1的模型基础上，在上韧带上建立上椭圆，在下韧带上建立下椭圆，在左韧带上建立左连杆，在右韧带上建立右连杆；得到单个负泊松比单元的模型；
A3，通过三维建模软件将二个负泊松比单元的模型和一个第一内凹四边框的模型进行组合，具体方式是：二个负泊松比单元的模型和一个第一内凹四边框的模型的中心点相重合，二个负泊松比单元的模型的Z轴轴线相重合且相垂直设置，所述第一内凹四边框的模型垂直于Z轴轴线设置；进而使二个负泊松比单元的模型和一个第一内凹四边框的模型在三维空间内垂直并相嵌套；得到单个负泊松比胞元体的模型；
A4，通过三维建模软件将多个负泊松比胞元体模型在三维空间内排列形成一个立体结构的多孔骨微结构的模型，其中，竖直方向上的相邻二个负泊松比胞元体通过上椭圆和下椭圆相连接，水平方向上的相邻二个负泊松比胞元体通过左连杆和右连杆相连；
A5，将步骤A4得到的多孔骨微结构的模型导入三维打印软件中，并通过3D打印机打印出成品。
进一步的，所述上韧带、下韧带、左韧带和右韧带均是内凹的圆弧段，在步骤A1中，上韧带内曲线L通过双曲线方程：(-1.5≤x≤1.5)得到，之后通过双曲线参数化设计四韧带弧度及大小；再通过圆心阵列式分布得到四个韧带，韧带带宽d和带厚t取值为0.4mm-0.8mm，再对相邻韧带之间倒圆角。
进一步的，步骤A2中，所述上椭圆和下椭圆的长轴线平行于左连杆和右连杆的延伸方向。
进一步的，步骤A4中，竖直方向上的相邻二个负泊松比胞元体通过上椭圆和下椭圆相重合而形成连接。
进一步的，步骤A5中，具体为：将所设计的多孔骨微结构的模型保存为.STL格式导入三维打印软件中，进行支撑生成以及打印参数设定，完成相关设置后导入3D打印SLM设备进行样件打印；其中功率为195w；层厚0.03mm；基板预热温度35℃；扫描速度1200mm；扫描间距0.13mm；腔体通入保护气体，打印完成后冷却至室温再进行热处理和喷砂处理。
一种植入体，具有上述所述的多孔骨微结构。
通过本发明提供的技术方案，具有如下有益效果：
1.负泊松比结构具有高强度和低弹性模量的力学特点，可以通过调整胞元体结构参数对弹性模量进行广跨度调控，解决人骨与金属材料弹性模量差距悬殊而引发的“应力屏蔽”的问题以及传统多孔结构只能通过增加孔隙率来降低弹性模量而导致强度降低的矛盾。
2.本发明所设计的多孔骨微结构在受压时，椭圆将压力传递至内凹四边框的韧带，使其内凹收缩，与传统负泊松比结构只在二维平面内收缩相比，该多孔结构在三维平面内都发生大变形，从而获得更优异的单位质量吸能能力，提高了金属的塑性，更大的中部收缩集中效应为结构提供了更好地抗冲击能力，以及抗疲劳性能。
3.该多孔骨微结构采用内凹四边框、椭圆等曲面结构，增加多孔结构比面积，利于细胞附着、生长。
4.该多孔骨微结构具有非常规变形机制，在植入过程中施加载荷使整个多孔结构向几何中心收缩，以减小患者骨组织的机械损伤；植入后载荷卸载，整个结构同时向外扩张，增加与骨组织的接触面积，利于固定、促进融合。
附图说明
图1所示为实施例中多孔骨微结构的制备方法的流程框图；
图2所示为实施例中负泊松比胞元体的第一内凹四边框的结构示意图；
图3所示为实施例中负泊松比胞元体的负泊松比单元的结构示意图；
图4所示为实施例中负泊松比胞元体的结构示意图；
图5所示为实施例中多孔骨微结构的结构示意图；
图6所示为实施例中融合器的结构示意图；
图7所示为实施例中种植体的结构示意图。
具体实施方式
为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。
现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
参照图2至图4所示，本实施例提供一种负泊松比胞元体30，包括二个负泊松比单元20和一个第一内凹四边框10，二个负泊松比单元20均包括第二内凹四边框21、上椭圆22、下椭圆23、左连杆24和右连杆25，所述第一内凹四边框10和第二内凹四边框21均由四个内凹的边框构成，四个内凹的边框分别是上韧带、下韧带、左韧带和右韧带；具体的，上韧带11、下韧带12、左韧带13和右韧带14组成第一内凹四边框10；上韧带211、下韧带212、左韧带213和右韧带214组成第二内凹四边框21。如图3所示，所述上椭圆22连接第二内凹四边框21的上韧带211，所述下椭圆23连接第二内凹四边框21的下韧带212，所述左连杆24连接第二内凹四边框21的左韧带213，所述右连杆25连接第二内凹四边框21的右韧带214。
定义负泊松比单元20上下方向延伸的中心轴线为Z轴轴线a，二个负泊松比单元20和一个第一内凹四边框10的中心点相重合，二个负泊松比单元20的Z轴轴线a相重合且相垂直设置，所述第一内凹四边框10垂直于Z轴轴线a设置；可以理解为：如图4所示，在X/Y/Z三轴坐标系中，二个负泊松比单元20分别在X-Z平面和Y-Z平面上分布，而第一内凹四边框10则在X-Y平面上分布，进而使二个负泊松比单元20和一个第一内凹四边框10在三维空间内垂直并相嵌套；从而得到负泊松比胞元体30。
具体的，本实施例中，所述上韧带(11、211)、下韧带(12、212)、左韧带(13、213)和右韧带(14、214)均是内凹的圆弧段。所述上椭圆22和下椭圆23的长轴线平行于左连杆24和右连杆25的延伸方向，本实施例中均是水平方向。
继续参照图5所示，本实施例还提供一种多孔骨微结构100，包括多个上述所述的负泊松比胞元体30，多个负泊松比胞元体30在三维空间内排列形成一个立体结构的多孔骨微结构100，如本具体实施例中，64个负泊松比胞元体30以4*4*4的阵列方式排布形成一个立体结构的多孔骨微结构100。竖直方向上的相邻二个负泊松比胞元体30通过上椭圆22和下椭圆23相连接，具体的，上椭圆22和下椭圆23是相重合设置的，即上方的负泊松比胞元体30的下椭圆23与下方的负泊松比胞元体30的上椭圆22相重合设置，可以理解为重合后只有一个椭圆，连接稳定，当然的，在其它实施例中不局限于此，也可以是上方的负泊松比胞元体30的下椭圆23与下方的负泊松比胞元体30的上椭圆22呈上下分布并相连。同时，水平方向上的相邻二个负泊松比胞元体30通过左连杆24和右连杆25相连。
本实施例还提供一种植入体，该植入体具有上述所述的多孔骨微结构100。
具体的，该植入体为如图6所示椎间融合器200、如图7所示的种植体300或髋臼杯(图未示出)等用于植入的人工骨，以使该多孔骨微结构100在不同的植入体上得到很好的运用。
采用本方案提供的多孔骨微结构，运用在人工骨植入上，具有如下效果：
1.负泊松比结构具有高强度和低弹性模量的力学特点，可以通过调整胞元体结构参数对弹性模量进行广跨度调控，解决人骨与金属材料弹性模量差距悬殊而引发的“应力屏蔽”的问题以及传统多孔结构只能通过增加孔隙率来降低弹性模量而导致强度降低的矛盾。
2.本方案所设计的多孔骨微结构100在受压时，椭圆将压力传递至内凹四边框的韧带，使其内凹收缩，与传统负泊松比结构只在二维平面内收缩相比，该多孔结构在三维平面内都发生大变形，从而获得更优异的单位质量吸能能力，提高了金属的塑性，更大的中部收缩集中效应为结构提供了更好地抗冲击能力，以及抗疲劳性能。
3.该多孔骨微结构100采用内凹四边框、椭圆等曲面结构，增加多孔结构比面积，利于细胞附着、生长。
4.该多孔骨微结构100具有非常规变形机制，在植入过程中施加载荷使整个多孔结构向几何中心收缩，以减小患者骨组织的机械损伤；植入后载荷卸载，整个结构同时向外扩张，增加与骨组织的接触面积，利于固定、促进融合。
本具体实施例中，各个部件的连接处均采用圆弧倒角过渡，如相邻两个韧带(如上韧带11和左韧带13)之间的连接处倒圆角设置，又如左韧带13和左连杆24之间的连接处倒圆角设置等等。连接处通过曲面设计，可以消除传统多孔结构直杆连接的尖端效应而获得相对光滑的局部连接，以减小应力集中现象；同时，增加杆件接触面积，使得结构不易失稳。
继续参照图1所示，本实施例还提供一种多孔骨微结构的制备方法，用于制备上述的多孔骨微结构100，包括如下步骤：
A1，通过三维建模软件建立内凹四边框的模型，该内凹四边框的模型为二维的内凹四边框，包括上韧带11、下韧带12、左韧带13和右韧带14，得到如图2所示的第一内凹四边框10的模型；
A2，通过三维建模软件建立负泊松比单元20的模型，在步骤A1的模型基础上，如将步骤A1的第一内凹四边框10的模型进行拷贝，得到相同结构的第二内凹四边框21的模型，在第二内凹四边框21的上韧带211上建立上椭圆22，在第二内凹四边框21的下韧带212上建立下椭圆23，在第二内凹四边框21的左韧带213上建立左连杆24，在第二内凹四边框21的右韧带214上建立右连杆25；得到如图3所示的单个负泊松比单元20的模型；
A3，通过三维建模软件将二个负泊松比单元20的模型和一个第一内凹四边框10的模型进行组合，具体方式是：二个负泊松比单元20的模型和一个第一内凹四边框10的模型的中心点相重合，二个负泊松比单元20的模型的Z轴轴线a相重合且相垂直设置，所述第一内凹四边框10的模型垂直于Z轴轴线a设置；进而使二个负泊松比单元20的模型和一个第一内凹四边框10的模型在三维空间内垂直并相嵌套；得到如图4所示的单个负泊松比胞元体30的模型；
A4，通过三维建模软件将多个负泊松比胞元体30的模型在三维空间内排列形成一个立体结构的多孔骨微结构100的模型，如图5所示，其中，竖直方向上的相邻二个负泊松比胞元体30的模型通过上椭圆22和下椭圆23相连接，水平方向上的相邻二个负泊松比胞元体30的模型通过左连杆24和右连杆25相连；
A5，将步骤A4得到的多孔骨微结构100的模型导入三维打印软件中，并通过3D打印机打印出成品，得到上述所述的多孔骨微结构100。
具体的，本实施例中，所述上韧带(11、211)、下韧带(12、212)、左韧带(13、213)和右韧带(14、214)均是内凹的圆弧段；在步骤A1中，上韧带11内曲线L通过双曲线方程：(-1.5≤x≤1.5)得到，之后通过双曲线参数化设计四个韧带弧度及大小；再通过圆心阵列式分布得到四个韧带，如图2所示，韧带带宽d和带厚t取值为0.4mm-0.8mm，本实施例取d＝0.6mm,t＝0.6mm，再对相邻韧带之间倒圆角；从而为避免韧带相交切处尖端应力集中，具体的，外圆角R＝0.5mm、内圆角r＝0.1mm。
具体的，步骤A2中，所述上椭圆22和下椭圆23的长轴线平行于左连杆24和右连杆25的延伸方向；本实施例中均是水平方向。
具体的，步骤A4中，竖直方向上的相邻二个负泊松比胞元体30通过上椭圆22和下椭圆23相重合而形成连接，连接稳定。
步骤A5中，具体为：将所设计的多孔骨微结构100的模型保存为.STL格式导入三维打印软件中，进行支撑生成以及打印参数设定，完成相关设置后导入3D打印SLM设备进行样件打印；其中功率为195w；层厚0.03mm；基板预热温度35℃；扫描速度1200mm；扫描间距0.13mm；腔体通入保护气体，打印完成后冷却至室温再进行热处理和喷砂处理；最终得到产品。上述打印参数是实现3D打印的其中一种较为优选的参数，当然的，在其它实施例中不局限于此。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种负泊松比胞元体，其特征在于：包括二个负泊松比单元和一个第一内凹四边框，二个负泊松比单元均包括第二内凹四边框、上椭圆、下椭圆、左连杆和右连杆，所述第一内凹四边框和第二内凹四边框均由四个内凹的边框构成，分别是上韧带、下韧带、左韧带和右韧带；所述上椭圆连接第二内凹四边框的上韧带，所述下椭圆连接第二内凹四边框的下韧带，所述左连杆连接第二内凹四边框的左韧带，所述右连杆连接第二内凹四边框的右韧带；
定义负泊松比单元上下方向延伸的中心轴线为Z轴轴线，二个负泊松比单元和一个第一内凹四边框的中心点相重合，二个负泊松比单元的Z轴轴线相重合且相垂直设置，所述第一内凹四边框垂直于Z轴轴线设置；进而使二个负泊松比单元和一个第一内凹四边框在三维空间内垂直并相嵌套。
2.根据权利要求1所述的负泊松比胞元体，其特征在于：所述上韧带、下韧带、左韧带和右韧带均是内凹的圆弧段。
3.根据权利要求1所述的负泊松比胞元体，其特征在于：所述上椭圆和下椭圆的长轴线平行于左连杆和右连杆的延伸方向。
4.一种多孔骨微结构，其特征在于：包括多个权利要求1-3任一所述的负泊松比胞元体，多个负泊松比胞元体在三维空间内排列形成一个立体结构的多孔骨微结构，竖直方向上的相邻二个负泊松比胞元体通过上椭圆和下椭圆相连接，水平方向上的相邻二个负泊松比胞元体通过左连杆和右连杆相连。
5.根据权利要求4所述的多孔骨微结构，其特征在于：竖直方向上的相邻二个负泊松比胞元体通过上椭圆和下椭圆相重合而形成连接。
6.一种多孔骨微结构的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
A1，通过三维建模软件建立内凹四边框的模型，该内凹四边框的模型为二维的内凹四边框，包括上韧带、下韧带、左韧带和右韧带，得到第一内凹四边框的模型；
A2，通过三维建模软件建立负泊松比单元的模型，在步骤A1的模型基础上，在上韧带上建立上椭圆，在下韧带上建立下椭圆，在左韧带上建立左连杆，在右韧带上建立右连杆；得到单个负泊松比单元的模型；
A3，通过三维建模软件将二个负泊松比单元的模型和一个第一内凹四边框的模型进行组合，具体方式是：二个负泊松比单元的模型和一个第一内凹四边框的模型的中心点相重合，二个负泊松比单元的模型的Z轴轴线相重合且相垂直设置，所述第一内凹四边框的模型垂直于Z轴轴线设置；进而使二个负泊松比单元的模型和一个第一内凹四边框的模型在三维空间内垂直并相嵌套；得到单个负泊松比胞元体的模型；
A4，通过三维建模软件将多个负泊松比胞元体模型在三维空间内排列形成一个立体结构的多孔骨微结构的模型，其中，竖直方向上的相邻二个负泊松比胞元体通过上椭圆和下椭圆相连接，水平方向上的相邻二个负泊松比胞元体通过左连杆和右连杆相连；
A5，将步骤A4得到的多孔骨微结构的模型导入三维打印软件中，并通过3D打印机打印出成品。
7.根据权利要求6所述的多孔骨微结构的制备方法，其特征在于：所述上韧带、下韧带、左韧带和右韧带均是内凹的圆弧段，在步骤A1中，上韧带内曲线L通过双曲线方程：得到，之后通过双曲线参数化设计四韧带弧度及大小；再通过圆心阵列式分布得到四个韧带，韧带带宽d和带厚t取值为0.4mm-0.8mm，再对相邻韧带之间倒圆角。
8.根据权利要求6所述的多孔骨微结构的制备方法，其特征在于：步骤A2中，所述上椭圆和下椭圆的长轴线平行于左连杆和右连杆的延伸方向；步骤A4中，竖直方向上的相邻二个负泊松比胞元体通过上椭圆和下椭圆相重合而形成连接。
9.根据权利要求6所述的多孔骨微结构的制备方法，其特征在于：步骤A5中，具体为：将所设计的多孔骨微结构的模型保存为.STL格式导入三维打印软件中，进行支撑生成以及打印参数设定，完成相关设置后导入3D打印SLM设备进行样件打印；其中功率为195w；层厚0.03mm；基板预热温度35℃；扫面速度1200mm；扫描间距0.13mm；腔体通入保护气体，打印完成后冷却至室温再进行热处理和喷砂处理。
10.一种植入体，其特征在于，所述植入体具有权利要求4或5所述的多孔骨微结构。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202311280268.0A CN117257526A (zh) | 2023-09-28 | 2023-09-28 | 负泊松比胞元体、多孔骨微结构及其制备方法和植入体 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN202311280268.0A CN117257526A (zh) | 2023-09-28 | 2023-09-28 | 负泊松比胞元体、多孔骨微结构及其制备方法和植入体 |
Publications (1)
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| CN117257526A true CN117257526A (zh) | 2023-12-22 |
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|---|---|---|---|
| CN202311280268.0A Pending CN117257526A (zh) | 2023-09-28 | 2023-09-28 | 负泊松比胞元体、多孔骨微结构及其制备方法和植入体 |
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN117695443A (zh) * | 2024-02-05 | 2024-03-15 | 四川大学华西医院 | 一种负泊松比结构人工椎间盘及其制备方法 |
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2023
- 2023-09-28 CN CN202311280268.0A patent/CN117257526A/zh active Pending
Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN117695443A (zh) * | 2024-02-05 | 2024-03-15 | 四川大学华西医院 | 一种负泊松比结构人工椎间盘及其制备方法 |
| CN117695443B (zh) * | 2024-02-05 | 2024-04-30 | 四川大学华西医院 | 一种负泊松比结构人工椎间盘及其制备方法 |
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