EA038111B1

EA038111B1 - Cellular structure of implants

Info

Publication number: EA038111B1
Application number: EA201992265A
Authority: EA
Inventors: Юрий Николаевич ЛОГИНОВ; Антон Игоревич ГОЛОДНОВ; Степан Игоревич СТЕПАНОВ; Сергей Владимирович БЕЛИКОВ; Артемий Александрович ПОПОВ
Original assignee: Акционерное Общество "Наука И Инновации"
Priority date: 2018-12-25
Filing date: 2019-10-23
Publication date: 2021-07-07
Also published as: EA201992265A1; RU2708871C1

Abstract

The proposed invention relates to the field of additive techniques for use in manufacturing implants, preferably from titanium alloys. A cellular structure of implants is configured in the form of a volumetric lattice with an arrangement of nodes on the surface of spatial figures connected by struts. The invention is characterized in that a spatial figure is a hollow sphere having a wall delimited by an outer and an inner spherical surfaces, a first and a second through-openings are configured in a first diametral section of the sphere, said through-openings having a first common axis, a third and a fourth through-openings are configured in a plane orthogonal to said axis and at an angle of 45º to the first diametral section, said through-openings having a second common axis, a fifth and a sixth openings are configured in the same plane, said openings having a third common axis orthogonal to the second common axis, wherein the openings form main through-channels, eight nodes are arranged on the surface of the hollow sphere symmetrically relative to the centre of the hollow sphere. Additional cells are configured in the nodes, said cells communicating with one another by additional channels. The technical result of the proposed design of a cellular structure for medical implants is an improvement in elastic behaviour.

Description

Изобретение относится к области медицины, а именно к травматологии и ортопедии.The invention relates to medicine, namely to traumatology and orthopedics.

Известны конструкции имплантатов, применяемых в травматологии и ортопедии, представляющие собой стержневые системы и изготовленные из титана или титановых сплавов методом литья [1] или прокатки [2]. Они применяются в основном для протезирования коленных суставов. Структура титанового литья или проката представляет собой сплошной (беспористый) металл, получаемый методом отливки в печах вакуумно-дугового переплава и последующей обработкой давлением, включая прессование, ковку и прокатку, а при необходимости и горячую объемную штамповку [3].Known designs of implants used in traumatology and orthopedics, representing rod systems and made of titanium or titanium alloys by casting [1] or rolling [2]. They are mainly used for knee replacement. The structure of titanium casting or rolled products is a solid (non-porous) metal obtained by casting in vacuum arc remelting furnaces and subsequent pressure treatment, including pressing, forging and rolling, and, if necessary, hot forging [3].

Недостатком упомянутых структур имплантатов является отсутствие пор, которые могут выполнять несколько функций. Во-первых, наличие пор снижает массу имплантата, приближая ее к массе костного материала. Во-вторых, определенная архитектура расположения пор позволяет обеспечить улучшение совместимости с костью за счет прорастания костной ткани в поровое пространство. В-третьих, пористые структуры обеспечивают более приемлемый для имплантатов уровень физико-механических свойств упругости, демпфируемости и т.д. [4].The disadvantage of the mentioned implant structures is the absence of pores, which can fulfill several functions. First, the presence of pores reduces the mass of the implant, bringing it closer to the mass of the bone material. Secondly, the specific architecture of the pore placement allows for improved compatibility with bone due to the growth of bone tissue into the pore space. Thirdly, porous structures provide a level of physical and mechanical properties of elasticity, damping, etc. that is more acceptable for implants. [4].

Такой недостаток устранен в других технических объектах, которые представляют собой пористые структуры, создаваемые тем или иным способом.This drawback has been eliminated in other technical objects, which are porous structures created in one way or another.

Например, патентами US2017252165 [5] и RU2576610 [6] предложена группа изобретений, в которой пористая структура имплантата содержит ряд ветвей, причем каждая ветвь имеет первый конец, второй конец и непрерывное удлиненное тело между указанными первым и вторым концами, причем указанное тело имеет толщину и длину; и содержит ряд узлов, причем каждый узел содержит пересечение одного из концов первой ветви с телом второй ветви, при этом в каждом узле пересекаются не более двух ветвей. Имплантат такой конструкции имеет тем самым открытую пористость, т.е. все его поры сообщаются с внешней средой либо сами по себе, либо через соседние поры.For example, patents US2017252165 [5] and RU2576610 [6] propose a group of inventions in which the porous structure of the implant contains a number of branches, and each branch has a first end, a second end and a continuous elongated body between the specified first and second ends, and the specified body has a thickness and length; and contains a number of nodes, each node containing the intersection of one of the ends of the first branch with the body of the second branch, while at each node at most two branches intersect. An implant of this design thus has an open porosity, i.e. all its pores communicate with the external environment either by themselves or through adjacent pores.

Пористые структуры имплантатов неоднократно усложнялись различными методами. Патентами [7, 8] предусмотрено создание хирургического имплантата, обеспечивающего улучшение совместимости с костью и/или устойчивости к износу. Имплантат состоит из поверхностной и центральной областей. При этом доля объема пор в пределах пористой поверхностной области составляет от 20 до 50%. Поры взаимно соединены и, по существу, равномерно распределены в пределах пористой поверхностной области. По меньшей мере некоторые из пор имеют размер в диапазоне от 100 до примерно 750 мкм. Пористая поверхностная область имеет толщину по меньшей мере примерно 1 мм, а предпочтительно - от примерно 2 до примерно 5 мм. Различные области в пределах пористой поверхностной области имеют различное распределение размеров пор и/или различную долю объема пор, так что в пределах пористой поверхностной области существует градиент размеров пор и/или доли объема пор. Область сердцевины имеет плотность от 0,7 до 1,0 от теоретической плотности. Область сердцевины и/или пористая поверхностная область выполнены из титана, титана коммерческой чистоты, нержавеющей стали, сплавов на основе титана, титан-алюминий-ванадиевых сплавов, титан-алюминий-ниобиевых сплавов или сплавов на основе кобальта-хрома. Область сердцевины и/или пористая поверхностная область выполнены из сплавов Ti-6Al-4V, Ti-6Al-7Nb, Stellite 211 или нержавеющей стали 316L.The porous structures of implants have been repeatedly complicated by various methods. Patents [7, 8] provide for the creation of a surgical implant that improves bone compatibility and / or wear resistance. The implant consists of a superficial and a central area. In this case, the proportion of pore volume within the porous surface region is from 20 to 50%. The pores are mutually connected and substantially evenly distributed within the porous surface region. At least some of the pores range in size from 100 to about 750 microns. The porous surface region has a thickness of at least about 1 mm, and preferably from about 2 to about 5 mm. Different regions within the porous surface region have different pore size distributions and / or different pore volume ratios such that a pore size and / or pore volume fraction exists within the porous surface region. The core region has a density of 0.7 to 1.0 of the theoretical density. The core area and / or the porous surface area are made of titanium, commercial grade titanium, stainless steel, titanium-based alloys, titanium-aluminum-vanadium alloys, titanium-aluminum-niobium alloys, or cobalt-chromium based alloys. The core area and / or the porous surface area are made of Ti-6Al-4V, Ti-6Al-7Nb, Stellite 211 or 316L stainless steel.

В соответствии с патентом US7674426 [9] пористая биосовместимая металлическая деталь (ортопедический имплантат) содержит металлическую матрицу с порами и извлекаемым другим материалом. Извлекаемый материал удаляют перед спеканием первого порошкового металла. В конечном варианте изготовления пористость составляет от 50 до 90%. Недостатком аналога является нерегулярный вид пор и неравномерно распределенная пористость.In accordance with patent US7674426 [9], a porous biocompatible metal part (orthopedic implant) contains a metal matrix with pores and other removable material. The material to be recovered is removed before sintering the first powder metal. In the final embodiment, the porosity is from 50 to 90%. The disadvantage of the analogue is the irregular appearance of the pores and the unevenly distributed porosity.

По патенту US2011125284 [10] имплантат имеет пористую часть, которая определяется множеством твердых областей, где присутствует материал, и оставшейся множественностью областей пор, где материал отсутствует, местоположения, по меньшей мере, большей части множественности твердых областей определяется одной или несколькими математическими функциями. Характер пористой части может быть систематически изменен путем изменения одной или нескольких констант в математических функциях, а часть выполняется процессом изготовления твердых свободных форм. С помощью упомянутых математических функций имплантат может быть представлен как ячеистое тело, узлы которого входят в состав стереографических многоугольников, повторяющих кристаллические решетки, например алмаза.According to US2011125284 [10], the implant has a porous portion that is defined by a plurality of solid regions where material is present and the remaining plurality of pore regions where no material is present, the locations of at least most of the plurality of solid regions are determined by one or more mathematical functions. The nature of the porous part can be systematically changed by changing one or more constants in mathematical functions, and the part is performed by the process of making solid free forms. Using the above-mentioned mathematical functions, the implant can be represented as a cellular body, the nodes of which are part of stereographic polygons that repeat the crystal lattices, for example, diamond.

Исследователи из голландских организаций (Faculty of Mechanical, Maritime and Materials Engineering, Delft University of Technology (TU Delft), Department of Orthopedics and Department of Rheumatology, University Medical Center Utrecht, Department of Metallurgy and Materials Engineering, KU Leuven) опубликовали результаты изучения аддитивно изготовленных пористых биоматериалов с открытой пористостью и порами, изготовленными из шести типов ячеек и определили их механические и морфологические свойства [11]. Эти типы ячеек: усеченный куб, усеченный кубооктаэдр, ромбокубооктаэдр и ромбический додекаэдр. Изменение формы элементарной ячейки позволяет регулировать уровень физикомеханических характеристик, в том числе модуля упругости. Таким образом, разработка новых структур пористых имплантатов ведется по пути изменения конфигурации ячеистого строения. Недостатком известных технических решений является создание такой архитектуры ячеек, для которых характерна открытая пористость. Из-за этого упругость имплантата зависит только от упругости системы ячеек и от упругости материала, из которого они изготовлены.Researchers from Dutch organizations (Faculty of Mechanical, Maritime and Materials Engineering, Delft University of Technology (TU Delft), Department of Orthopedics and Department of Rheumatology, University Medical Center Utrecht, Department of Metallurgy and Materials Engineering, KU Leuven) have published the study results additively manufactured porous biomaterials with open porosity and pores made of six types of cells and determined their mechanical and morphological properties [11]. These types of cells are: truncated cube, truncated cuboctahedron, rhombicuboctahedron, and rhombic dodecahedron. Changing the shape of the unit cell allows you to adjust the level of physical and mechanical characteristics, including the modulus of elasticity. Thus, the development of new structures of porous implants is carried out along the way of changing the configuration of the cellular structure. The disadvantage of the known technical solutions is the creation of such an architecture of cells, which are characterized by open porosity. Because of this, the elasticity of the implant depends only on the elasticity of the cell system and on the elasticity of the material from which they are made.

- 1 038111- 1 038111

Г еометрия пор и перемычек между ними подвергалась рационализации, что изложено в публикациях [12-15].The geometry of pores and bridges between them was rationalized, which is described in publications [12-15].

Наиболее близким аналогом к заявляемому объекту является объект, описанный в источнике [16]. Ячеистая структура имплантатов выполнена в виде объемной решетки с расположением узлов на поверхности пространственных фигур, соединенных перемычками. Пространственной фигурой в данном случае является куб, в котором узлы соединены стержнями, а внутри куба конструкционный материал отсутствует. Это позволяет создать материал с малой плотностью и достаточно малым модулем упругости. Набор пространственных фигур выполнен методом электроннолучевого последовательного наплавления, являющегося одним из способов аддитивных технологий.The closest analogue to the claimed object is the object described in the source [16]. The cellular structure of the implants is made in the form of a volumetric lattice with the arrangement of nodes on the surface of the spatial figures, connected by bridges. The spatial figure in this case is a cube, in which the nodes are connected by rods, and there is no structural material inside the cube. This allows you to create a material with a low density and a sufficiently low modulus of elasticity. A set of spatial figures is made by the method of electron beam sequential fusion, which is one of the methods of additive technologies.

Изготовление пространственной фигуры в виде стержневых систем имеет один недостаток, который хорошо известен в строительстве. Грань куба представляет собой квадрат, а квадрат в отличие от треугольника не обладает достаточно высокой жесткостью. Его легко можно превратить под воздействием даже небольшого усилия в ромб. Этого нельзя сделать для фигур типа треугольника или окружности. Поэтому предпочтительным вариантом изготовления несущей конструкции является применение простейших плоских фигур в виде треугольника или окружности. Соответственно, в объёмном отображении в последнем случае это окажется сфера, что и было использовано в предлагаемом объекте. В упомянутом источнике обозначен модуль упругости при плотности около 80% на уровне 5,1 ГПа. При создании имплантатов желательно достижение меньшего модуля упругости, что приближает материал к свойствам костного материала. Поэтому недостатком ближайшего аналога является слишком высокий модуль упругости.The production of a spatial figure in the form of rod systems has one drawback, which is well known in construction. The face of a cube is a square, and a square, unlike a triangle, does not have a sufficiently high rigidity. It can easily be turned into a diamond with even a little effort. This cannot be done for shapes such as a triangle or a circle. Therefore, the preferred option for manufacturing the supporting structure is the use of the simplest plane figures in the form of a triangle or a circle. Accordingly, in the volumetric display in the latter case, it will turn out to be a sphere, which was used in the proposed object. In the mentioned source, the modulus of elasticity at a density of about 80% is indicated at the level of 5.1 GPa. When creating implants, it is desirable to achieve a lower modulus of elasticity, which brings the material closer to the properties of bone material. Therefore, the disadvantage of the closest analogue is the too high modulus of elasticity.

Задачей изобретения является улучшение упругих свойств имплантатов.The objective of the invention is to improve the elastic properties of implants.

Предлагаемая ячеистая структура имплантатов выполнена в виде объемной решетки с расположением узлов на поверхности пространственных фигур, соединенных перемычками. Структура отличается тем, что пространственной фигурой является полый шар, имеющий стенку, ограниченную наружной и внутренней сферическими поверхностями. В первом диаметральном сечении сферы выполнены первое и второе сквозные отверстия, имеющие первую общую ось, в плоскости, ортогональной этой оси, и под углом 45° к первому диаметральному сечению выполнены третье и четвертое сквозные отверстия, имеющие вторую общую ось. В той же плоскости выполнены пятое и шестое отверстия, имеющие третью общую ось, которая ортогональна второй общей оси. При этом отверстия образуют основные сквозные каналы. На поверхности полого шара имеется восемь узлов, расположенных симметрично относительно центра полого шара.The proposed cellular structure of the implants is made in the form of a volumetric lattice with the arrangement of nodes on the surface of the spatial figures, connected by bridges. The structure is characterized in that the spatial figure is a hollow sphere with a wall bounded by the outer and inner spherical surfaces. In the first diametrical section of the sphere, the first and second through holes are made, having a first common axis, in a plane orthogonal to this axis, and at an angle of 45 ° to the first diametrical section, the third and fourth through holes are made having a second common axis. In the same plane, the fifth and sixth holes are made, having a third common axis, which is orthogonal to the second common axis. In this case, the holes form the main through channels. There are eight nodes on the surface of the hollow ball, located symmetrically about the center of the hollow ball.

В узлах выполнены дополнительные ячейки, сообщающиеся между собой дополнительными каналами. Каналы в травматологии служат для прорастания костных тканей и обеспечивают наличие перекрестных путей для проникновения этих тканей.Additional cells are made in the nodes, communicating with each other by additional channels. Channels in traumatology serve for the invasion of bone tissue and provide cross paths for the penetration of these tissues.

В настоящее время металлические имплантаты стараются изготавливать из материалов, биологически совместимых с организмом человека. Поэтому предлагаемая пористая структура для медицинских имплантатов предпочтительно выполнена из титана или титанового сплава.At present, they are trying to make metal implants from materials that are biologically compatible with the human body. Therefore, the proposed porous structure for medical implants is preferably made of titanium or titanium alloy.

На фиг. 1 представлен общий вид предлагаемой ячеистой структуры; на фиг. 2 - устройство ячейки по предлагаемому техническому решению; на фиг. 3 представлено расположение осей каналов; на фиг. 4 изображено пересечение каналов; на фиг. 5 представлена ячеистая структура с расположением основных каналов на просвет; а на фиг. 6 - то же в ортогональном направлении; на фиг. 7 изображено расположение узлов; на фиг. 8 - дополнительных ячеек; на фиг. 9 представлена ячеистая структура с расположением основных и дополнительных каналов на просвет; на фиг. 10 изображена расчетная схема имплантата в виде прямоугольной призмы на основе предлагаемой ячеистой структуры; на фиг. 11 показано увеличенное изображение структуры с распределением эквивалентных напряжений.FIG. 1 shows a general view of the proposed cellular structure; in fig. 2 - cell device according to the proposed technical solution; in fig. 3 shows the location of the axes of the channels; in fig. 4 shows the intersection of the channels; in fig. 5 shows a cellular structure with the location of the main channels in the lumen; and in FIG. 6 - the same in the orthogonal direction; in fig. 7 shows the location of the nodes; in fig. 8 - additional cells; in fig. 9 shows a cellular structure with the location of the main and additional channels in the lumen; in fig. 10 shows a design diagram of an implant in the form of a rectangular prism based on the proposed cellular structure; in fig. 11 shows an enlarged view of the structure with the distribution of equivalent stresses.

Предлагаемая ячеистая структура имплантатов выполнена в виде объемной решетки 1 с расположением узлов на поверхности пространственных фигур и соединенных перемычками (фиг. 1).The proposed cellular structure of the implants is made in the form of a volumetric lattice 1 with the arrangement of nodes on the surface of the spatial figures and connected by bridges (Fig. 1).

Пространственной фигурой является полый шар 2 (фиг. 2), ограниченный наружной 3 и внутренней 4 сферическими поверхностями, в первом диаметральном сечении полого шара выполнены первое 5 и второе 6 сквозные отверстия (фиг. 3), имеющие первую общую ось 7 (фиг. 2 и 3).The spatial figure is a hollow ball 2 (Fig. 2), bounded by the outer 3 and inner 4 spherical surfaces, in the first diametrical section of the hollow ball, the first 5 and second 6 through holes are made (Fig. 3), having the first common axis 7 (Fig. 2 and 3).

В плоскости, ортогональной этой оси, и под углом 45° к первому диаметральному сечению (фиг. 4) выполнены третье 8 и четвертое (не показано) сквозные отверстия, имеющие вторую общую ось 9, в той же плоскости выполнены пятое 10 и шестое (не показано) отверстия, имеющие третью общую ось 11, которая ортогональна второй общей оси 9. Наличие сквозных отверстий и их взаимное расположение позволяет обеспечить соответствующую конфигурацию основных сквозных каналов 12 ячеистой структуры при просмотре их вдоль длины имплантата (фиг. 5), соответственно, видны основные сквозные каналы 13 в ортогональной плоскости (фиг. 6).In a plane orthogonal to this axis, and at an angle of 45 ° to the first diametrical section (Fig. 4), third 8 and fourth (not shown) through holes are made, having a second common axis 9, in the same plane, the fifth 10 and sixth (not shown) holes having a third common axis 11, which is orthogonal to the second common axis 9. The presence of through holes and their mutual arrangement allows you to ensure the appropriate configuration of the main through channels 12 of the cellular structure when viewed along the length of the implant (Fig. 5), respectively, the main through channels 13 in the orthogonal plane (Fig. 6).

Каналы в травматологии служат для прорастания костных тканей и обеспечивают наличие перекрестных путей для проникновения этих тканей.Channels in traumatology serve for the invasion of bone tissue and provide cross paths for the penetration of these tissues.

На поверхности полого шара 2 (фиг. 7) имеется восемь узлов, расположенных симметрично относительно центра полого шара. Шесть из них с позициями 14-19 показаны на рисунке и два узла находятся на заднем плане. Наличие этих узлов обусловлено необходимостью состыковать соседние наружныеOn the surface of the hollow ball 2 (Fig. 7) there are eight nodes located symmetrically relative to the center of the hollow ball. Six of them with positions 14-19 are shown in the figure and two are in the background. The presence of these nodes is due to the need to dock adjacent external

- 2 038111 сферические поверхности полых шаров. Однако наличие массивных узлов утяжеляет конструкцию, повышает ее плотность, что увеличивает также модуль упругости конструкции. Поэтому в узлах выполнены дополнительные ячейки 20-23 (фиг. 8), которые сообщаются между собой дополнительными каналами 24 и 25.- 2 038111 spherical surfaces of hollow balls. However, the presence of massive nodes makes the structure heavier, increases its density, which also increases the modulus of elasticity of the structure. Therefore, in the nodes additional cells 20-23 are made (Fig. 8), which communicate with each other by additional channels 24 and 25.

Расположение ячеек таково, что на просвет видны как основные каналы 12 (фиг. 9), так и дополнительные каналы 26. Это показывает, что имеется прямой путь для прорастания дополнительных костных тканей после имплантации.The location of the cells is such that both the main channels 12 (Fig. 9) and the additional channels 26 are visible in the lumen. This indicates that there is a direct path for the growth of additional bone tissue after implantation.

Для определения модуля упругости была построена 3D модель элементарной ячейки в программном пакете Solid Works. В расчетах использовали титановый сплав Ti-6Al-4V как наиболее часто применяемый сплав для изготовления имплантатов.To determine the elastic modulus, a 3D model of the unit cell was built in the Solid Works software package. The calculations used titanium alloy Ti-6Al-4V as the most commonly used alloy for the manufacture of implants.

Нагружение при сжатии моделировали методом конечных элементов в модуле Mechanical Structure комплекса программ ANSYS. Свойства титанового сплава Ti-6Al-4V заданы константами: плотность 4430 кг/м³; модуль упругости 114 ГПа; коэффициент Пуассона 0,342; предел текучести при растяжении и сжатии 780 МПа; временное сопротивление при растяжении 900 МПа и предел прочности при сжатии 1100 МПа.Compression loading was simulated by the finite element method in the Mechanical Structure module of the ANSYS software package. Properties of titanium alloy Ti-6Al-4V are set by constants: density 4430 kg / m ³ ; modulus of elasticity 114 GPa; Poisson's ratio 0.342; tensile and compressive yield strength 780 MPa; ultimate tensile strength 900 MPa and ultimate compressive strength 1100 MPa.

На фиг. 10 показан имплантат в виде прямоугольной призмы на основе предлагаемой ячеистой структуры. Нагружение структуры осуществляли давлением 10 МПа и рассчитывали вертикальные перемещения, шкала которых представлена на рисунке справа. По известному давлению и перемещениям рассчитывали модуль упругости. Варьируемым параметром выступала исходная относительная плотность, рассчитываемая как отношение плотности ячеистой структуры к плотности материала, из которого она изготовлена. При ρ=0,2, т.е. пористости 80%, получили значение модуля упругости 4,3 ГПа, что ниже, чем в случае ближайшего аналога на 100х(5,1-4,3)/4,3=19%. К настоящему времени известно, что востребованным интервалом модулей упругости в области создания имплантатов является диапазон 4-30 ГПа. Таким образом, полученное значение модуля упругости соответствует требованиям медицинской техники, при этом следует учесть, что трудность составляет получение материалов с достаточно малым модулем упругости при сохранении прочностных свойств.FIG. 10 shows an implant in the form of a rectangular prism based on the proposed cellular structure. The structure was loaded with a pressure of 10 MPa and the vertical displacements were calculated, the scale of which is shown in the figure on the right. The known pressure and displacements were used to calculate the elastic modulus. The variable parameter was the initial relative density, calculated as the ratio of the density of the cellular structure to the density of the material from which it was made. For ρ = 0.2, i.e. porosity 80%, the elastic modulus value was 4.3 GPa, which is lower than in the case of the closest analogue by 100x (5.1-4.3) / 4.3 = 19%. To date, it is known that the demanded range of elastic moduli in the field of creating implants is the range of 4-30 GPa. Thus, the obtained value of the modulus of elasticity meets the requirements of medical technology, and it should be taken into account that it is difficult to obtain materials with a sufficiently low modulus of elasticity while maintaining strength properties.

На фиг. 11 показано увеличенное изображение структуры с распределением эквивалентных напряжений. Из рисунка видно, что несмотря на наличие тонких сечений, максимальные напряжения достигают относительно невысокого уровня 439 МПа, что не превышает предела текучести, равного 780 МПа. Тем самым доказана работоспособность предлагаемой конструкции.FIG. 11 shows an enlarged view of the structure with the distribution of equivalent stresses. It can be seen from the figure that, despite the presence of thin sections, the maximum stresses reach a relatively low level of 439 MPa, which does not exceed the yield point equal to 780 MPa. Thus, the efficiency of the proposed design has been proven.

Предлагаемая ячеистая структура может быть получена следующим образом. Создают компьютерную объемную модель имплантата по рекомендациям, описанным в формуле изобретения. С помощью установки лазерного спекания с использованием технологий 3D печати из металлического порошка, например титанового, изготавливают ячеистую структуру.The proposed cellular structure can be obtained as follows. A computerized volumetric model of the implant is created according to the recommendations described in the claims. Using a laser sintering unit using 3D printing technologies, a cellular structure is made from a metal powder, such as titanium.

Техническим результатом предлагаемой конструкции ячеистой структуры для медицинских имплантатов является улучшение упругих характеристик имплантатов.The technical result of the proposed design of a honeycomb structure for medical implants is to improve the elastic characteristics of implants.

ЛитератураLiterature

1. Патент RU 2397738. Протез сустава из титанового сплава. Заявка: 2007135065/14, 27.02.2006. Опубликовано: 27.08.2010 Бюл. № 24. Автор(ы): БАЛИКТАЙ Севки (DE), КЕЛЛЕР Арнольд (DE). Патентообладатель: ВАЛЬДЕМАР ЛИНК ГМБХ унд КО. КГ (DE). МПК A61F 2/36.1. Patent RU 2397738. Titanium alloy joint prosthesis. Application: 2007135065/14, 27.02.2006. Published: 27.08.2010 Bul. № 24. Author (s): BALIKTAI Sevki (DE), KELLER Arnold (DE). Patentee: WALDEMAR LINK GMBH und CO. KG (DE). IPC A61F 2/36.

2. Патент RU 2383654. Наноструктурный технически чистый титан для биомедицины и способ получения прутка из него. МПК C22F 1/18, В82В 3/00. Заявка: 2008141956/02, 22.10.2008. Опубликовано: 10.03.2010. Бюл. № 7. Валиев Р.3., Семенова И.П., Якушина Е.Б., Салимгареева Г.Х. Патентообладатель: Уфимский государственный авиационный технический университет, ООО НаноМеТ.2. Patent RU 2383654. Nanostructured commercially pure titanium for biomedicine and a method for producing a rod from it. IPC C22F 1/18, В82В 3/00. Application: 2008141956/02, 22.10.2008. Published: 10.03.2010. Bul. No. 7. Valiev R.3., Semenova IP, Yakushina E.B., Salimgareeva G.Kh. Patentee: Ufa State Aviation Technical University, NanoMeT LLC.

3. Тарасов А.Ф., Алтухов А.В., Шейкин С.Е., Байцар В.А. Моделирование процесса штамповки заготовок имплантатов с применением схем интенсивного пластического деформирования. Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. 2015. № 2. С. 139150.3. Tarasov A.F., Altukhov A.V., Sheikin S.E., Baytsar V.A. Simulation of the process of stamping blanks of implants using schemes of severe plastic deformation. Bulletin of the Perm National Research Polytechnic University. Mechanics. 2015. No. 2. S. 139150.

4. Логинов Ю.Н. Развитие методов математического моделирования пластической деформации металлических пористых сред. Научно-технические ведомости СПбПУ. Естественные и инженерные науки. 2005. № 40. С. 64-70.4. Loginov Yu.N. Development of methods for mathematical modeling of plastic deformation of metal porous media. Scientific and technical statements of SPbPU. Natural and engineering sciences. 2005. No. 40. S. 64-70.

5. Патент US2017252165 (А1). Опубл. 2017-09-07. POROUS IMPLANT STRUCTURES. SHARP JEFFREY [US]; JAM SHILESH С [US]; GILMOUR LAURA J [US]; LANDON RYAN L [US]. Заявитель(и): SMITH & NEPHEW INC [US] МПК A61F 2/28; A61F 2/30. Заявка US201715603936, 2017.05.24.5. Patent US2017252165 (A1). Publ. 2017-09-07. POROUS IMPLANT STRUCTURES. SHARP JEFFREY [US]; JAM SHILESH C [US]; GILMOR LAURA J [US]; LANDON RYAN L [US]. Applicant (s): SMITH & NEPHEW INC [US] IPC A61F 2/28; A61F 2/30. Application US201715603936, 2017.05.24.

6. Патент RU2576610. ПОРИСТЫЕ СТРУКТУРЫ ИМПЛАНТАТОВ. МПК A61L 27/56. Авторы ШАРП Джеффри (US), ДЖАНИ Шилеш (US), ГИЛМОР Лора (US), ЛЭНДОН Райан (US). Патентообладатель: СМИТ ЭНД НЕФЬЮ, ИНК. (US) Заявка: 2012109229/15, 19.08.2010. Дата публикации заявки: 27.09.2013. Опубл.: 10.03.2016.6. Patent RU2576610. POROUS STRUCTURE OF IMPLANTS. IPC A61L 27/56. Written by SHARP Jeffrey (US), JANI Shilesh (US), GILMOR Laura (US), LANDON Ryan (US). Patentee: SMITH AND NEFYU, INC. (US) Application: 2012109229/15, 19.08.2010. Application publication date: 27.09.2013. Published: 10.03.2016.

7. Патент US2004243237. Surgical implant. Опубл. 2004-12-02. UNWIN PAUL [GB]; BLUNN GORDON [GB]; JACOBS MICHAEL HERBERT [GB]; ASHWORTH MARK ANDREW [GB]; WU XINHUA [GB]. Заявитель(и): они же и STANMORE IMPLANTS WORLDWIDE LIMITED. МПК: A61F 2/28; A61F7. Patent US2004243237. Surgical implant. Publ. 2004-12-02. UNWIN PAUL [GB]; BLUNN GORDON [GB]; JACOBS MICHAEL HERBERT [GB]; ASHWORTH MARK ANDREW [GB]; WU XINHUA [GB]. Applicant (s): They are also STANMORE IMPLANTS WORLDWIDE LIMITED. IPC: A61F 2/28; A61F

- 3 038111- 3 038111

2/30; A61F 2/44; A61L 27/00; A61L 27/04; A61L 27/06; A61L 27/56; A61F 2/00. Номер заявки:2/30; A61F 2/44; A61L 27/00; A61L 27/04; A61L 27/06; A61L 27/56; A61F 2/00. Application number:

US20040486627, 2004.06.22.US20040486627, 2004.06.22.

8. Патент RU 2305514. Способ изготовления хирургического имплантата (варианты) и хирургический имплантат. Заявка 2004107133/14. МПК: A61F 002/28. Опубликовано: 10.09.2007. Заявитель Стэнмор Имплантс Уорлдвайд ЛТД. Авторы: АНВИН Пол (GB), БЛАНН Гордон (GB), ДЖЕКОБС Майкл Герберт (GB), ЭШВОРТ Марк Эндрю (GB), ВУ Ксинхуа (GB).8. Patent RU 2305514. A method of manufacturing a surgical implant (options) and a surgical implant. Application 2004107133/14. IPC: A61F 002/28. Published: 10.09.2007. Applicant Stanmore Implants Worldwide LTD. Authors: ANWIN Paul (GB), BLUNN Gordon (GB), JACOBS Michael Herbert (GB), ASHWORT Mark Andrew (GB), WU Xinhua (GB).

9. Патент US7674426. Porous metal articles having a predetermined pore character. GROHOWSKI JOSEPH А JR [US] Заявитель: PRAXIS POWDER TECHNOLOGY, INC. МПК: B22F 3/11. Опубл. 2010-0309. Дата приоритета: 2004-07-02.9. Patent US7674426. Porous metal articles having a predetermined pore character. GROHOWSKI JOSEPH A JR [US] Applicant: PRAXIS POWDER TECHNOLOGY, INC. IPC: B22F 3/11. Publ. 2010-0309. Priority date: 2004-07-02.

10. Патент US2011125284 (А1). Опубл. 2011-05-26. Improvements in or Relating to Joints and/or Implants. GABBRIELLI RUGGERO, TURNER IRENE GLADYS, BOWEN CHRISTOPHER RHYS, MAGALINI EMANUELE. Заявитель(и): они же и UNIVERSITY OF BATH, RENISHAW PLC. МПК: A61F 2/02; A61F 2/30; B23P 17/00. Заявка US20080994666, 2008.09.08.10. Patent US2011125284 (A1). Publ. 2011-05-26. Improvements in or Relating to Joints and / or Implants. GABBRIELLI RUGGERO, TURNER IRENE GLADYS, BOWEN CHRISTOPHER RHYS, MAGALINI EMANUELE. Applicant (s): they are UNIVERSITY OF BATH, RENISHAW PLC. IPC: A61F 2/02; A61F 2/30; B23P 17/00. Application US20080994666, 2008.09.08.

11. Seyed Mohammad Ahmadi, Saber Amin Yavari, Ruebn Wauthle, Behdad Pouran, Jan Schrooten, Harrie Weinans, Amir A. Zadpoor. Additively Manufactured Open-Cell Porous Biomaterials Made from Six Different Space-Filling Unit Cells: The Mechanical and Morphological Properties. Materials. 2015, V. 8. P. 18711896.11. Seyed Mohammad Ahmadi, Saber Amin Yavari, Ruebn Wauthle, Behdad Pouran, Jan Schrooten, Harrie Weinans, Amir A. Zadpoor. Additively Manufactured Open-Cell Porous Biomaterials Made from Six Different Space-Filling Unit Cells: The Mechanical and Morphological Properties. Materials. 2015, V. 8.P. 18711896.

12. Loginov Yu.N., Golodnov A.I., Stepanov S.I., Kovalev E.Yu. Determining the Young's modulus of a cellular titanium implant by FEM simulation. AIP Conference Proceedings. 2017. V. 1915. N 030010.12. Loginov Yu.N., Golodnov A.I., Stepanov S.I., Kovalev E.Yu. Determining the Young's modulus of a cellular titanium implant by FEM simulation. AIP Conference Proceedings. 2017. V. 1915. N 030010.

13. Loginov Y., Stepanov S., Khanykova E. Effect of pore architecture of titanium implants on stress-strain state upon compression. Solid State Phenomena. 2017. V. 265 SSP. P. 606-610.13. Loginov Y., Stepanov S., Khanykova E. Effect of pore architecture of titanium implants on stress-strain state upon compression. Solid State Phenomena. 2017. V. 265 SSP. P. 606-610.

14. Loginov Y., Stepanov S., Khanykova C. Inhomogeneity of deformed state during compression testing of titanium implant. MATEC Web of Conferences. 2017. V. 132. N. 03009.14. Loginov Y., Stepanov S., Khanykova C. Inhomogeneity of deformed state during compression testing of titanium implant. MATEC Web of Conferences. 2017. V. 132. N. 03009.

15. Гилев М.В., Волокитина Е.А., Логинов Ю.Н., Голоднов А.И., Степанов С.И., Антониади Ю.В., Измоденова М.Ю., Зверев Ф.Н. Оптимизация аугментации костных дефектов титановыми ячеистыми имплантатами в оперативной травматологии и ортопедии. Вестник Уральской медицинской академической науки. 2017. Т. 14. № 4. С. 435-442.15. Gilev M.V., Volokitina E.A., Loginov Yu.N., Golodnov A.I., Stepanov S.I., Antoniadi Yu.V., Izmodenova M.Yu., Zverev F.N. Optimization of augmentation of bone defects with titanium cellular implants in surgical traumatology and orthopedics. Bulletin of the Ural Medical Academic Science. 2017.Vol. 14.No. 4.P. 435-442.

16. Yong-Keun Ahn, Hyung-Giun Kim, Hyung-Ki Park, Gun-Hee Kim, Kyung-Hwan Jung, Chang-Woo Lee, Won-Yong Kim, Sung-Hwan Lim, Byoung-Soo Lee. Mechanical and microstractural characteristics of commercial purity titanium implants fabricated by electron-beam additive manufacturing. Materials Letters. V. 187(2017). P. 64-67.16. Yong-Keun Ahn, Hyung-Giun Kim, Hyung-Ki Park, Gun-Hee Kim, Kyung-Hwan Jung, Chang-Woo Lee, Won-Yong Kim, Sung-Hwan Lim, Byoung-Soo Lee. Mechanical and microstractural characteristics of commercial purity titanium implants fabricated by electron-beam additive manufacturing. Materials Letters. V. 187 (2017). P. 64-67.

Claims

CLAIM

1. Cellular structure of implants, made in the form of a volumetric lattice (1) with the location of nodes on the surface of spatial figures connected by bridges, characterized in that the spatial figure is a hollow ball (2) having a wall bounded by the outer (3) and inner (4 ) spherical surfaces, the first (5) and second (6) through holes are made in the first diametrical section of the sphere, having the first common axis (7) in a plane orthogonal to this axis, and at an angle of 45 ° to the first diametrical section, the third (8) and fourth through holes having a second common axis (9), the fifth (10) and sixth holes are made in the same plane, having a third common axis (11), which is orthogonal to the second common axis (9), while the holes form the main through channels (12, 13), on the surface of the hollow ball (2) there are eight nodes (14, 15, 16, 17, 18, 19), located symmetrically relative to the center of the hollow ball (2).

2. Cellular structure of implants according to claim 1, characterized in that additional cells (20, 21, 22, 23) are made in the nodes, communicating with each other by additional channels (24, 25).