KR20120081631A - 제어된 무작위 다공성 구조물 및 이의 제작 방법 - Google Patents

Abstract

개선된 무작위화된 다공성 구조물 및 그러한 다공성 구조물을 제조하는 방법이 개시된다. 다공성 구조물의 지지체는 형성된 체적의 복수의 공간 좌표들 사이의 공간을 분할함으로써 형성되고, 복수의 공간 좌표는 미리 결정된 무작위화 한도에 따라 무작위 방향 및 무작위 유한 거리로 이동되었다.

Description

제어된 무작위 다공성 구조물 및 이의 제작 방법 {CONTROLLED RANDOMIZED POROUS STRUCTURES AND METHODS FOR MAKING SAME}

본 출원은 본원에서 전체적으로 참조로 통합된, 2009년 11월 12일자로 출원된 발명의 명칭이 "의료용 임플란트를 위한 다공성 구조물의 제어된 무작위화"인 미국 가특허 출원 제61/260811호에 기초하여 우선권을 주장한다.

본 발명은 대체로 의료용 임플란트에 대해 적합한 다공성 구조물에 관한 것이고, 특히 강도, 다공도 및 연결성의 개선된 조합을 갖는 의료용 임플란트에 대해 적합한 다공성 구조물 및 그러한 개선된 다공성 구조물을 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.

소정의 의료용 임플란트 및 정형외과용 임플란트는 중량 지지 목적의 강도 및 골/조직 내생을 촉진하기 위한 다공성을 요구한다. 예를 들어, 많은 정형외과용 임플란트는 치료 중에 골 내생을 촉진하기 위한 지지체(scaffold) 구조물을 제공하는 다공성 섹션 및 환자 보행을 더 빠르게 하도록 의도된 중량 지지 섹션을 포함한다. 예를 들어, 금속 발포체 구조물이 중량 지지 목적의 적절한 강도 및 적절한 다공도를 갖기 때문에, 의료용 임플란트, 특히 정형외과용 임플란트 내에서 사용되는 다공성 3차원 구조물이다.

금속 발포체 구조물 및 다른 다공성 구조물은 다양한 방법에 의해 제조될 수 있다. 예를 들어, 하나의 그러한 방법은 분말 금속을 기공 형성제(PFA)와 혼합한 다음 혼합물을 원하는 형상으로 프레싱하는 것이다. PFA는 "번아웃" 공정에서 열을 사용하여 제거된다. 잔여 금속 골격은 그 다음 다공성 금속 발포체 구조물을 형성하도록 소결될 수 있다.

다른 유사한 종래의 방법은 폴리우레탄 발포체에 결합제를 도포하고, 결합제에 금속 분말을 도포하고, 폴리우레탄 발포체를 번아웃하고, 금속 분말을 함께 소결하여 "그린" 부품을 형성하는 것을 포함한다. 결합제 및 금속 분말은 그린 부품에 재도포되고, 그린 부품은 그린 부품이 원하는 스트럿 두께 및 다공도를 가질 때까지 재소결된다. 그린 부품은 그 다음 최종 형상으로 기계 가공되어 재소결된다.

그러한 종래의 방법에 의해 형성된 금속 발포체가 양호한 다공도를 제공하지만, 이들은 많은 의료용 임플란트에서 중량 지지 구조물로서 역할하기 위해 원하는 강도를 제공하지 않을 수 있다. 아울러, 금속 발포체를 형성하기 위해 사용되는 공정은 금속과 PFA 사이의 반응에 의해 금속 발포체 내에서의 바람직하지 않은 금속 화합물의 형성으로 이어질 수 있다. 종래의 금속 발포체 제조 공정은 또한 상당량의 에너지를 소비하고, 유독 가스를 생성할 수 있다.

직접 금속 제조(DMF) 및 고체 자유 형태 제조(SFF)와 같은 신속 제조 기술(RMT)이 최근에 의료용 임플란트 또는 의료용 임플란트의 일부 내에서 사용되는 금속 발포체를 제작하기 위해 사용되었다. 대체로, RMT 방법은 구조물이 3D CAD 모델로부터 형성되는 것을 허용한다. 예를 들어, DMF 기술은 레이저 또는 전자 빔과 같은 에너지원으로 분말의 층을 조사함으로써 고화되는 분말로부터 한번에 하나의 층으로 3차원 구조물을 제작한다. 분말은 분말 층의 선택된 부분에 래스터 스캔 방식으로 지향되는 에너지원의 인가에 의해, 융합, 용융 또는 소결된다. 하나의 분말 층 내에 패턴을 융합시킨 후에, 추가의 분말 층이 분배되고, 공정은 원하는 구조물이 완성될 때까지, 층들 사이에서 융합이 발생하면서 반복된다.

그러한 직접 제조 기술에서 사용되는 것으로 보고된 금속 분말의 예는 구리-주석, 구리-경납땜, 및 청동-니켈계의 2상 금속 분말을 포함한다. DMF에 의해 형성되는 금속 구조물은, 예를 들어, 대응하는 성형된 금속 구조물의 70% 내지 80%의 밀도를 가지고 상대적으로 조밀할 수 있거나, 역으로 80% 또는 그 이상에 근접한 다공도로 상대적으로 다공성일 수 있다.

DMF가 의료용 임플란트 내의 중량 지지 구조물로서 역할하기에 충분히 강한 조밀한 구조물을 제공하기 위해 사용될 수 있지만, 보편적으로 사용되는 다공성 구조물은 3차원 다공성 구조물의 스트럿들이 교차하는 취약한 영역을 생성하는 균일하고, 무작위적이지 않고, 규칙적인 특징부를 구비한 배열을 채용한다. 즉, 종래의 구조물 구성은 방향성 강도가 결여되고, 스트럿을 더 두껍게 만듦으로써 약함을 보상하여 다공도를 감소시키고, 역으로 원하는 다공도를 구비한 종래의 구조물은 흔히 더 얇은 스트럿 때문에 원하는 강도가 결여된다. 즉, 원하는 강도는 종래 기술에서는 다공성을 희생하여 달성될 수 있거나, 그 반대가 가능하다. 개선된 강도, 개선된 다공도, 및 개선된 연결성을 모두 제공하는 현재 이용 가능한 방법 및/또는 제품은 없다.

아울러, 소주골(trabecular bone) 구조물은 마이크로 규모 상에서 외관이 불균일하고 무작위적이다. 효과적인 의료용 임플란트는 적절한 강도, 다공도 및 연결성을 제공하는 것에 추가하여 그의 주위와 생리적으로 양립 가능해야 함이 또한 공지되어 있다. 또한, 균일하고, 무작위적이지 않고, 규칙적인 특징부를 구비한 보편적인 다공성 구조물은 소주골 구조와 유사하지 않다. 예를 들어, 미국 특허 출원 공개 제2006/0147332호 및 제2010/0010638호가 위에서 설명된 단점, 예컨대, 스트럿 교차부에서의 취약한 영역, 다공도를 희생한 개선된 강도, 및 소주상 특징부의 없음을 보이는 다공성 구조물을 형성하도록 채용되는 이러한 종래 기술의 구성의 예를 도시한다.

정형외과용 임플란트의 유효성을 향상시키기 위한 한 가지 방법은 임플란트의 다공성 구조를 그가 식립되는 소주상 구조물을 더 잘 시뮬레이팅하도록 무작위화하는 것일 수 있다. 그러므로, 강도, 다공도, 및 연결 특성에 추가하여, 다공성 구조를 구비한 임플란트의 성능은 다공성 구조가 무작위화된 다공성이어서 균일한 개방 셀 구조와 대조적으로 무작위화된 지지체 구조를 제공하면, 개선될 수 있다고 믿어진다. 무작위화된 구조물을 생성하기 위해 본 기술 분야에 공지된 방법은 전형적으로 기존의 균일한 구조물을 무작위화하는 것을 포함한다. 그러나, 이러한 방법은 하나의 유닛의 스트럿, 즉 중실 공간의 수동 조작이 원하는 치수의 지지체를 형성하기 위해 다른 유닛과 정합되는 것을 요구한다. 유닛의 스트럿들이 정합되지 않으면, 구조물의 완결성은 너무 많은 헐거운 스트럿을 가질 때 훼손될 수 있다. 유사하게, 조악하게 배향된 스트럿들을 구비한 무작위화된 구조물은 휘거나 부정확한 부품을 생성하는 제조 방법으로 인해 잔류 응력의 조악한 분포를 가질 수 있다. 따라서, 동일하거나 그렇지 않은 종래 기술의 초기 유닛들의 구조는 보통 적층 또는 형성 공정을 관리 가능하게 유지하는데 있어서 단순하다. 그렇지 않으면, 복잡한 무작위화된 초기 유닛으로부터 지지체를 형성하는 것은 특히 계산 비용에 있어서 너무 많은 시간이 걸이고 비용이 든다. 아울러, 기존의 균일한 구조물을 무작위화하는데 대한 추가의 결점은 무작위화 공정 중의 탄성률 및 방향의 변화로부터 생성되는 구조물의 특성의 예상치 못한 변화로 인해 잠재적으로 구조물을 더 약하게 만드는 것이다. 결과적으로, 본래 무작위화된 구조물이 무작위화된 기존의 구조물과 대조적으로, 개선된 다공도 및 향상된 복잡성 - 예컨대, 소주상 특징 - 과 함께 개선된 강도를 제공한다. 위에서 언급된 바와 같이, 종래 기술에서, 소프트웨어 애플리케이션이 전형적으로 대부분 균일하고 규칙적인 다공성 구조물을 제작한다. 효율을 위해, 이는 좌표 방향으로 작은 단위 타일을 반복하여, 타일들 사이에 갭이 없이 체적을 충전한다. 그러나, 상대적으로 적고 단순한 형상이 이러한 타일들을 함께 정합시키는 복잡성으로 인해 단위 타일 내에서 채용된다.

아울러, 금속 발포체 임플란트 및 종래의 DMF 방법을 사용하여 제조되는 임플란트의 결함의 결과로서, 몇몇 의료용 임플란트는 하나 이상의 상이한 목적으로 각각 설계된 복수의 구조물을 요구한다. 예를 들어, 몇몇 의료용 임플란트가 골 및 조직 내생을 증진시키기 위한 다공성 구조 및 중량 지지 구조를 요구하기 때문에, 다공성 플러그가 중실 구조물의 리세스 내에 위치될 수 있고, 2개의 구조물들은 그 다음 소결에 의해 접합될 수 있다. 명백하게, 단일 구조물을 사용하는 것이 2개의 구분된 구조물을 사용하여 이들을 함께 소결시키는 것보다 바람직하다.

상기에 비추어, 강도의 희생이 없는 개선된 다공도, 유닛들 사이의 이음매 없는 연접부를 포함하는 개선된 강도, 및 개선된 연결성을 제공하며, 소주상 특징을 갖는 무작위화된 지지체 구조를 구비한 3차원 다공성 구조물을 제조하기 위한 효율적인 방법 및 구조물 자체에 대한 필요가 여전히 있다.

본 발명의 하나의 목적은 중량 지지 목적의 개선된 강도 및 조직 내생 구조물을 위한 다공도를 갖는 의료용 임플란트로서 사용하기에 적합한 다공성 생체 친화성 구조물을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 소주골 특징과 유사한 개선된 연결성을 갖는 의료용 임플란트로서 사용하기에 적합한 다공성 생체 친화성 구조물을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 골조직 및 연조직 내생을 증진시키는 다공성 생체 친화성 구조물을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 개선된 성능 특징을 위한 스트럿 및 노드의 제어되지만 무작위적인 배열을 갖는 의료용 임플란트로서 사용하기에 적합한 다공성 생체 친화성 구조물을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 그러한 개선된 다공성 생체 친화성 구조물을 제조하기 위한 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 스트럿들 사이의 공간을 조작함으로써 무작위화된 다공성 구조물을 제조하기 위한 효율적인 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 구조물들이 동일한지의 여부에 관계없이, 함께 접합되는 구조물들 사이에 이음매 없는 맞춤을 제공하기 위한 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 적절한 분포, 기공 크기, 다공도, 및 강도를 갖는, 특정 요구, 예컨대 특정 환자 또는 용도에 대해 커스터마이징될 수 있는 무작위화된 다공성 구조물을 제조하기 위한 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 구조물을 위한 지지체의 무작위화를 제어하기 위한 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 만족시키기 위해, 본 발명의 일 태양에 따르면, 다공성 구조물을 제조하기 위한 방법이며, 다공성 구조물의 모델을 생성하는 단계를 포함하고, 생성 단계는 외측 경계 및 내측 체적을 갖는 3차원 공간을 형성하는 단계, 경계를 따라 복수의 외측 공간 좌표를 위치시키는 단계, 내측 체적 내에 복수의 내측 공간 좌표를 위치시키는 단계, 하나 이상의 내측 공간 좌표를 무작위 방향으로 유한 거리로 이동시키는 단계, 하나 이상의 외측 공간 좌표를 무작위 방향으로 유한 거리로 이동시키는 단계를 포함하는, 방법이 제공된다. 다공성 구조물의 모델을 생성하는 단계는 3차원 공간의 체적을 무작위화된 외측 및 내측 좌표들 사이에서 균등하게 분할하는 단계, 하나 이상의 스트럿 및 하나 이상의 노드에 의해 하나의 이상의 분할된 체적의 경계를 형성하는 단계 - 각각의 스트럿은 제1 단부, 제2 단부, 및 각각의 스트럿에 대한 제1 및 제2 단부들 사이의 연속적인 신장된 본체를 갖고, 각각의 노드는 적어도 2개의 스트럿의 교차부임 -, 및 하나 이상의 스트럿에 대한 두께 및 형상을 선택하는 단계를 추가로 포함한다. 방법은 에너지원에 융합 가능한 재료를 노출시킴으로써 모델에 따라 다공성 구조물을 제조하는 단계를 추가로 포함한다.

본 발명의 다른 태양에 따르면, 방법은 또한 내측 및 외측 좌표가 이미 무작위화되어 있는 제1 3차원 공간의 복제물인 제2 3차원 공간을 제공하는 단계를 포함한다.

일 실시예에서, 내측 공간 좌표의 무작위 방향으로의 유한 거리로의 이동은 내측 공간 좌표들의 임의의 중첩을 회피하는 미리 선택되거나 미리 결정된 무작위화 한도 내에서 수행된다. 다른 실시예에서, 외측 공간 좌표의 무작위 방향으로의 유한 거리로의 이동은 하나의 3차원 공간의 무작위화된 외측 공간 좌표가 제2의 실질적으로 동일한 3차원 공간 상의 그들 각각의 외측 공간 좌표와 정합하거나 대응하도록, 미리 결정된 무작위화 한도 내에서 수행된다. 대안적으로, 제2 3차원 공간은 제1 3차원 공간과 실질적으로 동일하지 않다.

일 실시예에서, 보로노이(Voronoi) 테슬레이션이 과잉 스트럿을 제거하기 위해 무작위화된 공간 좌표 및 스트럿에 적용된다. 다른 실시예에서, 방법은 무작위화된 공간 좌표 및 대응 스트럿을 갖는 2개 이상의 실질적으로 동일한 3차원 공간을 포함하는 다공성 구조물을 제조하는 단계를 포함한다. 무작위화 또는 섭동 후의 내측 및 외측 공간 좌표의 중첩이 문제가 되지 않는 몇몇 실시예에서, 무작위화 한도는 모두 회피되거나 드물게 사용될 수 있다.

몇몇 실시예에서, 선택된 내측 및/또는 외측 공간 좌표만이 섭동되거나 무작위화된다. 다른 실시예에서, 모든 또는 실질적으로 모든 내측 및/또는 외측 공간 좌표가 무작위화되거나 섭동된다.

섭동 또는 무작위화는 각각의 내측 및 각각의 외측 공간 좌표에 대해 수행되거나, 외측 공간 좌표들 중 일부 및 내측 공간 좌표들 중 일부에 대해 수행되거나, 외측 공간 좌표들 중 일부에 대해 수행되고 내측 공간 좌표에 대해 수행되지 않거나, 외측 공간 좌표의 하나의 영역에만 수행될 수 있다. 모든 공간 좌표의 완전한 무작위화가 요구되지는 않는다.

몇몇 실시예에서, 미리 결정된 무작위화는 적어도 하나의 내측 공간 좌표가 적어도 하나의 다른 내측 공간 좌표와 중첩하는 것을 회피하도록 구성된다. 다른 실시예에서, 방법은 적어도 하나의 내측 공간 좌표에 대한 미리 결정된 무작위화 한도를 선택하는 단계를 추가로 포함하고, 선택 단계는 적어도 하나의 내측 공간 좌표 둘레의 체적을 형성하는 단계 - 체적은 하나의 다른 주위 내측 공간 좌표의 근접성에 적어도 기초함 -, 및 적어도 하나의 내측 공간 좌표의 무작위화된 이동을 형성된 체적 내로 제한하는 단계를 포함한다.

또 다른 실시예에서, 형성된 체적은 구, 아르키메데스 형상, 플라톤 형상, 다면체, 각기둥, 엇각기둥 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 기하학적 형상을 포함한다. 몇몇 실시예에서, 상기 형성된 체적의 적어도 하나의 치수는 상기 적어도 하나의 내측 공간 좌표와 다른 주위의 내측 공간 좌표 사이의 거리의 50% 미만의 반경을 갖는다.

다른 실시예에서, 정합은 적어도 2개의 대응하는 외측 공간 좌표를 동일한 유한 거리 및 동일한 방향으로 이동시킴으로써 달성된다. 몇몇 실시예에서, 3차원 공간은 공간 충전 다면체, 규칙 면을 구비한 공간 충전 볼록 다면체, 및 불규칙 면을 구비한 공간 충전 볼록 다면체로 구성된 그룹으로부터 선택된 기하학적 형상을 포함한다.

또 다른 실시예에서, 스트럿에 대해 선택된 형상은 다각형을 포함한다. 몇몇 개선예에서, 하나의 스트럿에 대해 선택된 형상은 다른 스트럿의 형상과 상이하고, 선택된 형상은 조직 내생을 증진시키도록 구성된다.

몇몇 실시예에서, 제조 단계는 금속, 세라믹, 금속-세라믹(서멧), 유리, 유리-세라믹, 중합체, 복합재 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 하나 이상의 스트럿을 제조하기 위한 재료를 선택하는 단계를 추가로 포함한다. 다른 실시예에서, 방법은 티타늄, 티타늄 합금, 지르코늄, 지르코늄 합금, 니오븀, 니오븀 합금, 탄탈럼, 탄탈럼 합금, 니켈-크롬(예컨대, 스테인리스강), 코발트-크롬 합금 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 금속 재료를 선택하는 단계를 추가로 포함한다.

본 발명의 다른 태양에 따르면, 복수의 스트럿 - 각각의 스트럿은 제1 단부; 제2 단부; 및 상기 제1 및 제2 단부들 사이의 두께 및 길이를 갖는 연속적인 신장된 본체를 포함함 -; 및 적어도 2개의 스트럿의 교차부를 각각 포함하는 복수의 노드를 포함하는 다공성 구조물이 제공되고, 복수의 스트럿 및 노드는 형성된 체적의 복수의 공간 좌표들 사이의 공간을 분할함으로써 생성된 모델로부터 형성되고, 상기 복수의 공간 좌표는 미리 결정된 무작위화 한도에 따라 무작위 방향 및 무작위 유한 거리로 이동되었다.

몇몇 실시예에서, 미리 결정된 무작위화는 적어도 하나의 내측 공간 좌표가 적어도 하나의 다른 내측 공간 좌표와 중첩하는 것을 회피하도록 구성된다. 다른 실시예에서, 상기 하나 이상의 공간 좌표 주위의 상기 형성된 공간의 치수는 하나의 다른 주위 공간 좌표의 근접성에 적어도 기초한다. 몇몇 개선예에서, 다른 공간 좌표는 하나 이상의 공간 좌표에 대한 가장 근접한 이웃이다.

또 다른 실시예에서, 형성된 공간은 구, 아르키메데스 형상, 플라톤 형상, 다면체, 각기둥, 엇각기둥, 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 기하학적 형상을 포함한다. 다른 개선예에서, 상기 형성된 체적의 적어도 하나의 치수는 상기 하나 이상의 공간 좌표와 상기 하나의 다른 주위 공간 좌표 사이의 거리의 50% 미만인 반경을 갖는다. 몇몇 개선예에서, 3차원 공간은 공간 충전 다면체, 규칙 면을 구비한 공간 충전 볼록 다면체, 및 불규칙 면을 구비한 공간 충전 볼록 다면체로 구성된 그룹으로부터 선택된 기하학적 형상을 포함한다.

다른 실시예에서, 보로노이 테슬레이션이 모든 공간 좌표들 사이의 공간을 분할하기 위해 무작위화된 복수의 공간 좌표에 적용된다. 몇몇 개선예에서, 상기 스트럿의 단면에 대한 형상은 다각형을 포함한다. 몇몇 개선예에서, 하나의 스트럿에 대해 선택된 형상은 다른 스트럿의 형상과 상이하고, 선택된 형상은 조직 내생을 증진시키도록 구성된다.

몇몇 실시예에서, 다공성 구조물은 금속, 세라믹, 금속-세라믹(서멧), 유리, 유리-세라믹, 중합체, 복합재 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 재료를 추가로 포함한다. 다른 개선예에서, 금속 재료는 티타늄, 티타늄 합금, 지르코늄, 지르코늄 합금, 니오븀, 니오븀 합금, 탄탈럼, 탄탈럼 합금, 니켈-크롬(예컨대, 스테인리스강), 코발트-크롬 합금, 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된다.

본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 적어도 2개의 지지체들 사이의 이음매 없는 통합을 제공하기 위한 방법이 제공되고, 방법은 외측 경계 및 내측 체적을 각각 갖는 적어도 2개의 3차원 공간을 제공하는 단계, 상기 적어도 2개의 공간을 갖는 전체 체적을 제공하는 단계, 각각의 상기 3차원 공간의 외측 경계를 따라 복수의 공간 좌표를 위치시키는 단계, 각각의 상기 3차원 공간의 내측 체적 내에 복수의 내측 공간 좌표를 위치시키는 단계, 외측 및 내측 공간 좌표들 사이에서 3차원 공간의 체적을 분할함으로써 상기 지지체를 형성하고 하나 이상의 스트럿에 의해 상기 분할된 체적의 일 부분의 경계를 형성하는 단계 - 각각의 스트럿은 제1 단부, 제2 단부, 및 각각의 스트럿에 대한 제1 및 제2 단부들 사이의 연속적인 신장된 본체를 가짐 -, 하나 이상의 스트럿에 대한 적어도 하나의 두께 및 적어도 하나의 형상을 선택하는 단계, 및 에너지원에 융합 가능한 재료를 노출시킴으로써 적어도 하나의 두께 및 적어도 하나의 형상을 갖는 상기 하나 이상의 스트럿을 구비한 지지체에 따라 다공성 구조물을 제조하는 단계를 포함한다. 몇몇 실시예에서, 방법은 상기 복수의 외측 공간 좌표 및 상기 복수의 내측 공간 좌표 중 하나로부터의 적어도 하나의 공간 좌표를 이동시키는 단계를 추가로 포함하고, 상기 이동은 상기 적어도 2개의 공간들 사이의 이음매 없는 통합을 갖는 지지체를 제공하도록 구성된다.

본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 복수의 스트럿 - 각각의 스트럿은 제1 단부, 제2 단부, 및 상기 제1 및 제2 단부들 사이의 두께 및 길이를 갖는 연속적인 신장된 본체를 가짐 -, 및 적어도 2개의 스트럿의 교차부를 각각 포함하는 복수의 노드를 갖는 다공성 구조물이 제공되고, 복수의 스트럿 및 노드는 2개 이상의 형성된 체적의 복수의 공간 좌표들 사이의 공간을 분할함으로써 생성된 모델로부터 형성된다. 몇몇 실시예에서, 보로노이 테슬레이션이 공간을 분할하기 위해 공간 좌표에 적용된다.

다른 장점 및 특징이 첨부된 도면과 관련하여 읽힐 때 다음의 상세한 설명으로부터 명백할 것이다. 상기 내용은 이어지는 본 발명의 상세한 설명이 더 잘 이해될 수 있도록 본 발명의 특징 및 기술적 장점을 광범위하게 개설하였다. 본 발명의 특허청구범위의 보호 대상을 형성하는 본 발명의 추가의 특징 및 장점이 이하에서 설명될 것이다. 개시되는 개념 및 구체적인 실시예는 본 발명의 동일한 목적을 수행하기 위한 다른 구조물을 변형하거나 설계하기 위한 기반으로서 쉽게 이용될 수 있음을 본 기술 분야의 당업자는 이해하여야 한다. 그러한 등가의 구성은 첨부된 특허청구범위 내에서 설명되는 바와 같은 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어나지 않음을 본 기술 분야의 당업자는 또한 이해하여야 한다. 조직 및 작동 방법에 관하여 본 발명의 특징으로 믿어지는 신규한 특징은 추가의 목적 및 장점과 함께, 첨부된 도면과 관련하여 고려될 때 다음의 설명으로부터 더 잘 이해될 것이다. 그러나, 각각의 도면은 예시 및 설명의 목적으로만 제공되고, 본 발명의 한도의 한정으로서 의도되지 않음이 명백히 이해되어야 한다.

개시된 방법 및 장치의 더 완전한 이해를 위해, 첨부된 도면에 더 상세하게 도시되어 있는 실시예가 참조되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 태양에 따른 외측 시드 포인트 또는 외측 공간 좌표의 일 부분을 도시하는 초기 큐브 체적의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 태양에 따른 내측 시드 포인트를 구비한 도 1의 초기 큐브 체적의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 태양에 따른 내측 시드 포인트 또는 공간 좌표의 무작위화를 도시하는 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 태양에 따른 내측 시드 포인트들의 양립성을 확인하기 위한 일 실시예를 도시하는 사시도이다.
도 5a-5b는 본 발명의 일 태양에 따른 소정의 외측 시드 포인트를 무작위화하기 위한 일 실시예를 도시하는 사시도이다.
도 6a-6b는 본 발명의 일 태양에 따른 다른 외측 시드 포인트를 무작위화하기 위한 일 실시예를 도시하는 사시도이다.
도 7a-7b는 본 발명의 일 태양에 따른 또 다른 외측 시드 포인트를 무작위화하기 위한 일 실시예를 도시하는 사시도이다.
도 8은 본 발명의 일 태양에 따른 무작위화된 내측 시드 포인트 및 무작위화된 외측 시드 포인트에 의해 형성된 시드 포인트 클라우드 체적의 일 실시예를 도시한다.
도 9는 본 발명의 일 태양에 따른 도 8에 도시된 7개의 시드 포인트 클라우드 타일의 어레이의 일 실시예를 도시한다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 무작위화된 스트럿들의 웨브 또는 지지체의 일 실시예를 도시한다.
도 11은 본 발명의 일 태양에 따른 어레이 내의 중심 타일로서 위치된 도 10의 무작위화된 스트럿들의 웨브 또는 지지체를 도시한다.
도 12는 본 발명의 일 태양에 따른 볼록한 선체의 다양한 라인을 도시한다.
도 13은 본 발명의 일 태양에 따른 도 12의 볼록한 선체로부터 소정의 과잉 라인을 제거하기 위한 일 실시예를 도시한다.
도 14-15는 본 발명의 일 태양에 따른 나란히 배치된 무작위화된 스트럿들의 2개의 동일한 체적의 이음매 없는 접합을 도시한다.
도 16은 도 11의 무작위화된 스트럿들의 체적의 스트럿에 소정의 형상 및 두께를 적용하기 위한 하나의 개선예를 도시한다.
도 17은 본 발명의 일 태양에 따른 10% 무작위화 한도를 갖는 무작위화된 스트럿들의 4개의 체적을 구비한 다공성 구조물의 일 실시예를 도시한다.
도 18은 본 발명의 일 태양에 따른 20% 무작위화 한도를 갖는 무작위화된 스트럿들의 4개의 체적을 구비한 다공성 구조물의 일 실시예를 도시한다.
도 19는 본 발명의 일 태양에 따른 30% 무작위화 한도를 갖는 무작위화된 스트럿들의 4개의 체적을 구비한 다공성 구조물의 일 실시예를 도시한다.
도 20은 본 발명의 일 태양에 따른 무작위화된 스트럿들의 2개 이상의 체적들 사이의 이음매 없는 계면을 갖는 다공성 구조물의 일 실시예를 도시하는 도 19의 다공성 구조물의 부분도이다.
도 21은 본 발명의 일 태양에 따라 만들어진 스테인리스강 무작위 다공성 구조물의 주사 전자 현미경(SEM) 이미지(이미지는 50x로 촬영됨)이다.
도 22는 본 발명의 일 태양에 따라 만들어진 스테인리스강 무작위 다공성 구조물의 다른 SEM 이미지(이미지는 50x로 촬영됨)이다.
도 23-25는 본 발명의 일 태양에 따른 30% 무작위화 한도를 채용한, EOS™ 금속 레이저 소결 기계 상에서 제조된 구조물의 사진이다.
도 26a-26c는 본 발명의 일 태양에 따른 무작위화된 스트럿들의 체적으로부터 형성되는 다공성 코팅의 일 실시예를 도시한다.
도 27은 본 발명의 일 태양에 따른 불리언(Boolean) 교차 체적의 일 실시예를 도시한다.
도 28a-28b는 이음매 없이 함께 접합된 2개의 상이한 무작위화된 타일을 구비한 본 발명의 일 태양에 따른 다공성 구조물을 도시한다.

도면은 반드시 축척에 맞는 것은 아니고, 개시되는 실시예는 때때로 도식적으로 그리고 부분도로 도시되어 있음을 이해하여야 한다. 소정의 경우에, 개시되는 방법 및 장치의 이해를 위해 필수적이지 않거나 다른 세부 사항을 인지하기 어렵게 만드는 세부 사항은 생략되었다. 당연히, 본 발명은 본원에서 예시되는 특정 실시예로 제한되지 않음을 이해하여야 한다.

본 발명은 개선된 강도, 다공도, 및 연결성을 구비한 다공성 구조물을 제조하기 위한 방법을 제공한다. 바람직하게는, 본 발명의 개선된 다공성 구조물은 직접 금속 제조(DMF)와 같은 신속 제조 기술(RMT)을 포함한, 자유-형태 제조 방법을 사용함으로써 형성된다. 전형적으로, RMT 또는 자유-형태 제조에서, 원하는 구조물 또는 원하는 구조물의 컴퓨터 판독 가능 파일을 형성하는 모델 또는 계산이 제공되는 모델에 따라 한번에 하나의 층으로 구조물을 형성하도록 분말을 용융 또는 소결시키기 위해 레이저 빔과 같은 에너지원을 갖는 컴퓨터 지원 기계 또는 장치에 제공된다.

예를 들어, RMT는 그러한 부품을 제작하기 위해 공간 내의 규정된 지점으로 에너지 및/또는 재료를 순차적으로 전달함으로써 대상물을 제조하기 위한 첨가식 제조 기술이다. 특히, 대상물은 한번에 하나의 층으로 분배되는 레이저-융합 가능한 분말로부터 층상형으로 제작될 수 있다. 분말은 대상물의 단면에 대응하는 분말 층의 부분에 래스터-스캔 방식으로 유도되는 레이저 에너지의 인가에 의해, 융합, 용융, 재용융, 또는 소결된다. 하나의 특정 층 상에 분말을 융합시킨 후에, 분말의 추가의 층이 분배되고, 대상물이 완성될 때까지 공정은 반복된다.

선택적 레이저 소결 기술의 상세한 설명은 본원에서 전체적으로 참조로 통합된, 미국 특허 제4,863,538호; 제5,017,753호; 제5,076,869호; 및 제4,944,817호에서 찾을 수 있다. 현재의 관례는 컴퓨터의 지원으로 생성된 수학적 모델을 사용하여 컴퓨터에 의해 제조 공정을 제어하는 것이다. 결과적으로, 선택적 레이저 재용융 및 소결 기술과 같은 RMT는 다양한 재료로부터의 높은 해상도 및 치수 정확도의 고체 또는 3차원 구조물의 직접 제조를 가능케 하였다.

본 발명의 일 실시예에서, 다공성 구조물은 금속, 세라믹, 금속-세라믹(서멧), 유리, 유리-세라믹, 중합체, 복합재 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 분말로부터 형성된다. 다른 실시예에서, 금속 분말이 사용되고, 티타늄, 티타늄 합금, 지르코늄, 지르코늄 합금, 니오븀, 니오븀 합금, 탄탈럼, 탄탈럼 합금, 니켈-크롬(예컨대, 스테인리스강), 코발트-크롬 합금 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된다.

다른 실시예에서, 개시되는 제조 방법은 완전한 정형외과용 임플란트 구조물을 형성할 수 있거나, 개시되는 기술은 임플란트의 일부를 형성하는 기판 또는 작업편에 적용될 수 있다. 본원에서 개시되는 제조 방법은 다공성 구조물의 지지체의 무작위화를 제어함으로써 원하는 다공도, 기공 크기, 및 연결성을 갖는 다공성 구조물을 제작한다. 세포 부착, 골 내생, 및 초기 정착이 개시되는 방법에 의해 제작된 무작위화된 지지체 구조물에 의해 개선될 수 있고, 이는 지지체 구조물이 천연 소주상 구조물을 더 잘 모의하기 때문이다. 추가의 이점으로서, 임플란트는 천연 소주상 구조물과 더 유사하므로, 의사 및 환자에게 미적으로 더 즐거움을 준다.

바람직하게는, 무작위화된 지지체는 경계에서 그리고 체적 내에서 무작위화된 일련의 시드 포인트들 사이에서 균등하게, 형성된 체적을 분할함으로써 생성될 수 있다. 시드 포인트는 체적 내에서의 시드 포인트들의 임의의 중첩을 회피하도록 바람직하게 설계된 미리 결정된 무작위화 한도에 따라 무작위화되었다. 하나 초과의 동일 체적이 무작위화된 지지체를 생성하도록 사용되면, 미리 결정된 무작위화 한도는 체적의 경계에서의 시드 포인트("외측 시드 포인트")가 다른 동일한 체적의 외측 시드 포인트와 정합하도록 보장하기 위해 사용될 수 있다. 설명된 바와 같이, 체적은 시드 포인트들이 무작위로 위치되었기 때문에 무작위 부분들로 분할되었지만, 무작위 분할은 시드 포인트의 무작위 배치에 대한 제한이 있었기 때문에 제어된다. 분할된 부분들의 경계는 무작위화된 지지체의 스트럿으로서 역할하고, 무작위화된 지지체는 스트럿 두께 및 형상이 선택되면 다공성 구조물로 형성될 수 있다.

다음의 문단은 본 발명의 더 상세한 설명과 다양한 실시예 및 개선예를 제공한다. 도 1 및 2를 참조하면, 체적을 형성하는 큐브(100) 형태의 초기 기하학적 형상이 선택될 수 있다. 큐브(100)는 외측 경계(102) 및 내측 또는 내부 체적(104)을 갖는다. 예시의 목적으로, 도 2는 큐브(100) 내의 큐브로서의 내측 체적(104)을 나타낸다. 이는 내측 체적(104)이 외측 경계(102) 내의 임의의 공간일 수 있는 본 발명의 범주를 제한하려는 의도는 아니다. 다른 실시예에서, 다른 공간 충전 다면체가 개시된 체적을 형성하기 위해 사용될 수 있음이 고려된다. 도시된 바와 같이, 복수의 외측 시드 포인트(106, 108, 110)가 큐브(100)의 외측 경계(102)에 위치된다. 도 1이 이러한 외측 시드 포인트를 포함하는 큐브(100)의 상부면만을 도시하지만, 다른 실시예에서, 큐브 또는 다른 공간 충전 다면체의 면들 중 전부 또는 대부분이 이러한 외측 시드 포인트를 포함할 수 있음이 고려된다. 도 1에서, 3가지 유형의 외측 시드 포인트가 있다. 제1 유형은 코너 외측 시드 포인트(106)이고, 제2 유형은 모서리 외측 시드 포인트(108)이고, 제3 유형은 면내 외측 시드 포인트(110)이다. 도 1에서, 이러한 외측 시드 포인트들은 큐브(100)의 경계에서 균등하게 분포된다. 도 2를 참조하면, 이러한 외측 시드 포인트에 추가하여, 복수의 내측 시드 포인트(112)가 내측 체적(104) 내에 위치된다. 도면에 도시된 시드 포인트의 개수 및 그의 초기 위치는 단지 예시의 목적으로 의도되고, 내측 및 외측 시드 포인트의 실제 개수는 초기 공간 기하학적 형상 및 원하는 무작위도에 의존한다. 또한, 바람직한 실시예에서, 내측 시드 포인트는 "외측" 시드 포인트의 인덱싱 및 무작위화와 독립적으로 인덱싱되고 무작위화된다. 다른 개선예에서, 내측 및 외측 시드 포인트의 무작위화는 독립적이지 않다. 더 복잡한 내측 시드 포인트 타일 또는 체적에 대해, 도 4에 도시된 복사 또는 어레이화 공정이 도 4에 도시된 7-타일 어레이를 넘어 확장될 필요가 있을 수 있다. 또한, 몇몇 실시예에서, 내측 및 외측 시드 포인트는 체적들 사이의 경계에 대한 특정 시드 포인트의 영향 수준에 적어도 기초하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 체적들 사이의 경계에 대한 영향을 전혀 갖지 않거나 최소로 갖는 시드 포인트가 내측 시드 포인트로서 정의된다. 다른 한편으로, 경계에 대해 실질적인 영향을 갖는 시드 포인트가 외측 시드 포인트로서 정의된다. 아울러, 이러한 실시예에서, 내측 시드 포인트가 정의된 바와 같이, 경계에 대해 영향을 전혀 갖지 않거나 최소로 가지므로, 내측 시드 포인트 타일 또는 체적을 어레이화하는 것은 필요치 않을 수 있다.

내측 시드 포인트(112)가 위치되거나 생성된 후에, 이러한 위치들은 도 3에 도시된 바와 같이 3차원 공간 내에서 무작위화된다. 각각의 시드 포인트 또는 공간 좌표(112)가 난수 생성기 알고리즘을 사용하여 무작위 크기만큼 무작위 방향으로 이동되거나 "섭동"된다. 즉, 각각의 시드 포인트 또는 공간 좌표(112)가 큐브(100) 내에서 무작위 방향으로 유한 거리로 이동되고, 각각의 시드 포인트가 이동된 유한 거리 또한 무작위적이다. 그러나, 시드 포인트(112)의 섭동 또는 이동은 미리 선택되거나 미리 결정된 무작위화 한도가 각각의 시드 포인트(112)의 무작위 이동에 부여되기 때문에, 완전히 무작위적 이지는 않다.

일 실시예에서, 미리 결정된 무작위화 한도는, 예를 들어, 최근접 이웃 알고리즘 또는 다른 유사한 알고리즘에 의해 결정될 수 있는 가장 가까이 이웃하는 시드 포인트(112)의 위치에 기초한다. 한도는 내측 시도 포인트(112)의 무작위 이동이 하나의 내측 시드 포인트가 다른 내측 시드 포인트(112)와 중첩하게 하지 않도록 보장한다. 하나의 시드 포인트는 다른 시드 포인트의 상부 상에 부분적으로 또는 전체로 놓임으로써 다른 시드 포인트와 중첩할 수 있거나, 하나의 시드 포인트가 다른 시드 포인트 주위의 형성된 체적으로 진입할 때 또한 중첩이 있을 수 있다. 전형적으로, 중첩은 2개의 상이한 타일들이 함께 접합될 때 더 빈번하게 또는 가장 빈번하게 발생하고, 이는 타일이 상이할수록, 내측 및 외측 시드 포인트들을 구분하는 것이 더 어렵다. 결과적으로, 중첩은 실질적으로 유사한 타일들이 조합될 때 덜 빈번하게 발생한다. 중첩이 없음을 보장하는 한 가지 방법은 임의의 내측 시드 포인트(112)의 이동을 주변 내측 시드 포인트(112)의 근접성에 의해 결정되는 체적 내에 있도록 제한하는 것이다. 일 실시예에서, 그러한 체적은 치수들 중 적어도 하나가 가장 가까이 이웃하는 시드 포인트까지의 거리의 50% 미만 또는 절반의 반경을 갖는 육면체 또는 구로서 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 2를 참조하면, 일례로서 내측 체적(104)의 하부 좌측 코너에 위치된 내측 시드 포인트(112a)를 사용하면, 내측 시드 포인트(112a)에 대한 가장 가까이 이웃하는 시드 포인트는 내측 시드 포인트(112b, 112c)이다. 내측 시드 포인트(112a)의 무작위화가 포인트(112a) 주위의 구(114)의 체적 내로의 크기 또는 거리에 있어서 제한되면, 내측 시드 포인트(112a)의 무작위 배치는 체적(114) 내에서만 발생할 수 있고, 포인트(112a)의 임의의 무작위 이동은 포인트(112a)와 다른 2개의 시드 포인트(112b, 112c)와의 중첩을 일으키지 않을 수 있다.

다른 실시예에서, 더 추상적이고 복잡한 체적이 주어진 시드 포인트에 대한 섭동의 경계를 한정하도록 형성될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 상이한 체적 크기가 무작위화를 제한하도록 사용될 수 있다. 예를 들어, 내측 시드 포인트(112)의 이동에 부여되는 10% 무작위화 한도는 각각의 시드 포인트(112)가 섭동 이전에 특정 시드 포인트와 그의 가장 가까이 이웃하는 시드 포인트 사이의 거리의 10%인 반경을 갖는 구 (또는 다른 형상) 내에서 무작위로 이동될 수 있음을 의미한다. 30% 무작위화 한도는 각각의 시드 포인트가 섭동 이전에 시드 포인트와 그의 가장 가까운 이웃 사이의 거리의 30%인 반경을 갖는 구 내에서 무작위로 이동될 수 있음을 의미한다. 따라서, 각각의 내측 시드 포인트(112)의 섭동의 무작위적인 크기 및 방향을 이웃하는 시드 포인트까지의 거리의 절반 미만인 반경을 구비한 구 또는 다른 형성된 3차원 공간(114) 내로 제한함으로써, 2개의 시드 포인트(112a, 112c)는 무작위화가 이러한 시드 포인트가 서로를 향해 직접 이동하게 하더라도, 서로 중첩하거나 맞물리지 않을 수 있다. 몇몇 실시예에서, 더 큰 무작위화 한도가 섭동 단계 중에 시드 포인트 중첩 및 시드 포인트 교차를 허용하기 위해 확립될 수 있다. 그러나, 시드 포인트가 중첩 및/또는 교차하는 것을 방지함으로써, 더 높은 수준의 다공도 제어 및 강도가 달성될 수 있다. 따라서, 무작위화 한도는 특정 시드 포인트와 그의 가장 가까운 이웃 사이의 거리의 0%와 100% 사이의 임의의 수, 예컨대, 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 55%, 60%, 65%, 70%, 75%, 80%, 85%, 90%, 95%, 또는 100%일 수 있다. 다른 실시예에서, 범위는 특정 시드 포인트와 그의 가장 가까운 이웃 사이의 거리를 100% 초과할 수 있다. 예를 들어, 무작위화 한도의 범위는 100% 내지 200% 또는 0% 내지 200%일 수 있다. 명세서가 내측 공간 좌표에 대한 미리 결정된 무작위화 한도를 정의하는 것을 설명하였지만, 위에서 설명된 단계들은 외측 공간 좌표를 무작위화하는 것에 동일하게 적용될 수 있음을 이해하여야 한다. 추가의 실시예에서, 내측 및 외측 시드 포인트는 상이한 방법 및 무작위화 정도를 사용하여 무작위화될 수 있다.

바람직한 실시예에서, 다공성 구조물의 모델 또는 무작위화된 지지체는 섭동된 시드 포인트들의 동일한 클라우드 체적 또는 타일들을 어레이화 또는 적층함으로써 생성된다. 복제된 클라우드 체적 또는 타일들이 어레이화되거나 적층될 때, 무작위화된 내측 시드 포인트(112)가 외측 시드 포인트(106, 108, 110)와 교차하거나 그와의 충돌을 생성하지 않는 것이 바람직하다. 내측 및 외측 시드 포인트들 사이의 양립성을 보장하는 한 가지 방법은 도 3의 큐브(100)의 6개의 동일한 버전들 중 하나가 도 3의 큐브(100)의 각각의 면에 인접하여 위치되는 경우에 도 4에 도시된 바와 같이 3차원 공간 내에서 섭동된 내측 시드 포인트(112)를 구비한 큐브(100)의 동일한 버전들을 어레이화하는 것이다.

개선예에서, 내측 시드 포인트(112)는 외측 시드 포인트(106, 108, 110) 이전에 무작위화된다. 도 5a-7a를 참조하면, 외측 시드 포인트(106, 108, 110)는 섭동 이전에 도시되어 있다. 즉, 도 5a는 큐브(100)의 상부면, 전방면, 및 우측면 상에 균등하게 분포된 면내 외측 시드 포인트(110)를 도시한다. 도 6a는 큐브(100)의 상부면, 전방면, 및 우측면의 모서리 둘레에 균등하게 분포된 모서리 외측 시드 포인트(108)를 도시한다. 도 7a는 큐브(100)의 상부면, 전방면, 및 우측면의 코너에 균등하게 위치된 코너 외측 시드 포인트(106)를 도시한다. 단순화의 목적으로, 외측 시드 포인트(106, 108, 110)는 큐브(100)의 상부면, 전방면, 및 우측면에 대해서만 도시되어 있다. 다른 실시예에서, 초기 큐브 또는 다른 공간 충전 다면체의 더 많거나 더 적은 면들이 이러한 외측 시드 포인트를 포함할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 외측 시드 포인트(106, 108, 110)를 내측 시드 포인트(112)처럼 함께 또는 그룹으로서 무작위화하는 대신에, 외측 시드 포인트(106, 108, 110)는 큐브(100)의 6면 입방형 기하학적 형상으로 인해 본질적으로 쌍으로 무작위화된다. 즉, 각각의 외측 시드 포인트 및 그의 대응 외측 시드 포인트는 동일한 방향 및 크기에서 식별되고 무작위화된다.

도 5a 및 5b를 참조하면, 전방면 영역(118)의 외측 시드 포인트(110a)가 먼저 식별되고 인덱싱된다. 모든 전방 외측 시드 포인트(110a)가 미리 결정된 무작위화 한도(예컨대, 30% 한도에서의 구) 내에서, 각각의 전방 외측 시드 포인트(110a)에 대한 무작위적인 유한 거리 및 방향을 발생시키기 위해 난수 발생 알고리즘을 사용하여 동시에 무작위화될 수 있다. 초기 기하학적 형상(100)이 정다면체이기 때문에, 후방면 영역(120) 상의 외측 시드 포인트(도시되지 않음)의 대응하는 세트가 또한 식별되고, 인덱싱되고, 무작위화된다. 각각의 후방 외측 시드 포인트(도시되지 않음)는 그의 대응하는 전방 외측 시드 포인트(110a)와 동일한 방향 및 크기(거리)로 무작위화된다. 바꾸어 말하면, 각각의 전방 외측 시드 포인트(110a)는 그의 대응하는 후방 외측 시드 포인트와 동일한 x- 및 z-좌표를 갖지만, 상이한 y-좌표를 갖는다. 각각의 후방 외측 시드 포인트에 대해 사용되는 무작위화가 그의 대응하는 전방 외측 시드 포인트(110a)와 동일한 크기 및 거리인 한, 각각의 후방 외측 시드 포인트가 개별적으로 무작위화될 수 있거나, 모든 후방 외측 시드 포인트가 그룹으로서 무작위화될 수 있다. 이러한 공정은 동일한 무작위화된 면내 외측 시드 포인트를 구비한 전방 영역(118) 및 후방면 영역(120)을 생성한다. 결과가 도 8에 도시되어 있고, 면(122)의 면내 외측 시드 포인트(110a)는 면(124)의 면내 외측 시드 포인트(110b)와 x-방향 및 z-방향으로 동일하다. 양립성을 확인하기 위해, 도 5b에 도시된 포인트 클라우드는 도 4에 도시된 바와 유사한 방식으로 3차원 공간 내에서 상방으로, 하방으로, 그리고 모든 4개의 측면으로 복사될 수 있다.

도 5a 및 5b를 단순하게 유지할 목적으로, 큐브(100)의 상부면 및 측면 상의 면내 외측 시드 포인트(110)는 섭동되지 않는다. 또한, 도 8을 참조하면, 큐브(100)의 면(122, 124) 이외의 면은 의도적으로 비어 있다. 그러나, 이는 단지 예시의 목적이고, 특허청구범위 또는 본 발명의 범주를 제한하지 않는다. 즉, 측면 외측 시드 포인트(110c) 또한 전방면(118) 및 후방면(120)에 대해 설명된 바와 같이 식별되고, 인덱싱되고, 무작위화될 수 있음이 이해된다. 즉, 우측면 외측 시드 포인트(110c)는 위에서 설명된 바와 같이, 난수 발생 알고리즘 및 미리 결정된 무작위화 한도에 따라 먼저 섭동될 수 있다. 좌측면 외측 시드 포인트(도시되지 않음)의 대응하는 세트가 그 다음 개별적으로 또는 그룹으로서 무작위화되고, 우측 외측 시드 포인트의 각각의 섭동의 크기 및 방향은 각각의 대응하는 좌측 외측 시드 포인트(도시되지 않음)에 대해 식별되어 적용된다. 따라서, 우측 및 좌측 외측 시드 포인트는 섭동 후에 동일한 y- 및 z-좌표와, 상이한 x-좌표를 가질 것이다. 양립성을 확인하기 위해, 결과적인 포인트 클라우드는 도 4에 도시된 바와 유사한 방식으로 3차원 공간 내에서 상방으로, 하방으로, 그리고 모든 4개의 측면으로 복사될 수 있다. 동일한 공정이 상부 외측 시드 포인트(110d) 및 대응하는 바닥 외측 시드 포인트에 대해 수행될 수 있다. 즉, 상부(110d) 및 대응하는 바닥 외측 시드 포인트가 식별된 후에, 외측 시드 포인트의 대응하는 쌍이 동일한 x- 및 y-좌표 및 상이한 z-좌표를 구비한 상부 및 바닥 외측 시드 포인트를 제공하도록 동일한 방향 및 크기를 사용하여 무작위화된다. 결과는 동일하게 무작위화된 시드 포인트 클라우드를 구비한 대향하는 상부 및 바닥 면이다. 양립성을 확인하기 위해, 도시된 결과적인 포인트 클라우드는 도 4에 도시된 바와 유사한 방식으로 3차원 공간 내에서 상방으로, 하방으로, 그리고 모든 4개의 측면으로 복사된다.

요약하자면, 도 5a 내의 시드 포인트(110a, c, d)와 같은 면 영역 상에 배치되거나, 그에 인접하거나, 그를 형성하는 면내 외측 시드 포인트가 내측 시드 포인트(112)와 유사하게 그룹으로서 무작위화될 수 있지만, 대향하는 면 영역을 따라 배치된 면내 외측 시드 포인트는 위에서 도시되고 설명된 바와 같이 그의 대응물과 동일한 방식으로 이동될 필요가 있다. 도 5b에 도시된 실시예에서, 6개의 면 영역들 중 적어도 2개가 공간 내에서 정합하는 면내 외측 시드 포인트 패턴을 가질 것이다. 몇몇 실시예에서, 적어도 몇몇 시드 포인트가 무작위화될 수 있고, 다른 시드 포인트는 섭동되지 않은 채로 유지된다. 예를 들어, 섭동이 영역 내의 모든 N번째 시드 포인트에서만 발생하는 몇몇 개선예가 존재할 수 있다. 다른 개선예는 섭동된 시드 포인트의 큐브 또는 타일 또는 체적, 예컨대, 도 8의 큐브(800)를 포함할 수 있고, 여기서 하나 이상의 내측 시드 포인트(112)가 섭동되고, 하나 이상의 외측 시드 포인트(106, 108, 110)가 섭동되지 않은 채로 유지되어 무작위화되거나 무작위화되지 않은 큐브 또는 타일 또는 체적들 사이에서 양립성을 보장하기 위해 정돈된 방식으로 배열된다.

제어된 다공도 및/또는 기공 크기를 여전히 유지하면서 무작위도의 구배를 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 무작위도의 구배는 많은 수단에 의해 달성될 수 있다. 한 가지 방법은 주어진 큐브 또는 타일 또는 체적 내에서 하나 이상의 방향으로 무작위화 한도를 점진적으로 또는 갑작스럽게 증가시키는 것이다 (예컨대, 10%로부터 30% 한도로의 증가). 다른 방법은 큐브 또는 타일 또는 체적 내에서 하나 이상의 방향으로 섭동된 시드 포인트의 개수를 점진적으로 또는 갑작스럽게 증가시키는 것이다. 또 다른 실시예에서, 하나 이상의 외측 시드 포인트 영역만이 섭동될 수 있고, 내측 시드 포인트(65)는 섭동되지 않은 채로 유지되어, 무작위 시드 포인트들 사이의 비무작위 시드 포인트의 샌드위치를 형성한다. 대안적으로, 시드 포인트가 전체 시드 포인트 클라우드 큐브 또는 타일 또는 체적, 예컨대 도 8의 큐브(800) 내의 미리 결정된 영역에서만 섭동되는 몇몇 개선예가 존재할 수 있다. 전술한 실시예들의 다양한 조합이 채용될 수 있다.

도 6a 및 6b를 참조하면, 유사한 무작위화 공정이 큐브(100)의 모서리 영역을 따라 배치된 모서리 외측 시드 포인트(108)에 대해 채용된다. 도시된 바와 같이 정육면체 기하학적 형상(큐브)을 채용하는 실시예에서, 모서리 외측 시드 포인트(108)는 다음의 개시 내용에 따라 그룹으로 무작위화될 수 있다. 도 6a는 x-축, y-축, 및 z-축과 평행한 모서리 영역을 따라 배치된 모서리 외측 시드 포인트(108)의 균등한 분포를 도시한다. 바람직한 실시예에서, 모든 모서리 외측 시드 포인트(108)는 식별되어 그룹으로서 함께 또는 개별적으로 무작위화된다. 개별 또는 그룹 무작위화에 관계없이, 모서리 외측 시드 포인트(108)는 도 6b에 도시된 바와 같이 동일한 방향 및 크기로 섭동된다. 도 6a 및 6b를 단순하게 유지할 목적으로, 큐브(100)의 후방, 바닥, 및 좌측면의 모서리 외측 시드 포인트(108)는 도시되지 않았고, 선택된 모서리 외측 시드 포인트(108)만이 섭동된다. 그러나, 이는 단지 예시의 목적이고, 특허청구범위 또는 본 발명의 범주를 제한하지 않는다. 양립성을 확인하기 위해, 도 6b에 도시된 포인트 클라우드는 도 4에 도시된 바와 유사한 방식으로 3차원 공간 내에서 상방으로, 하방으로, 그리고 모든 4개의 측면으로 복사될 수 있다. 양립성을 확인할 때, 복제된 시드 포인트가 제거되는 것이 바람직하다. 그러나, 다른 실시예에서, 복제된 시드 포인트는 제거되지 않을 수 있다. 다른 실시예에서, 양립 가능한 시드 포인트 클라우드는 다중화 공정 중에 시드 포인트를 복제하는 것을 방지하기 위해 임의의 복사 및/또는 어레이화 이전에 감소될 수 있다.

섭동 공정은 다른 모서리 외측 시드 포인트(108)에 대해 유사하게 반복될 수 있다. 즉, 다른 모서리 외측 시드 포인트(108) 또한 위에서 설명된 바와 같이, 난수 발생기 알고리즘 및 미리 결정된 무작위화 한도에 따라 식별되고, 인덱싱되고, 무작위화될 수 있다. 큐브의 대향 면에 위치된 모서리 외측 시드 포인트(도시되지 않음)의 대응하는 세트가 그 다음 개별적으로 또는 그룹으로서 무작위화되고, 포인트의 대응하는 세트의 각각의 섭동의 크기 및 방향은 이전에 무작위화된 세트와 동일하다. 따라서, 축에 대해 평행한 모서리 영역을 따라 배치된 모서리 외측 시드 포인트(108)에 대해, 그러한 축에 대한 공통 좌표값을 공유하는 시드 포인트들은 그의 대응물이 양립 가능한 모서리 영역을 보장하기 위해 동일하게 무작위화되는 한, 그룹 내에서 독립적으로 또는 함께 무작위화될 수 있다. 여기서, 도 5a 및 5b와 달리, 하나의 모서리 외측 시드 포인트(108a)의 섭동은 3개의 다른 대응하는 모서리 외측 시드 포인트(108b)의 섭동을 일으킨다 (제3 모서리 외측 시드 포인트는 도시되지 않음). 이는 2개의 인접한 측면들이 하나의 모서리 외측 시드 포인트(108)를 공유하기 때문이다. 도 8은 면(122, 124) 상의 모서리 외측 시드 포인트(108)의 대응하는 세트의 동일한 무작위화를 예시한다. 다른 면들은 도 8을 단순하게 유지하기 위해 의도적으로 비어 있다. 그러나, 이는 특허청구범위 또는 본 발명의 범주를 제한하려는 의도는 아니다. 다른 모서리 시드 포인트가 동일한 방식으로 섭동되어 큐브(800) 내에 포함될 수 있음이 고려된다.

도 7a 및 7b를 참조하면, 정육면체 기하학적 형상에 대해, 코너 외측 시드 포인트(106)는 식별되어, 그룹으로서 함께 도 7b에 도시된 바와 동일한 방식으로 무작위화될 수 있다. 바꾸어 말하면, 각각의 코너 시드 포인트(106)는 모든 8개의 코너 영역이 도 7b에 도시된 바와 같이 양립 가능하도록 보장하기 위해 동일한 방향으로 그리고 동일한 크기로 이동된다. 양립성을 확인하기 위해, 도 8a에 도시된 코너 포인트 클라우드는 도 4에 도시된 바와 유사한 방식으로 3차원 공간 내에서 상방으로, 하방으로, 그리고 모든 4개의 측면으로 복사된다.

도 8은 내측 시드 포인트 클라우드 체적(104), 및 동일한 모서리, 면내, 및 코너 외측 포인트(106, 108, 110)를 포함하는, 면 영역(122) 및 면 영역(124)에서의 동일한 외측 시드 포인트 클라우드를 갖는 결과적인 전체 시드 포인트 클라우드 큐브 또는 체적(800)을 예시한다. 위에서 언급된 바와 같이, 큐브(800)의 2개의 면만이 도시되어 있지만, 이는 단지 예시의 목적이고, 특허청구범위 또는 본 발명의 범주를 제한하려는 의도는 아니다. 이미 설명된 바와 같이, 큐브들 사이의 양립성을 보장하기 위해, 시드 포인트 클라우드 체적(800)은 도 9에 도시된 바와 같은 어레이(900)를 제작하기 위해 3차원 공간 내에서 전방, 후방, 상부, 바닥, 및 양 측면으로 복사될 수 있다. 도 9를 단순하게 유지하기 위해, 내측 시드 포인트 클라우드 체적(104)은 생략되었다. 그러나, 이는 특허청구범위 또는 본 발명의 범주를 제한하려는 의도는 아니다.

요약하자면, 내측 및 외측 시드 포인트의 섭동 후에 또는 도중에, 예기치 않은 수차가 시드 포인트 클라우드 큐브 또는 타일 또는 체적들 사이의 경계 또는 면에서 발생하지 않도록 보장하기 위해, 무작위화된 시드 포인트 클라우드 큐브 또는 타일 또는 체적은 (1) 전방 및 후방면 영역이 정합하는 시드 포인트 공간 패턴을 갖고; (2) 우측 및 좌측 또는 측면 영역이 정합하는 시드 포인트 공간 패턴을 갖고; (3) 상부 및 바닥면 영역이 정합하는 시드 포인트 공간 패턴을 갖고; (4) x-축을 따라 그에 대해 평행하게 배치된 모서리 영역들이 정합하는 시드 포인트 공간 패턴을 갖고; (5) y-축을 따라 그에 대해 평행하게 배치된 모서리 영역들이 정합하는 시드 포인트 공간 패턴을 갖고; (6) z-축을 따라 그에 대해 평행하게 배치된 모서리 영역들이 정합하는 시드 포인트 패턴을 갖고; (7) 모든 코너 영역들이 정합하는 시드 포인트 공간 패턴을 갖도록, 보장하기 위해 동일한 시드 포인트 클라우드 타일을 구비하여 어레이화될 수 있다. 일 실시예에서, 시드 포인트 클라우드 체적의 어레이가 다공성 구조물의 무작위화된 지지체를 생성하기 위한 추가의 공정에 대해 사용될 수 있다. 모서리 영역들은 특히 초기 기하학적 형상에 대해 사용되는 더 복잡한 형상에 대해, 특정 축에 대해 평행하지 않을 수 있음을 알아야 한다.

개선예에서, 기본 큐브 또는 타일 또는 체적의 내측 시드 포인트(112) 및 외측 시드 포인트(106, 108, 110)의 무작위화는 수치 계산 환경 알고리즘을 사용하여 수행된다. 예를 들어, 수치 계산 환경 알고리즘은 MATLAB™ 알고리즘일 수 있다. 수치 계산 환경 프로그램의 다른 비제한적인 예는 SCILAB™, OCTAVE™, FREEMAT™, JMATHLIB™, MATHNIUM™, TELA™, ALGAE™, LUSH™, YORICK™, RLAB™, MAXIMA™, SAGE™, EULER™, S-LANG LIBRARY™, PYTHON™, NUMPY™, SCIPY™, THE R PROJECT™, LUA™, 열거된 프로그램과 동일하거나 유사한 계산 환경을 제공하는 임의의 유사한 프로그램, 및 이들의 조합, 하위 조합 및 변경을 포함한다. 다른 프로그램이 본 기술 분야의 당업자에게 명백할 것이고, 현재 개발 중이거나 미래에 개발될 미래의 프로그램이 또한 본 기술 분야의 당업자에게 명백할 것이다. 본 발명은 무작위화된 기본 타일을 발생시키기 위해 사용되는 특정 소프트웨어 및 다중화된 무작위화된 기본 큐브 또는 타일 또는 체적으로부터 3차원 구조물을 생성하기 위해 사용되는 소프트웨어로 제한되지 않는다. 초기 기하학적 형상의 체적 및 체적 내에 그리고 경계에 분포된 시드 포인트의 개수는 사용자의 재량으로 선택될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 시드 포인트의 체적 및 개수는 체적당 바람직하거나 최적의 개방부 및 기공 크기에 관한 임상적 연구 및 문헌에 의해 제공되는 정보에 의존한다.

도면이 입방형 공간 또는 입방형 공간 좌표를 사용하여 개시된 방법을 도시하지만, 본 발명은 6면 기본 구조물 또는 6면 외측 기하학적 형상으로 제한되지 않음을 여기서 알 것이다. 대신에, 앞서 언급된 바와 같이, 개시된 방법은 임의의 공간 충전 다면체(때때로, 플레시오헤드라(plesiohedra)로 불림), 삼각형 각기둥, 육각형 각기둥, 육면체, 깎인 팔면체 및 비틀어 붙인 두 이각지붕(gyrobifastigium)을 포함한 규칙 면을 구비한 공간 충전 볼록 다면체, 부풀린 십이면체, 늘인 십이면체, 및 눌린 십이면체를 포함한 불규칙 면을 구비한 공간 충전 볼록 다면체, 및 임의의 자가 교차하지 않는 4변형 각기둥에 적용된다. 다른 가능성은 여기서 언급되기에 너무 많다. 직교 좌표 대신에, 타일이 원래의 기본 타일로부터 더 멀리 위치됨에 따라 적절하게 스케일링(scaling)되도록 요구하는 구, 원통, 및 다른 좌표가 또한 사용될 수 있다. 개선예에서, 구배 밀도 알고리즘이 타일들 사이의 경계를 정합시키는 것을 보조하기 위해 기본 타일에 대한 데이터 내로 포함될 수 있다. 따라서, "타일", "체적" 및 "초기 기하학적 형상"이라는 용어의 사용은 본원에서 복수의 유형의 3차원 형상을 포함한다.

바람직한 실시예에서, 무작위화된 시드 포인트들의 기본 체적은 그 다음 다공성 구조물을 위한 3차원 지지체를 형성하도록 다른 동일한 기본 체적과 함께 다중화되어 타일링되고, 지지체는 제어된 무작위도를 갖는다. 그러나, 다른 개선예에서, 무작위화된 시드 포인트들의 단일 기본 체적이 다공성 구조물을 위한 지지체로서 역할할 수 있다. 즉, 선택된 초기 체적이 충분히 크면, 이는 시드 포인트가 위에서 설명된 바와 같이 제어된 방식으로 배치되고 무작위화된 후에 다공성 구조물의 지지체로서 역할할 수 있다. 이러한 개선예에서, 하나의 체적만이 지지체를 형성하기 위해 필요하므로, 다른 동일한 체적과의 양립성을 확인하는 것은 필수적이지 않을 수 있다. 본 발명의 방법은 압축 둔부 스크루를 포함한 둔부, 무릎, 발목, 치아, 어깨, 발/손, 플랜지, 척추의 임플란트, 두개골 판, 골절 판, 수내 로드, 보강재, 스테이플, 뼈 스크루, 심장 판막 및 인공 심장 및 심실 보조 장치와 같은 심혈관계 임플란트, 인대 및 근육 체결구, 다른 소형 관절 임플란트, 및 다른 임플란트를 포함하지만 이들로 제한되지 않는 다양한 임플란트를 제조하는데 적용 가능하다. 또한, 무작위화된 시드 포인트들의 기본 체적이 바람직하게는 다공성 임플란트를 위한 3차원 지지체 구조물을 형성하기 위해 사용되지만, 이는 필터, 방열기, 완충기, 환부 드레싱, 연골 또는 지방체 대체물, 기구 중량 감소 재료, 줄(rasp), 조직 샘플링 구조물, 창상 절제 버어(burr)와 같은, 진동, 불규칙 부하, 구조물의 비틀림에 대한 저항을 요구하는 제조되는 물품과 같은 다른 용도에도 적용될 수 있다.

제어된 무작위도의 다공성 구조물을 제조하기 위한 개시된 기술은 RMT의 메모리 요건을 상당히 감소시킨다. 예를 들어, 초기 타일 또는 체적에 대한 계산은 임플란트 또는 많은 임플란트들을 형성하기 위해 복제 및 재사용될 수 있다.

위에서 설명된 공정에 의해 제작되는 무작위화된 시드 포인트들의 복수의 동일한 체적을 사용하는 실시예에서, 최종 지지체가 타일 또는 체적들 사이에서 최소 개수의 이음매를 갖도록 가능한 한 크게 초기 체적을 형성하는 것이 또한 바람직하다. 구형, 원통형 등의 좌표계가 선택되면, 타일들은 도 9에 도시된 것과 같은 시드 포인트들의 어레이의 좌표계의 원점 또는 중심으로부터 점점 더 멀리 위치되면서 스케일링된다. 그러한 경우에, 단위 타일 내의 구배 밀도가 타일들 사이의 경계를 정합시키는 것을 보조하기 위해 사용될 수 있다. 다양한 소프트웨어 알고리즘의 메모리 및 사용을 감소시키기 위한 기술이 여전히 적용된다. 데이터는 RMT 기계로 직접 전송되거나 RMT 기계를 제어하는 기계 또는 컴퓨터로 전송될 수 있다.

또한, 무작위화된 시드 포인트들의 복수의 동일한 체적을 사용하는 지지체의 개선예에서, 스트럿들은 그 다음 동일한 큐브 또는 타일 또는 체적들 사이의 양립성이 확인된 후에 무작위화된 시드 포인트들 사이의 공간을 라인으로 분할함으로써 지지체에 대해 생성된다. 체적의 분할은 여러 방식으로 달성될 수 있다. 바람직하게는, 이는 QHull 알고리즘, 켄 클락슨(Ken Clarkson) "선체(Hull)" 알고리즘, cdd, 또는 맥퀸(Mac-Queen) k-평균 알고리즘과 같은 임의의 고차 보로노이 테슬레이션을 무작위화된 시드 포인트에 적용함으로써 행해진다. 그러나, QHull 알고리즘 이외의, 3차원 보로노이 테슬레이션을 계산하는 임의의 방법/알고리즘이 허용 가능한 결과를 생성할 수 있다. 무작위화된 시드 포인트들의 동일한 큐브 또는 타일 또는 체적들 사이의 양립성이 확인되었기 때문에, 보로노이 테슬레이션 알고리즘은 무작위화된 시드 포인트들의 기본 체적의 다중화 이전 또는 이후에 적용될 수 있다. 즉, 지지체가 형성될 수 있는 한 가지 방법은 (1) 개시된 방법에 따라 무작위화된 시드 포인트들의 기본 체적을 생성하고, (2) 원하는 치수를 구비한 지지체를 형성하기 위해 무작위화된 시드 포인트들의 충분한 개수의 동일 기본 체적을 다중화하여 타일링하고, (3) 지지체의 스트럿을 형성하기 위해, 기본 체적의 복사 및 타일링에 의해, 예컨대, 고차 보로노이 테슬레이션 알고리즘을 적용함으로써, 발생되는 모든 무작위화된 시드 포인트들 사이의 공간을 분할하고, (4) 무작위화된 지지체의 3차원 모델을 형성하도록 시드 포인트를 제거하는 것이다. 2번째 방법은 (1) 개시된 방법에 따라 무작위화된 시드 포인트들의 기본 체적을 생성하고, (2) 그러한 기본 체적에 대한 스트럿을 형성하기 위해, 무작위화된 시드 포인트들의 그러한 단일 기본 체적만의 무작위화된 시드 포인트들 사이의 공간을 분할하고, 예컨대, 보로노이 테슬레이션 알고리즘을 적용하고, (3) 무작위화된 스트럿을 구비한 기본 체적을 형성하도록 시드 포인트를 제거하고, (4) 원하는 치수를 구비한 지지체를 형성하도록, 무작위화된 스트럿을 구비한 기본 체적을 다중화하고 무작위화된 스트럿을 구비한 충분한 개수의 동일 기본 체적들을 타일링하는 것이다. 무작위화된 시드 포인트들 사이의 공간을 분할하는 이들 2가지 방법은 동일한 분할 및 지지체를 위한 무작위화된 스트럿 구조물을 생성한다. 또한, 무작위화된 시드 포인트들 사이의 공간이 분할되기 전에, 소정의 용도에 의해 필요하거나 요구되는 불규칙성 및/또는 다공도를 달성하기 위해, 소정의 시드 포인트가 제거될 수 있거나 추가의 시드 포인트가 추가될 수 있음이 고려된다.

일 실시예에서, 사용자는 임의의 과잉 라인을 제거하기 위해 시드 포인트들 사이의 공간을 분할하기 위해 사용되는 소프트웨어 프로그램을 코딩할 수 있다. 도 10은 본 발명에 따라 제작된 무작위화된 스트럿을 구비한 기본 체적을 도시한다. 즉, 초기 기하학적 형상 및 체적이 선택되었고, 내측 및 외측 시드 포인트들이 체적당 원하는 개방부 및 기공 크기에 따라 분포되고, 모든 또는 소정의 시드 포인트들이 미리 결정된 무작위화 한도에 따라 식별되고 무작위화되었고, 무작위화된 시드 포인트들 사이의 체적은 알고리즘, 예컨대 보로노이 테슬레이션에 따라 분할되었고, 시드 포인트들은 도 10의 타일 또는 체적(1000)을 형성하도록 제거되었다. 무작위화된 스트럿들의 체적(1000)은 원하는 치수의 다공성 구조물을 위한 지지체를 형성하기 위해 타일링되거나 적층될 수 있다. 스트럿의 크기 및 두께가 선택된 후에, 지지체 모델은 다공성 구조물을 제조하기 위해 RMT 기계로 직접 보내질 수 있다.

그러나, 다른 실시예에서, 무작위화된 시드 포인트들 사이의 공간을 분할하고 임의의 과잉 라인을 제거하는 단계는 분리될 수 있다. 도 11을 참조하면, 무작위화된 스트럿(1100)들의 삼각측량된 기본 체적 또는 체적은 시드 포인트들 사이의 공간의 상이한 분할에 의해 제작되었고, 분할은 다양한 과잉 라인 또는 스트럿을 산출하였다. 도면은 또한 중심 타일의 그의 좌표 이웃 타일에 대한 공간 배열을 도시한다. 과잉 라인의 생성은 많은 보로노이 테슬레이션 및/또는 QHull 알고리즘에서 전형적이다. 제거되지 않으면, 이러한 과잉 라인은 불필요한 스트럿 및 노드를 생성하고, 이는 불필요한 양의 재료를 소비하고 그리고/또는 다공성 구조물 내의 강도, 다공도, 연결성에 관련된 다양한 구조적 문제점 또는 무작위화된 스트럿을 구비한 이웃하는 체적들 사이의 양립 불가능성을 생성할 수 있다.

과도한 과잉 라인을 제거하는 한 가지 방법이 도 12-13에 도시되어 있다. 도 12에서, 볼록한 선체(1202)가 도시되어 있고, 볼록한 선체(1202)는 과잉 라인들이 제거되기 전의 도 11의 기본 체적(1100)의 일부인 많은 것들 중 하나이다. 도 12에서, 볼록한 선체(1202)의 구조 라인(1204)은 얇은 선으로서 도시되어 있고, 볼록한 선체(1202)의 과잉 라인(1206)은 두꺼운 선으로서 도시되어 있다. 도 13은 과잉 라인(1206)을 제거하기 위한 볼록한 선체(1202)의 하나의 영역(1300)의 처리를 도시한다. 도 13을 참조하면, 과잉 라인(1206)을 제거하거나 적어도 그의 개수를 감소시키기 위해, 추정되는 과잉 라인(1206) 및/또는 하나 또는 2개의 과잉 라인(1206)에 의해 생성된 소면(1210)이 주변 구조 면과 동일 평면인 범위에 대한 결정이 이루어진다. 구체적으로, 도 13을 참조하면, 과잉 라인(1206)을 가질 수 있는 소면(1210)이 식별된다. 소면(1210)에 대해 직각인 선, 예컨대 N₄와 이웃하는 소면(1210)에 대해 직각인 선, 예컨대 N₃ 사이의 각도가 충분히 작거나 임계각(θ) 아래이면, 소면들 사이의 공유되는 과잉 라인 또는 과잉 라인(1206)들이 제거될 수 있다. 유사하게, 다각형 면에 대해 직각인 라인과 소면(1210)에 대해 직각인 라인이 충분히 작거나 임계각(θ) 아래이면, 내부 과잉 라인 또는 과잉 라인(1206)들이 제거될 수 있다. 과잉 라인(1206)을 제거하기 위한 다른 알고리즘이 사용될 수 있다. 예를 들어, 라인들 사이의 각도는 임계각과 비교될 수 있고, 임계각 미만이면 제거될 수 있다. 대안적으로, 다각형 형상 템플릿 또는 다면체 형상 템플릿을 사용하는 형상 인식 알고리즘이 템플릿의 형상과 집합적으로 근사한 삼각측량된 타일(1100) 내의 라인을 식별하기 위해 사용될 수 있다. 형상 템플릿의 일부를 형성하지 않거나 그의 공차 내에 들지 않는 구조 라인(1204)이 과잉 라인(1206)으로 간주되어 제거될 수 있다.

임계각(θ)은 전형적으로 10°또는 그 이하, 예컨대, 1°, 2°, 3°, 4°, 5°, 6°, 7°, 8°, 또는 9°이다. 너무 낮을 수 있는 임계각(θ)을 선택한 후에, 볼록한 선체(1202) 내의 개방부들 중 일부가 여전히 다수의 과잉 라인(1206)에 의해 차폐되면, 임계각(θ)은 증가될 수 있고, 알고리즘은 재실행된다. 그러나, 예컨대 10도를 초과하는 높은 임계각(θ)을 선택하는 것은 무작위화된 스트럿을 구비한 기본 체적의 바람직한 모서리의 일부를 제거할 위험을 가질 수 있다. 이는 대체로 바람직하지 않지만, 유리하게는 강도에 상당한 영향을 주지 않고서 기공 크기를 증가시키기 위해 사용될 수 있다. 다른 개선예에서, 임계각 범위는 6° 미만일 수 있고, 더 바람직하게는, 임계각 범위는 4° 미만일 수 있다.

전술한 임계각(θ) 제한 기술은 또한 도 11의 기본 체적(1100)과 유사한 무작위화된 스트럿을 구비한 기본 체적을 산출할 수 있다. 기본 체적(1100)은 10° 미만의 임계각(θ)을 사용하여 도 12의 볼록한 선체(1202)로부터 제작될 수 있다. 도 14-15에 도시된 바와 같이, 결과적인 기본 체적(1100)은 (1단계 보로노이 테슬레이션 및 과잉 라인 제거에 의해 또는 2단계 알고리즘에 의해 제작되었든지 간에) 양립 가능한 면(1502, 1504)과 이음매 없이 함께 맞춰진다. 이는 각각의 타일 상의 양립 가능한 면에 매우 근접한 (공극을 위치 설정하는) 공간 좌표가 각각의 타일에 대한 스트럿들의 웨브 또는 지지체가 생성되기 전에 양립 가능한 배열로 위치되었기 때문에 가능하다. 바람직한 실시예가 과잉 라인들이 모든 헐거운 스트럿을 제거하기 위해 제거되는 다공성 구조물을 제공하지만, 다른 실시예가 헐거운 스트럿을 가질 수 있고, 여전히 본 발명에 따름이 고려된다.

무작위화된 스트럿들의 하나 이상의 기본 체적을 포함하는 지지체가 생성된 후에, 그러한 지지체의 라인 데이터는 (예컨대, 라인 데이터를 먼저 *.stl 파일로 변환하고 신속 프로토타이핑 기계로 다운로드함으로써) 모델링 프로그램 또는 알고리즘으로, 또는 신속 제조 장비로 직접 전송될 수 있다. 지지체가 기계로 직접 보내질 때, 이는 지지체의 어떤 부분이 형성되어야 하는지 그리고 어떤 것이 솔리드 부품의 외부에 있기 때문에 무시되어야 하는지를 결정하는 수단을 가져야 한다. 일례에서, 기본 체적(1100)의 스트럿을 형성하는 라인은 적절한 형상 및 두께의 이상화된 스트럿을 나타내는 개별 STL 쉘을 라인의 위치로 변환하기 위해 사용될 수 있는 좌표계에 할당될 수 있다. 그 다음 STL 쉘의 결과적인 집합이 다공성 3차원 타일을 형성하도록 STL 파일에 기록된다. 다른 예에서, 기본 체적(1100)의 스트럿을 형성하는 라인은 그러한 모델링 프로그램 내로 입력될 수 있는 유니그래픽스(UNIGRAPHICS)™ "표현"에 대응하는 텍스트 파일(*.exp 확장자)로 변환될 수 있다. 솔리드-모델링 프로그램은 도 11의 기본 체적(1100)과 같은 무한하게 얇은 선으로 지지체 구조물을 취하는 목적을 수행하고, 적절한 형상 및 두께(T)를 구비한 스트럿을 제공한다. 도 16은 스트럿(1204)에 대해 이용 가능한 상이한 기하학적 형상(1602) 및 두께(T), 예컨대 원, 삼각형, 오각형의 예를 예시한다. 식별된 형상은 예시의 목적이고, 특허청구범위 또는 본 발명의 범주를 제한하려는 의도는 아니다. 예를 들어, 다른 기하학적 형상은 정사각형, 직사각형, 육각형, 팔각형, 칠각형 등을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 스트럿 두께는 스트럿의 길이 또는 기공 크기에 비례할 수 있다. 예를 들어, 기공이 더 크면, 이는 더 큰 스트럿을 수용하고, 여전히 원하는 기공 개방부 크기를 유지할 수 있다. 또한, 스트럿들이 미리 결정되거나 선택된 길이보다 더 긴 경우에, 이는 긴 스트럿이 동일한 두께를 갖는 짧은 스트럿보다 더 가요성이고 그리고/또는 더 약하므로, 짧은 스트럿에서의 더 균일한 강도 특징을 생성하기 위해 두꺼워질 수 있다.

다른 개선예에서, 3차원 지지체 모델은 CAD 프로그램에 의해 판독 가능한 라인 데이터로, 또는 신속 제조 장비에 의해 직접 판독 가능한 형식이 아니라면 솔리드 모델링 프로그램에 의해 판독 가능한 데이터로 직접 변환될 수 있다. 다른 솔리드 모델링 프로그램이 사용될 수 있거나, 3차원 지지체 모델의 라인 데이터에 하나 이상의 미리 결정된 두께를 적용하기 위한 알고리즘이 사용될 수 있고, 따라서 모델은 대응하는 다공성 구조물을 제조하기 위한 기계로 전송될 수 있다.

일 실시예에서, 모델링 공정 중에, 스트럿 라인(1204)(예컨대, 도 11, 14, 또는 15)은 부품 파일 내에 기록될 수 있고, 그 다음 모델링 프로그램을 사용하여 라인(1204)을 판독하고 원하는 두께(T)를 적용할 때, 스트럿(1204)들은 인접한 타일 또는 체적과 정합하도록 배향될 수 있다. 각각의 스트럿(1204)의 각각의 종점의 위치는 정돈된 쌍으로서 읽힐 수 있다. 모델링 프로그램은 또한 스트럿(1204)의 직경/두께 및 타일 또는 체적(1100)의 전체 폭, 길이, 및 높이와 같은 임의의 다른 연관 정보가 입력되도록 허용할 수 있다 (예컨대, 도 11). 시드 포인트를 섭동시키기 위한 본원에서 설명된 것과 유사한 무작위화 알고리즘이 또한 도 11의 무작위화된 스트럿(1100)들의 기본 체적의 임의의 부분 내에서 하나 이상의 라인(1204)에 단면 형상을 무작위로 할당하거나 스트럿 두께를 무작위로 할당하기 위해 사용될 수 있다. 비대칭성 또는 불균일 프로파일이 부품 파일 내에서 형성될 수 있고, 그 다음 불균일한 타일 또는 체적, 예컨대 도 11의 체적(1100) 내의 하나 이상의 스트럿을 형성하도록 하나 이상의 라인(1204)과 관련될 수 있다. 그러한 관련은 무작위적이거나, 선택적으로 미리 결정되거나, 무작위화된 스트럿들의 기본 체적 내의 모든 라인에 적용될 수 있다. 스트럿(1204)들은 또한 하나의 종점으로부터 다른 종점까지 테이퍼 각도 또는 가변 단면 형상이 무작위로 또는 비무작위로 할당될 수 있다. 설명된 바와 같이 각각의 스트럿에 상이한 형상 및/또는 치수를 제공하는 것은 전체 다공도의 완전한 제어를 유지하면서, 더 나은 강도, 생물학적 정착, 및 소주상 외관을 제공할 수 있다.

적어도, 지지체의 전체 체적이 무작위화된 시드 포인트들 사이에서 분할되기 전에, 무작위화된 시드 포인트들의 체적이 먼저 다중화되고 원하는 치수의 대체로 성형된 지지체를 형성하도록 타일링되는 개선예에서, 상이한 체적들을 일체화하기 위한 알고리즘은 필수적이지 않을 수 있고, 이는 공정이 이음매 없이 분할된 전체적인 지지체를 제작하기 때문이다. 그러나, 다른 개선예에서, 불리언 일체화 알고리즘(Boolean unite algorithm)이 필요하다면 더 통합된 지지체를 생성하기 위해 사용될 수 있다. 도 17-19를 참조하면, 타일(1702, 1802, 1902)들 중 하나가 생성된 후에, 체적(1100)(예컨대, 도 11)의 라인(1204)에 대한 데이터는 더 이상 필요치 않고, 파일 크기를 최소로 유지하기 위해 삭제될 수 있다. 하나의 변경예에서, 파일은 유니그래픽스™를 위한 원 파일(native file) 형식인 *.prt 또는 부품 파일로서 저장될 수 있다. 파라-솔리드(para-solid) 형식이 또한 채용될 수 있다.

도 17에서, 개별 타일(1702)은 10% 무작위화 한도로 무작위화된 스트럿을 갖는다. 다공성 구조물(1700)은 4개의 동일한 타일(1702)로 구성된다. 유사하게, 도 18 및 19에서, 타일(1802)은 20% 무작위도 한도로 무작위화된 스트럿을 갖고, 타일(1902)은 30% 무작위도 한도로 무작위화된 스트럿을 갖는다. 도 17-19가 동일한 타일 체적을 포함하는 다공성 구조물(1700, 1800, 1900)을 도시하지만, 이는 예로서 사용되고, 본 발명의 범주를 제한하지 않는다. 예를 들어, 일 실시예에서, 다공성 구조물은 0%, 10%, 20%, 30% 등의 한도로 무작위화된 타일들의 조합을 포함할 수 있다. 다른 개선예에서, 다공성 구조물은 상이한 형상을 갖는 타일들을 포함할 수 있고, 타일들은 동일한 무작위도 한도를 갖거나 그렇지 않을 수 있다.

타일(1702, 1802, 1902)은 도 17-19에 도시된 바와 같이 임의의 크기 또는 형상을 생성하기 위해 최외측 스트럿(1204)만이 중첩된 채로 한 줄씩 배열되어 적층될 수 있다. 타일 또는 체적(1702, 1802, 1902)은 이후에 사용하기 위한 대형 구조물을 생성하도록 조립될 수 있다. 불리언 일체화 알고리즘이 도 20에 도시된 바와 같이 2개의 타일(2002, 2004)로부터 이음매 없는 본체를 생성하기 위해 사용될 수 있다. 보이는 바와 같이, 타일(2002, 2004)들은 실질적으로 동일할 수 있거나, 타일(2002, 2004)들은 상이한 형상 및 무작위화일 수 있다. 예를 들어, 도 28a 및 28b는 상이한 최대 기공 크기를 구비한 2개의 타일을 갖는 다공성 구조물의 일례를 도시한다. 타일의 형상 또는 무작위화에 관계없이, 개시된 방법은 다공성 타일들 사이에서 이음매 없는 계면을 제공한다. 신속 제조 기계 또는 그러한 기계에 의해 사용되는 소프트웨어 내에서 타일링될 수 있는 개별 타일이 파일로서 전송될 수 있다. 개별 타일은 기계에 의해 해석된 다음 파일 크기를 최소화하기 위해 개별 3차원 타일링 위치로 맵핑될 수 있다. 본 기술 분야의 당업자에게 명백할 바와 같이, 3차원 타일은 도 17-19에 도시된 바와 같이 나란한 방식으로 놓일 필요가 없다. 위에서 설명된 바와 같이, 기계는 금속 '선택적' 레이저 소결 기계(SLS), 전자 빔 용융 기계(EBM), 또는 레이저 가공 순 성형(LENS™) 기계를 포함할 수 있다.

또한, 많은 소프트웨어 애플리케이션이 타일링/성형 작업을 수행하기 위해 작용할 것이다. 타일링은 유니그래픽스™와 같은 솔리드-모델링 프로그램, 고급 너브스(NURBS)™ 및 지오매직(GEOMAGIC)™과 같은 삼각측량 조작을 위해 사용되는 프로그램, 넷팹(NetFabb)과 같은 삼각측량 파일 형식 전용인 프로그램 내에서, 또는 *.stl 파일 자체 내에서 수동으로 수행될 수 있다. *.stl 파일은 임의의 개수의 본체를 구비한 병진 이동 및 복제될 수 있는 삼각측량된 솔리드의 표현일 뿐이다. 솔리드가 원하는 대로 타일링되고 조작되면, *.stl 파일 등이 신속 프로토타입 기계 내에서 사용될 수 있다. 원하는 구조물이 형성되면, 이는 *.stl(입체리소그래피) 형식과 같은 신속 프로토타입 기계에 의해 판독 가능한 형식으로 전송될 수 있다. 도 18-20에 개시된 구체적인 타일(1802, 1902, 2002)이 직사각형이고 이에 따라 어레이화되었지만, 개시된 방법은 구형 및 원통형 좌표 타일링과 같은 다수의 3차원의 타일링 패턴에 적용된다. 개시된 방법은 예를 들어 비구(acetabular) 컵 및 스템에 적용 가능하다.

도 17-19에 개시된 타일(1702, 1802, 1902)의 일 부분의 주사 전자 현미경(SEM) 사진이 도 21-22에 도시되어 있고, 도 18-20에 개시된 타일(1702, 1802, 1902)의 종래의 확대된 사진이 도 23-25에 도시되어 있다. 도 24는 무작위 스트럿 및 30% 무작위화 한도를 채용하여, EOS™ 금속 레이저 소결 기계 상에서 제조된 골간단 원추(metaphyseal cone)의 만곡된 부분의 사진이다. 도 23은 도 23에 도시된 골간단 원추의 상부의 사진이다. 도 25는 도 23-24에 도시된 골간단 원추의 원추 섹션의 사진이다. 다공성 구조물의 바람직한 실시예는 본 기술 분야의 당업자에게 공지된 바와 같이 60-85%의 다공도를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 본 발명의 기공의 평균 직경은 0.01 내지 2000 미크론의 범위 내이다. 더 바람직하게는, 기공의 평균 직경은 50 내지 1000 미크론의 범위 내이다. 가장 바람직하게는, 기공의 평균 직경은 400 내지 850 미크론의 범위 내이다. 도 21은 평균 기공 직경이 측정될 수 있는 한 가지 예시적인 방법을 도시한다. 평균 기공 직경은 전형적으로 SEM 이미지에 의해 포착된 더 큰 개방부의 평균 직경에 의해 측정된다. 다른 실시예에서, 평균 직경(2102)은 수평으로 또는 임의의 원하는 대각선 위치에서 측정될 수 있다. 더 작은 개방부 또는 창의 평균 직경 또한 측정될 수 있다.

개선예에서, 타일에 대한 평균 스트럿 두께는 약 100 ㎛ 내지 약 400 ㎛의 범위이다. 더 바람직하게는, 범위는 약 180 ㎛ 내지 약 300 ㎛이다. 다른 개선예에서, 평균 기공 크기(MVIL) 또는 천공 개방부 직경은 약 200 ㎛ 내지 약 1970 ㎛, 더 바람직하게는 100 ㎛ 내지 700 ㎛, 가장 바람직하게는 200 ㎛ 내지 450 ㎛의 범위이다. 또한, 스트럿 두께는 무작위화될 수 있고, 그리고/또는 기공 크기는 무작위화될 수 있다.

MVIL은 특히 기공 형상 및 크기가 균일하지 않은 구조물 내에서, 평균 기공 크기를 특징짓는 다른 방법인 평균 공극 교차 길이(Mean Void Intercept Length)를 의미한다. MVIL의 하나의 일반적으로 공지된 정의는 측정 그리드 라인이 기판 계면에 대해 평행하게 배향되는 것이다. 라인이 공극과 교차하는 횟수가 평균 공극 교차 길이를 계산하기 위해 체적% 공극과 함께 사용된다.

불리언 교차 및 불리언 일체화 함수가 도 26a-26c에 도시된 바와 같이 임플란트 또는 기판(2606)의 표면(2604) 상에 코팅(2602)을 도포하기 위해 도 17-19에서 개시된 1702, 1802, 1902에 도시된 것과 유사한 무작위화된 스트럿(1100)의 기본 체적(예컨대, 도 11) 또는 타일 구조물과 함께 채용될 수 있고, 데이터는 기판(2606) 데이터와 함께 또는 분리되어 제조 기계로 전송될 수 있다. 도 26a-26c에서, 기판(2606)은 다공성 코팅을 형성하기 위해 도 27에 도시된 복수의 타일(2702)로 코팅된 경골 트레이이다. 코팅(2602)의 불리언 교차 체적의 원하는 두께는 도 27에서 2704로 도시되어 있다. 도 26a에 도시된 다공성 재료의 체적 및 형상(2610)은 도 26a의 불리언 교차 체적(2610)을 충전하기 위해 도 27에 도시된 대형 타일(2702)을 도 26b에 도시된 소형 부분(2612)으로 변환하기 위해 불리언 교차 알고리즘 내에서 사용된다. 따라서, 불리언 교차 알고리즘을 사용하여, 도 27의 전체 타일(2702) 미만이 원하는 형상을 생성하기 위해 원하는 코팅 기하학적 형상의 부분(2612) 또는 불리언 교차 체적(2610)을 형성하기 위해 사용될 수 있다. 도 26c에 도시된 바와 같이, 불리언 일체화 함수가 실제 코팅(2602)이 구성될 때 다공성 재료의 부분(2612)을 주위 재료와 일체화하기 위해 사용될 수 있다. 대안적으로, 모든 타일(1100)(예컨대, 도 11) 또는 타일 구조물이 불리언 일체화를 사용하여 함께 접합된 다음 접합된 타일들을 모두 한번에 하위 섹션 내의 부분(2612)과 또는 전체적으로 교차시킬 수 있다. 도면에 도시되지는 않았지만, 무작위화된 스트럿들의 기본 체적, 예컨대 1100은 타일(2702) 대신에, 접합되어야 하는 부분(2612)을 생성하도록 사용될 수 있음을 알아야 한다. 이는 불리언 교차 체적(2610)이 기본 체적(1100)의 일체화 또는 비일체화 부분(2612)의 일부로 충전되도록 행해질 수 있다. 스트럿 두께(T)는 타일 부분(2612)의 라인(1204)들 중 하나 이상에, 이들을 일체화하기 전 또는 후에 할당될 수 있다. 대안적으로, 스트럿 두께(T)는 타일 부분(2612)이 기판(2606)과 개별적으로 또는 집합적으로 교차된 후에 라인(1204)들 중 하나 이상에 할당될 수 있다. 대안적인 실시예에서, 평면 또는 시트를 사용한 불리언 차이 또는 다듬질 작업이 또한 체적(2610)과 같은 원하는 형상을 생성하기 위해 사용될 수 있다. 다른 개선예에서, 스트럿 두께(T)가 할당될 수 있기 전에, 불리언 다듬질이 라인(1204)의 소정의 부분을 제거하기 위해 라인(1204) 상에서 수행될 수 있다. 설명된 바와 같이, 다공성 체적을 그의 최종 형상으로 분할하는 대안적인 방법은 다듬질 시트를 사용하여 솔리드 또는 전구체 라인을 교차 및 성형하는 조합을 포함할 수 있다. 대안적으로, 다듬질 시트에 의한 이러한 성형 또는 분할은 솔리드 및 다공성 재료를 신속 제조 기계에 의해 판독 가능한 형식으로 슬라이싱하거나 해석한 후에 수행될 수 있다.

위에서 언급된 바와 같이, 도 28a는 본 발명에 따른 이음매 없이 함께 접합된 2개의 타일(2802, 2804)을 갖는 다공성 구조물(2800)을 도시한다. 도 28b는 타일(2802)과 타일(2804) 사이의 이음매 없는 계면의 확대된 부분도이다. 도 28a-28b에 의해 예시되는 바와 같이, 타일(2802, 2804)은 모든 측면 상에서 이음매 없이 정합하는 주연부를 구비하여 설계되었다. 즉, 복수의 타일(2802, 2804)을 배열하는 임의의 섭동은 타일들 사이에서 임의의 구분 가능한 이음매를 갖지 않는 다공성 구조물을 생성한다. 예를 들어, 계면은 모든 타일(2802) 또는 모든 타일(2804) 또는 이들의 임의의 조합을 갖는 배열 사이에서 이음매가 없다. 아울러, 타일(2802)의 내측 스트럿은 타일(2804)의 스트럿과 상이하다. 예를 들어, 타일(2802)은 타일(2804)보다 더 적고, 더 큰 기공을 갖는다. 이음매 없는 계면은 스트럿들을 정합하도록 수동으로 조작하거나 임의의 노드 정합 알고리즘을 수행할 필요가 없이 생성되었다.

예시된 바와 같이, 본 발명은 2개의 타일의 스트럿들을 서로 정합하도록 수동으로 조작할 필요가 없이 2개의 상이한 지지체 유닛 타일들 사이의 이음매 없는 계면을 제공한다. 대신에, 몇몇 실시예에서, 이음매 없는 계면은 네거티브 공간, 즉 스트럿들 사이의 공간을 조작함으로써 생성되었다. 네거티브 공간 조작은 2개의 타일들 사이의 계면에서의 시드 포인트가, 형상 및 무작위화에 있어서 실질적으로 동일하든지 또는 실질적으로 상이하든지 간에, 서로 대응하도록 보장함으로써 달성될 수 있다. 예를 들어, 바람직하게는, 2개의 타일의 계면에서 외측 시드 포인트의 단지 하나의 공유된 하위 세트가 있어야 한다. 이는 내측 시드 포인트로부터 분리된 외측 시드 포인트를 무작위화하거나, 소정의 내측 시드 포인트의 무작위화를 제한하거나, 내측 시드 포인트를 추가 또는 제거함으로써, 적어도 달성될 수 있다. 네거티브 공간이 지지체를 형성하도록 분할된 후에, 스트럿은 상이한 타일들로 구성된 이음매 없는 다공성 구조물을 생성하도록 형상 및 크기가 주어질 수 있다. 바람직하게는, 지지체 이전에 경계를 공유하는, 상이하거나 그렇지 않은 2개의 시드 포인트 클라우드들이 지지체가 생성된 후에 스트럿을 공유할 것이다.

상기에 비추어, 본 발명은 무작위화를 위해 스트럿 자체를 조작하기보다는, 네거티브 공간, 즉 스트럿들 사이의 공간을 조작함으로써 무작위화된 다공성 구조물을 제조하기 위한 방법을 제공한다. 따라서, 본 발명의 방법은 복잡한 다공성 구조물의 시간 및 비용 효과적인 제조를 허용한다. 본 발명은 임의의 연결 유닛들 사이에서 이음매 없는 통합을 갖는, 무작위화된 기존의 구조물과 대조적인, 원래의 무작위화된 구조물을 제조하기 위한 방법을 제공한다. 결과적으로, 본 발명의 태양에 따라 생성된 다공성 구조물은 다른 균일한 다공성 구조물에서와 같은 스트럿이 두꺼워지도록 요구하지 않고서 개선된 강도를 제공한다. 아울러, 무작위화된 구조물은 스트럿 및 그의 교차부의 무작위화된 배치로 인해 향상된 응력 또는 진동 저항을 제공하고, 이에 의해 구조물이 전단 응력에 노출되는 경우에 균일한 구조물 내에서 존재하는 파단 평면을 제거한다. 추가로, 본 발명의 다공성 구조물의 개선된 복잡성은 소주상 특징의 유사성 및 개선된 다공도를 제공한다. 또한, 본 발명의 방법은 원하는 강도, 기공 분포, 평균 기공 크기, 다공도 등을 구비한 다공성 구조물의 단순하고 효율적인 커스터마이징을 허용한다.

또한, 본 발명은 시드 포인트를 무작위화하지 않고서 복수의 타일을 생성하고 조합하기 위해 사용될 수 있다. 타일들은 타일들이 동일하거나 대응하는 외측 시드 포인트를 갖고, 이음매 없는 계면이 공간이 분할될 때 형성될 수 있는 한, 단순한 구조로부터 복잡한 구조까지의 범위로, 실질적으로 동일하거나 실질적으로 상이한 형상 및/또는 크기를 가질 수 있다. 몇몇 실시예에서, 하나의 형상 또는 크기의 하나의 타일 사이에서 이음매 없는 통합을 생성하는 것은 시드 포인트들의 규칙적인 분포를 가질 수 있고, 다른 형상 및/또는 크기의 다른 타일은 타일들 사이의 경계에 가장 영향을 주는 시드 포인트, 즉 외측 시드 포인트의 양쪽 타일들 내에서 동일한 배치를 보장함으로써 행해질 수 있다. 예를 들어, 이음매 없는 다공성 구조물을 형성하기 위해 적층 가능한 타일로서 웨이어-펠란(Weaire-Phelan) 구조를 생성하는 것은 어렵다. 그러나, 본 명세서에서 설명된 방법은 그러한 작업을 달성하고 소프트웨어의 프로그래밍에 의한 그러한 공정의 자동화를 허용하기 위한 단순한 기술을 제공한다.

본 발명 및 그의 장점이 상세하게 설명되었지만, 다양한 변화, 대체, 및 변경이 첨부된 특허청구범위에 의해 한정되는 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어남이 없이 본원에서 이루어질 수 있음을 이해하여야 한다. 또한, 본 발명의 범주는 명세서에서 설명된 공정, 기계, 제조, 물질의 조성, 수단, 방법 및 단계의 특정 실시예로 제한되도록 의도되지 않는다. 본 기술 분야의 당업자가 본 발명의 개시 내용으로부터 쉽게 이해할 바와 같이, 본원에서 설명된 대응하는 실시예와 실질적으로 동일한 기능을 수행하거나 실질적으로 동일한 결과를 달성하는 기존에 존재하거나 이후에 개발될, 공정, 기계, 제조, 물질의 조성, 수단, 방법, 또는 단계가 본 발명에 따라 이용될 수 있다. 따라서, 첨부된 특허청구범위는 그러한 공정, 기계, 제조, 물질의 조성, 수단, 방법, 또는 단계를 그의 범주 내에 포함하도록 의도된다.

Claims (14)

1. 다공성 구조물을 제조하기 위한 방법이며,
   다공성 구조물의 모델을 생성하는 단계와,
   에너지원에 융합 가능한 재료를 노출시킴으로써 모델에 따라 다공성 구조물을 제조하는 단계를 포함하고,
   상기 생성 단계는,
   외측 경계 및 내측 체적을 갖는 3차원 공간을 형성하는 단계;
   외측 경계를 따라 복수의 외측 공간 좌표를 위치시키는 단계;
   내측 체적 내에 복수의 내측 공간 좌표를 위치시키는 단계;
   상기 복수의 외측 공간 좌표 및 상기 복수의 내측 공간 좌표 중 하나로부터의 적어도 하나의 공간 좌표를 이동시키는 단계;
   외측 및 내측 공간 좌표들 중에서 3차원 공간의 체적을 분할하는 단계;
   지지체를 형성하도록 하나 이상의 스트럿 및 하나 이상의 노드에 의해 상기 분할된 체적의 일 부분의 경계를 형성하는 단계로서, 각각의 스트럿은 제1 단부, 제2 단부, 및 각각의 스트럿에 대한 제1 및 제2 단부들 사이의 연속적인 신장된 본체를 갖고, 각각의 노드는 적어도 2개의 스트럿의 교차부인, 단계; 및
   하나 이상의 스트럿에 대한 적어도 하나의 두께 및 적어도 하나의 형상을 선택하는 단계를 포함하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 이미 무작위화된 내측 및 외측 공간 좌표를 갖는 제1 3차원 공간의 복제물인 제2 3차원 공간을 제공하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 복수의 외측 공간 좌표 및 상기 복수의 내측 공간 좌표 중 하나로부터의 적어도 하나의 공간 좌표를 이동시키는 단계는 상기 적어도 하나의 공간 좌표를 미리 결정된 무작위화 한도 내에서 수행되는 무작위화 방향으로 유한 거리로 이동시키는 단계를 포함하는 방법.
4. 제3항에 있어서, 하나 이상의 공간 좌표의 미리 결정된 무작위화 한도는 하나의 다른 공간 좌표의 위치에 적어도 기초하는 방법.
5. 제4항에 있어서, 다른 공간 좌표는 상기 하나 이상의 공간 좌표에 대한 가장 근접한 이웃인 방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 복수의 외측 공간 좌표 및 상기 복수의 내측 공간 좌표 중 하나로부터의 적어도 하나의 공간 좌표를 이동시키는 단계는 미리 결정된 무작위화 한도 내에서 수행되고, 하나의 3차원 공간의 무작위화된 하나 이상의 외측 공간 좌표는 제2 3차원 공간 상의 각각의 하나 이상의 외측 공간 좌표와 정합하는 방법.
7. 제1항에 있어서, 모든 내측 및 외측 공간 좌표들 사이의 공간을 분할하기 위해 무작위화된 내측 및 외측 공간 좌표에 보로노이 테슬레이션을 적용하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
8. 다공성 구조물이며,
   복수의 스트럿으로서, 각각의 스트럿은 제1 단부; 제2 단부; 및 상기 제1 및 제2 단부들 사이의 두께 및 길이를 갖는 연속적인 신장된 본체를 포함하는, 복수의 스트럿과,
   적어도 2개의 스트럿의 교차부를 각각 포함하는 복수의 노드를 포함하고,
   상기 복수의 스트럿 및 노드는 형성된 체적의 복수의 공간 좌표들 사이의 공간을 분할함으로써 생성된 모델로부터 형성되고, 상기 복수의 공간 좌표는 미리 결정된 무작위화 한도에 따라 무작위 방향 및 무작위 유한 거리로 이동된 다공성 구조물.
9. 제8항에 있어서, 상기 복수의 공간 좌표는 상기 형성된 체적의 경계를 따라 위치된 복수의 외측 공간 좌표 및 상기 형성된 체적의 내부에 위치된 복수의 내측 공간 좌표를 포함하는 다공성 구조물.
10. 제8항에 있어서, 무작위화된 공간 좌표들의 상기 형성된 체적은 복수의 타일을 포함하고, 각각의 타일은 미리 결정된 무작위화 한도에 따라 무작위화된 복수의 공간 좌표를 갖는 3차원 공간을 포함하는 다공성 구조물.
11. 제10항에 있어서, 상기 복수의 타일들은 서로 실질적으로 동일한 다공성 구조물.
12. 제10항에 있어서, 상기 복수의 타일들 중 일부는 실질적으로 이음매 없이 함께 접합되는 다공성 구조물.
13. 제8항에 있어서, 하나 이상의 공간 좌표의 미리 결정된 무작위화 한도는 하나의 다른 공간 좌표의 위치에 적어도 기초하는 다공성 구조물.
14. 제8항에 있어서, 미리 결정된 무작위화 한도는 하나 이상의 공간 좌표에 적용되고, 상기 미리 결정된 무작위화 한도는 상기 하나 이상의 공간 좌표의 무작위 이동을 상기 하나 이상의 공간 좌표 주위의 형성된 공간 내로 제한하는 다공성 구조물.

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