RU2689794C1 - Porous structure for medical implants - Google Patents
Porous structure for medical implants Download PDFInfo
- Publication number
- RU2689794C1 RU2689794C1 RU2018101753A RU2018101753A RU2689794C1 RU 2689794 C1 RU2689794 C1 RU 2689794C1 RU 2018101753 A RU2018101753 A RU 2018101753A RU 2018101753 A RU2018101753 A RU 2018101753A RU 2689794 C1 RU2689794 C1 RU 2689794C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- porosity
- porous structure
- implants
- spheres
- titanium
- Prior art date
Links
- 239000007943 implant Substances 0.000 title claims abstract description 35
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 10
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 9
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims abstract description 9
- 229910001069 Ti alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- 230000000399 orthopedic effect Effects 0.000 claims description 5
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 abstract description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 3
- 238000005457 optimization Methods 0.000 abstract description 2
- 239000000654 additive Substances 0.000 abstract 1
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 abstract 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 20
- 239000000463 material Substances 0.000 description 7
- 210000000988 bone and bone Anatomy 0.000 description 5
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 5
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 5
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 4
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 4
- -1 titanium-aluminum-vanadium Chemical compound 0.000 description 4
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 3
- 238000005266 casting Methods 0.000 description 3
- 238000007620 mathematical function Methods 0.000 description 3
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 3
- QNRATNLHPGXHMA-XZHTYLCXSA-N (r)-(6-ethoxyquinolin-4-yl)-[(2s,4s,5r)-5-ethyl-1-azabicyclo[2.2.2]octan-2-yl]methanol;hydrochloride Chemical compound Cl.C([C@H]([C@H](C1)CC)C2)CN1[C@@H]2[C@H](O)C1=CC=NC2=CC=C(OCC)C=C21 QNRATNLHPGXHMA-XZHTYLCXSA-N 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000005242 forging Methods 0.000 description 2
- 238000007734 materials engineering Methods 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 2
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 2
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000010146 3D printing Methods 0.000 description 1
- 229910000684 Cobalt-chrome Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001257 Nb alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001347 Stellite Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000883 Ti6Al4V Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000756 V alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 238000000149 argon plasma sintering Methods 0.000 description 1
- 239000012620 biological material Substances 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 230000001413 cellular effect Effects 0.000 description 1
- 210000003850 cellular structure Anatomy 0.000 description 1
- AHICWQREWHDHHF-UHFFFAOYSA-N chromium;cobalt;iron;manganese;methane;molybdenum;nickel;silicon;tungsten Chemical compound C.[Si].[Cr].[Mn].[Fe].[Co].[Ni].[Mo].[W] AHICWQREWHDHHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010952 cobalt-chrome Substances 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 238000013016 damping Methods 0.000 description 1
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 1
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 230000035784 germination Effects 0.000 description 1
- 230000001788 irregular Effects 0.000 description 1
- 210000000629 knee joint Anatomy 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 description 1
- 230000000877 morphologic effect Effects 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 239000012255 powdered metal Substances 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 230000004083 survival effect Effects 0.000 description 1
- 210000001519 tissue Anatomy 0.000 description 1
- 238000010313 vacuum arc remelting Methods 0.000 description 1
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
- A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
- A61L27/50—Materials characterised by their function or physical properties, e.g. injectable or lubricating compositions, shape-memory materials, surface modified materials
- A61L27/56—Porous materials, e.g. foams or sponges
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
- A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
- A61F2/02—Prostheses implantable into the body
- A61F2/28—Bones
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
- A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
- A61F2/02—Prostheses implantable into the body
- A61F2/30—Joints
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
- A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
- A61L27/02—Inorganic materials
- A61L27/04—Metals or alloys
- A61L27/06—Titanium or titanium alloys
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Public Health (AREA)
- Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
- Transplantation (AREA)
- Veterinary Medicine (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Animal Behavior & Ethology (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Epidemiology (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Dermatology (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Vascular Medicine (AREA)
- Heart & Thoracic Surgery (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Cardiology (AREA)
- Orthopedic Medicine & Surgery (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Dispersion Chemistry (AREA)
- Prostheses (AREA)
- Materials For Medical Uses (AREA)
Abstract
Description
Предлагаемое изобретение относится к области медицины, а именно к травматологии и ортопедии.The present invention relates to the field of 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, which are core systems and made of titanium or titanium alloys by casting [1] or rolling [2]. They are used mainly for prosthetic knee joints. The structure of titanium casting or rolling 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-die 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 structures of implants is the lack of pores that can perform several functions. First, the presence of pores reduces the mass of the implant, bringing it closer to the mass of bone material. Secondly, a certain architecture of the location of the pores allows to improve the compatibility with the bone due to the germination of bone tissue in the pore space. Thirdly, porous structures provide a more acceptable level of physical and mechanical properties for implants: elasticity, damping, etc. [four].
Такой недостаток устранен в других технических объектах, которые представляют собой пористые структуры, создаваемые тем или иным способом.This disadvantage is eliminated in other technical objects, which are porous structures created in one way or another.
Например, патентами US 2017252165 [5] и RU 2576610 [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 US 2017252165 [5] and RU 2576610 [6] proposed a group of inventions in which the porous structure of the implant contains a number of branches, each branch having a first end, a second end and a continuous elongated body between said first and second ends, and the specified body has a thickness and length; and contains a number of nodes, each node contains the intersection of one of the ends of the first branch with the body of the second branch, with no more than two branches intersecting at each node. The implant of such a construction thus has an open porosity, i.e. all its pores communicate with the external environment either by themselves or through neighboring 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 the implants are repeatedly complicated by various methods. Patents [7, 8] provide for the creation of a surgical implant that provides improved bone compatibility and / or resistance to wear. The implant consists of surface and central areas. The proportion of the pore volume within the porous surface region is from 20 to 50%. The pores are interconnected and are substantially evenly distributed within the porous surface area. At least some of the pores have a size in the range of 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 a different pore size distribution and / or a different proportion of the pore volume, so that within the porous surface region there is a gradient of pore sizes and / or fraction of the pore volume. The core area has a density of from 0.7 to 1.0 of 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-chrome-based alloys. The core area and / or the porous surface area are made of Ti-6Al-4V, Ti-6Al-7Nb, Stellite 211 alloys or 316L stainless steel.
В соответствии с патентом US 7674426 [9] пористая биосовместимая металлическая деталь (ортопедический имплантат) содержит металлическую матрицу с порами с 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 the patent US 7674426 [9], a porous biocompatible metal part (orthopedic implant) contains a metal matrix with pores with a removable other material. The material to be removed is removed before sintering the first powdered metal. In the final version of the manufacture of porosity ranges from 50% to 90%. The disadvantage of analog is the irregular type of pores and unevenly distributed porosity.
По патенту US 2011125284 [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 US patent 2011125284 [10], the implant has a porous part, which is defined by a plurality of solid areas where the material is present, and the remaining plurality of pore areas where there is no material, the locations of at least most of the plurality of solid areas 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 part is performed by the process of manufacturing solid free forms. With the help of the above mathematical functions, an implant can be represented as a cellular body, the nodes of which are part of stereographic polygons repeating 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 физико-механических 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) published the results of the study additively made 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 a truncated cube, a truncated cubooctahedron, a rhombic cuboctahedron, and a rhombic dodecahedron. Changing the shape of the unit cell allows you to adjust the level of physico-mechanical characteristics, including the elastic modulus. Thus, the development of new structures of porous implants is carried out along the path of changing the configuration of the cellular structure. A 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.
Наиболее близким аналогом к заявляемому объекту является объект, описанный в источнике [12]. Он представляет собой пористую структуру, содержащую набор сфер, соединенных между собой по границам соприкосновения. Соединение достигается режимом спекания, при котором происходит диффузионная сварка соседних частиц (сфер). Схема такого решения показана на фиг. 1 в виде совокупности частиц (сфер) 1, с наличием промежутков между ними 2. Можно показать, что пористость, достигаемая при такой сборке частиц, не может превысить 50%, иначе исчезнут контакты между соседними частицами и они перестанут удерживаться в общей совокупности. Поэтому недостатком такого технического решения является невысокий уровень пористости, что сообщает имплантату слишком высокий уровень жесткости (повышенный модуль упругости).The closest analogue to the claimed object is the object described in the source [12]. It is a porous structure containing a set of spheres interconnected along the boundaries of contact. The connection is achieved by sintering mode, in which diffusion welding of adjacent particles (spheres) takes place. A diagram of such a solution is shown in FIG. 1 as a set of particles (spheres) 1, with gaps between them 2. It can be shown that the porosity achieved with such an assembly of particles cannot exceed 50%, otherwise the contacts between adjacent particles will disappear and they will no longer be held together. Therefore, the disadvantage of this technical solution is the low level of porosity, which indicates to the implant too high a level of rigidity (increased modulus of elasticity).
Задачей изобретения является улучшение упругих свойств имплантатов.The objective of the invention is to improve the elastic properties of the implants.
Это достигается тем, что в отличие от известного технического решения, каждая сфера пористой структуры имеет полость, не сообщающуюся с атмосферой.This is achieved by the fact that, in contrast to the known technical solution, each sphere of a porous structure has a cavity that is not connected with the atmosphere.
Наличие в каждой сфере полости, не сообщающейся с атмосферой, позволяет увеличить общую пористость структуры. При этом поры между сферами образуют открытую пористость, сообщающуюся с атмосферой. Полости в каждой сфере образуют закрытую пористость, не сообщающуюся с атмосферой. Каждый из видов пористости выполняет свою функцию.The presence of a cavity in each sphere that does not communicate with the atmosphere makes it possible to increase the overall porosity of the structure. At the same time, the pores between the spheres form an open porosity, communicating with the atmosphere. The cavities in each sphere form a closed porosity that is not associated with the atmosphere. Each type of porosity performs its function.
Наличие закрытой пористости обеспечивает повышение общей пористости, что в свою очередь, приводит к требуемому снижению модуля упругости.The presence of closed porosity provides an increase in total porosity, which in turn leads to the required reduction of the modulus of elasticity.
Открытая пористость в имплантатах позволяет осуществить проникновение живых тканей организма, что улучшает приживаемость. Если поры остаются не заполненными, то в этом случае возможно проявление дросселирования газов через поровое пространство, что само по себе позволяет уравновесить внешнее и внутреннее давление, кроме того, сопротивление, которое возникает при дросселировании, способно при упругом нагружении временно повышать жесткость конструкции в целом [13].Open porosity in implants allows the penetration of living tissues of the body, which improves survival. If the pores remain empty, in this case, gas can be throttled through the pore space, which in itself allows the external and internal pressure to be balanced, in addition, the resistance that occurs during throttling can temporarily increase the rigidity of the structure as a whole [ 13].
Можно рассчитать объем Vc сферы радиусом R с помощью формулыYou can calculate the volume V c of a sphere of radius R using the formula
Vc=4/3πR3,V c = 4 / 3πR 3 ,
при этом сферу можно вписать в куб со сторонами a=2R, объем которого определяется формулойthe sphere can be inscribed in a cube with sides a = 2R, the volume of which is determined by the formula
Vк=а 3=8R3 V k = a 3 = 8R 3
Пористость такой конструкции будет определяться формулойThe porosity of this design will be determined by the formula
Для имплантатов желательно обеспечить пористость выше 50%, что позволяет снизить модуль упругости, но в этом случае это сделать не удается, поскольку тогда должны появиться промежутки между контактирующими сферами, и нечем будет фиксировать расстояние между ними.For implants, it is desirable to provide porosity above 50%, which allows to reduce the modulus of elasticity, but in this case it cannot be done, because then there should appear gaps between the contacting spheres, and there will be nothing to fix the distance between them.
В заявляемом техническом решении предлагается увеличить пористость конструкции из соединенных между собой сфер созданием внутренней пористости в самих сферах. Если представить себе, что толщина оболочки полой сферы очень мала, то пористость в этом случае приближается к 100%. Соответствующим образом будет снижен модуль упругости.In the claimed technical solution it is proposed to increase the porosity of the structure from interconnected spheres by creating internal porosity in the spheres themselves. If we imagine that the thickness of the shell of a hollow sphere is very small, then the porosity in this case approaches 100%. The elastic modulus will be reduced accordingly.
При выполнении полости в сфере радиусом Rп=0,7 R объем полой сферы окажется равнымWhen performing a cavity in a sphere of radius R n = 0.7 R, the volume of the hollow sphere will be equal to
Тогда пористость такой конструкции будет определяться формулойThen the porosity of such a structure will be determined by the formula
что на 18% больше, чем по прототипу. Изменяя соотношение между Rп и R, можно добиться оптимальных значений физико-механических характеристик.which is 18% more than the prototype. By changing the ratio between R p and R, it is possible to achieve optimal values of physical and mechanical characteristics.
К настоящему времени выполнены исследования [14], позволяющие связать уровень пористости титановых порошковых имплантатов с модулем упругости. Соответствующая зависимость приведена на фиг. 3. Из нее видно, что востребованным интервалом модулей упругости в области создания имплантатов является диапазон 4…30 ГПа. С величиной достоверности аппроксимации 0,9981 зависимость модуля упругости Е от пористости Р описывается функцией следующего видаTo date, studies have been carried out [14], which makes it possible to associate the porosity level of titanium powder implants with the elastic modulus. The corresponding relationship is shown in FIG. 3. It can be seen from it that the required interval of elastic moduli in the field of implant creation is the range of 4 ... 30 GPa. With an approximation confidence value of 0.9981, the dependence of the elastic modulus E on the porosity P is described by a function of the following type
Расчет по вышеприведенной формуле показывает, что для получения модуля упругости на уровне 4 ГПа, что является минимальной величиной для кости человека, следует обеспечить пористость на уровне 90…95%, что является недостижимым при использовании технического решения по прототипу. В условиях предлагаемого технического решения при использовании формулы (2) при Rп=0,9 R получимThe calculation according to the above formula shows that to obtain a modulus of elasticity at 4 GPa, which is the minimum value for human bone, porosity should be at the level of 90 ... 95%, which is unattainable when using the prototype technical solution. In terms of the proposed technical solution when using the formula (2) with R p = 0.9 R we get
что приближено к необходимому минимальному значению модуля упругости.which is close to the required minimum value of the modulus of elasticity.
В предлагаемой пористой структуре для медицинских имплантатов полости могут иметь различную форму, (например, куба), но предпочтительно полости выполнены сферическими, что позволяет добиться лучшей изотропности физико-механических характеристик.In the proposed porous structure for medical implants, the cavities can have various shapes (for example, a cube), but preferably the cavities are spherical, which allows for better isotropy of the physicomechanical characteristics.
В предлагаемой пористой структуре для медицинских имплантатов центры сфер и центры полостей могут не совпадать, что создает эксцентриситет, в результате толщина стенки полых сфер оказывается различной. Предпочтительно центры сфер и центры полостей должны совпадать, что позволяет добиться лучшей однородности физико-механических характеристик.In the proposed porous structure for medical implants, the centers of the spheres and the centers of the cavities may not coincide, which creates an eccentricity, as a result, the wall thickness of the hollow spheres turns out to be different. Preferably, the centers of the spheres and the centers of the cavities should coincide, which allows for better homogeneity of the physicomechanical characteristics.
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.Currently, metal implants are trying to produce 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 представлено сечение пористой структуры по прототипу; на фиг. 2 - сечение пористой структуры по предлагаемому техническому решению, на фиг. 3 представлена диаграмма зависимости модуля упругости пористых тел от величины пористости..FIG. 1 shows the cross section of the porous structure of the prototype; in fig. 2 is a cross section of a porous structure according to the proposed technical solution; FIG. 3 shows a diagram of the dependence of the elastic modulus of porous bodies on the magnitude of porosity ..
Предлагаемая пористая структура для медицинских имплантатов содержит набор сфер 1, имеющих площадки контакта между собой. При этом каждая сфера 1 имеет полость 3, не сообщающуюся с атмосферой. Между сферами имеются промежутки 2, сообщающиеся с атмосферой, поэтому они образуют открытую пористость. Полости 3 не сообщаются с атмосферой, поэтому они образуют закрытую пористость.The proposed porous structure for medical implants contains a set of
Предлагаемая пористая структура может быть получена следующим образом. Создают компьютерную объемную модель имплантата, содержащего полые сферы. С помощью установки лазерного спекания с использованием технологий 3D печати из металлического порошка, например, титанового, изготавливают структуру, содержащую открытую и закрытую пористость. При этом нужный уровень пористости подбирается за счет изменения размера полостей в сферах.The proposed porous structure can be obtained as follows. Create a computerized volume model of an implant containing hollow spheres. With the help of laser sintering using a 3D printing technology, a structure containing an open and closed porosity is made from metal powder, for example, titanium. In this case, the desired level of porosity is selected by changing the size of the cavities in the spheres.
Техническим результатом предлагаемой конструкции пористой структуры для медицинских имплантатов является улучшение упругих характеристик имплантатов за счет возможности дополнительной оптимизации пористости.The technical result of the proposed design of the porous structure for medical implants is to improve the elastic characteristics of the implants due to the possibility of additional optimization of porosity.
Claims (1)
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PCT/RU2017/001011 WO2019132705A1 (en) | 2017-12-29 | 2017-12-29 | Porous structure for medical implants |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2689794C1 true RU2689794C1 (en) | 2019-05-29 |
Family
ID=67037580
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018101753A RU2689794C1 (en) | 2017-12-29 | 2017-12-29 | Porous structure for medical implants |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| EA (1) | EA038743B1 (en) |
| RU (1) | RU2689794C1 (en) |
| WO (1) | WO2019132705A1 (en) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112075990B (en) * | 2020-09-29 | 2024-07-02 | 华侨大学 | Calcaneus prosthesis with sphere porous filling structure and optimal design method thereof |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU94004854A (en) * | 1994-02-08 | 1996-08-10 | В.К. Шолег | Intraosseous dental implant and method of its manufacture |
| US7674426B2 (en) * | 2004-07-02 | 2010-03-09 | Praxis Powder Technology, Inc. | Porous metal articles having a predetermined pore character |
| CN102548509B (en) * | 2009-08-19 | 2016-09-21 | 史密夫和内修有限公司 | Porous implant structures |
| ES2885759T3 (en) * | 2011-09-20 | 2021-12-15 | Evonik Operations Gmbh | Procedure for the production of lightweight, ceramic materials |
| DE102013004574A1 (en) * | 2013-03-11 | 2014-09-11 | Johnson & Johnson Medical Gmbh | Surgical implant |
| RU144672U1 (en) * | 2014-03-24 | 2014-08-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) | INTRA-VISIBLE IMPLANT WITH BIOCOMPATIBLE COATING |
-
2017
- 2017-12-29 EA EA201800024A patent/EA038743B1/en unknown
- 2017-12-29 WO PCT/RU2017/001011 patent/WO2019132705A1/en active Application Filing
- 2017-12-29 RU RU2018101753A patent/RU2689794C1/en active IP Right Revival
Non-Patent Citations (1)
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EA038743B1 (en) | 2021-10-13 |
| WO2019132705A1 (en) | 2019-07-04 |
| EA201800024A1 (en) | 2019-07-31 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Chen et al. | 3D printed porous Ti6Al4V cage: Effects of additive angle on surface properties and biocompatibility; bone ingrowth in Beagle tibia model | |
| Tan et al. | Metallic powder-bed based 3D printing of cellular scaffolds for orthopaedic implants: A state-of-the-art review on manufacturing, topological design, mechanical properties and biocompatibility | |
| Pei et al. | 3D printed titanium scaffolds with homogeneous diamond-like structures mimicking that of the osteocyte microenvironment and its bone regeneration study | |
| US12102539B2 (en) | Methods of designing three-dimensional lattice structures for implants | |
| CN105877874B (en) | Porous bone ware of Bionic Design class bone and preparation method thereof | |
| Murr | Open-cellular metal implant design and fabrication for biomechanical compatibility with bone using electron beam melting | |
| Han et al. | Porous tantalum and titanium in orthopedics: a review | |
| US6993406B1 (en) | Method for making a bio-compatible scaffold | |
| Avila et al. | Additive manufacturing of titanium and titanium alloys for biomedical applications | |
| TWI607736B (en) | Intervertebral implant and its manufacturing method | |
| CN106344221A (en) | Bonelike porous biomechanical bionic designed spinal fusion device and preparation method and use thereof | |
| JP2016525415A (en) | Surgical implant device incorporating a porous surface | |
| Shen et al. | A numerical investigation of porous titanium as orthopedic implant material | |
| WO2006091097A2 (en) | Two-dimensional and three-dimensional structures with a pattern identical to that of e.g. cancellous bone | |
| Yang et al. | Design and analysis of three-dimensional printing of a porous titanium scaffold | |
| Zhao et al. | Ti-6Al-4V lattice structures fabricated by electron beam melting for biomedical applications | |
| Zumofen et al. | Properties of additive-manufactured open porous titanium structures for patient-specific load-bearing implants | |
| RU2689794C1 (en) | Porous structure for medical implants | |
| RU209141U1 (en) | AUGMENT FOR IMPLANTATION | |
| Sing et al. | Concepts of selective laser melting for orthopaedic implants | |
| RU2708871C1 (en) | Cellular structure of implants | |
| Eldesouky et al. | Femoral hip stem with additively manufactured cellular structures | |
| Almeida et al. | Tensile and shear stress evaluation of schwartz surfaces for scaffold design | |
| Garczyk et al. | Three-dimensional model for assessing the pore volume of biomaterials intended for implantation | |
| WO2020017988A1 (en) | Augment for implantation |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20191230 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20201118 |