一种低模量医用植入多孔支架结构制造技术

本实用新型专利技术涉及一种多孔支架结构，特别涉及一种低模量医用植入多孔支架结构，属于医用植入材料领域。该低模量医用植入多孔支架结构由多个基本单元在三维空间沿三维方向依次叠加而成，每个基本单元是由四个或六个侧壁所包围形成的具有中心连通孔的四棱柱体或六棱柱体构成，每个侧壁均是由两根棱条交叉形成的“X型”框架结构构成，沿四棱柱体或六棱柱体轴线方向相邻排列的基本单元的中心连通孔相互连通。该结构不仅降低了植入体模量，使植入体模量与强度实现理想匹配，改进了传统金属植入体的构型，使其力学分布优化，应力遮挡效应减弱；而且该结构具有规则通孔结构，有利于骨组织长入，并能增加骨组织与植入体的相互锁固，缩短患者的康复时间。

【技术实现步骤摘要】
一种低模量医用植入多孔支架结构
本技术涉及一种多孔支架结构，特别涉及一种低模量医用植入多孔支架结构，属于医用植入材料领域。
技术介绍
在骨折或骨坏死等骨质疾病治疗和修复领域，尤其在对承力骨的治疗和修复方面，植入物替换病死骨手术是常见的预防骨质疾病进一步恶化、避免后期骨折甚至致残的有效方法。目前，常见的植入物主要包括自体骨、异体骨、生物陶瓷、有机高分子聚合物、可降解材料和金属材料等。由于自体骨移植存在供区疼痛、来源有限的缺点，异体骨移植存在免疫反应和病毒传染的可能，生物陶瓷存在本征脆性，有机高分子聚合物强度过低，可降解材料尚处于实验室研究阶段等问题，这些材料在承力骨的治疗和修复方面均未能得到广泛应用。而金属材料，如不锈钢、Co-Cr基合金、钛基合金等，由于可以提供良好的力学性能，并且兼具耐蚀性和生物相容性等，因此在临床一直被广泛应用。 但是，由于金属材料的模量(不锈钢:约200GPa, Co-Cr基合金:约230GPa,钛基合金:50-110GPa)明显要高于骨组织模量(皮质骨的模量范围约为2_25GPa)，这将引起所谓“应力遮挡效应”，即应力主要通过金属植入体传递。此时，金属植入体周围骨组织长期将承受低负荷状态，这将导致骨质吸收而造成骨质疏松，这种情况下植入体极易松动，骨组织受力时也容易发生骨折。目前，“应力遮挡效应”是缩短金属植入体服役时间的重要原因，无形地增加了患者植入体的置换次数，同时给患者增加了病痛和治疗时间。 针对植入体在治疗骨质疾病过程中出现的“应力遮挡”问题，首先要解决植入体本身的模量问题，即要求植入体模量降低至能与骨组织模量相匹配的程度。现有技术是将材料制备成多孔状来降低材料整体的表观模量，但这么做的同时，材料的强度、塑性等也会随着孔隙率的增加而发生大幅度下降，因此按照现有技术所制备的多孔材料很难达到低模量与高强度的理想匹配。另外，经研究发现，多孔结构具有高渗透性，作为植入物将有利于骨细胞黏附，营养物质传递和促进新生骨组织长入等。但是，现有技术中这些金属多孔材料孔径尺寸及分布呈随机状态，区别于人体取向生长的骨组织形态；同时，随机分布的各向同性的孔不仅不支持骨细胞、骨组织长入，而且在应力分布上，应力大的方向和应力小的方向没有区分；另外，这些多孔金属材料加工工艺复杂，常存在内部缺陷，并且可能掺杂对人体健康不利的物质等。
技术实现思路
为了克服上述现有技术中的结构在骨缺损或坏死治疗中存在的问题，本技术提出一种低模量医用植入多孔支架结构，该结构不仅降低了植入体模量，使植入体模量与强度实现理想匹配，改进了传统金属植入体的构型，使其力学分布优化，应力遮挡效应减弱；而且该结构具有规则通孔结构，有利于骨组织长入，并能增加骨组织与植入体的相互锁固，缩短患者的康复时间。 本技术的技术方案如下: —种低模量医用植入多孔支架结构，它由多个基本单元在三维空间沿三维方向依次叠加而成，每个基本单元是由四个或六个侧壁所包围形成的具有中心连通孔的四棱柱体或六棱柱体构成，每个侧壁均是由两根棱条交叉形成的“X型”框架结构构成，沿四棱柱体或六棱柱体轴线方向相邻排列的基本单元的中心连通孔相互连通。 首先，对于承力骨缺损治疗，采用该支架结构的植入体具有与骨组织匹配的模量，能降低或避免发生治疗过程中易出现的“应力遮挡效应”，同时材料的强度足够提供力学支承； 其次，该支架结构的孔隙率高，具有高渗透性，应用在植入物上将有利于骨细胞黏附，营养物质传递和促进新生骨组织长入； 第三，具有中心连通孔的四棱柱体或六棱柱体在垂直方向上堆积，中心连通孔形成了具有取向性的上下连通的中空导管，有利于成骨细胞、成软骨细胞、成纤维细胞及毛细血管沿导管方向增殖向分化成骨方向发展，对骨愈合有利。 所述棱柱所述棱条的横截面可以采用实心圆形、实心椭圆形或者实心多边形，以满足不同情况下对于植入物的不同需求；或者，所述棱条的横截面也可以采用中空圆环、中空椭圆环或者中空多边形环，在边界条件和受载一样的情况下且所需的强度一样大时，空心棱柱与实心棱柱相比较，空心棱柱所用材料较少，节省材料的同时还能减轻自重，并进一步降低模量。 所述中心连通孔的横截面的内接圆半径为150μπι-750μπι，有利于成骨细胞、成软骨细胞及骨组织长入，增加骨组织与支架材料的相互锁固；内接圆半径过小，例如小于150 μ m时，成骨细胞、成软骨细胞及骨组织不容易长入，内接圆半径过大，例如大于750 μ m时，成骨细胞、成软骨细胞及骨组织不易挂载在中心连通孔上下连通形成的中空导管内壁上，容易脱落。另外，支架结构中心连通孔的横截面的内接圆半径的变化不是孤立的，是由结构内部参数决定的，其关系如下: 对于六棱柱体有: r = 0.866a_t 对于四棱柱有: r = 0.5a_t 其中r为中心连通孔的横截面的内接圆半径，t为棱条厚度或棱条横截面的等效圆直径，a为四棱柱体或六棱柱体的底边边长。 选择不同材料(Ta:183GPa、Zr:99GPa、a-T1: llOGPa、医用 316 不锈钢:193GPa、羟基磷灰石:165GPa、Co-Cr-Mo:248GPa、Co-Cr-W:232GPa、Co-基:194GPa、Mg: 44GPa)，按上述方案模拟支架整体模量与支架材料本征模量及结构参数关系发现:结构一定，不同材料支架的整体模量与支架材料本征模量成正比；材料一定，改变结构内部棱条横截面的等效圆直径与所述棱条的长度的比值，支架的整体模量随其增加而增加；材料一定，改变四棱柱体或六棱柱体的高度与所述四棱柱体或六棱柱体的侧壁底边边长的比值，支架的整体模量随其增加而增加。为了使不同材料支架整体模量处于2-30GPa的范围要求，所述棱条的横截面的等效圆直径与所述棱条的长度的比值为0.1-0.5 ;所述四棱柱体或六棱柱体的高度与所述四棱柱体或六棱柱体的侧壁底边边长的比值为1.0-2.5。 由于植入体植入后在垂直方向上的骨组织引导或诱导、血管组织的生成以及营养物质输运将大于水平方向上的需要，因此，所述中心连通孔的横截面面积最好大于所述侧壁上的“X型”框架结构的孔隙的横截面面积。 本技术所提供的一种低模量医用植入多孔支架结构的原理如下: (一)模量的控制: 对于实体材料，模量一般属于结构不敏感属性，很难再通过成分、工艺或组织的调整进行大幅度改变；而对于多孔材料，其整体的表观模量可以通过孔隙率的变化进一步调整，但这种调整常常会大幅度地牺牲材料强度，这将导致高孔隙率材料往往无法满足高强度要求的场合。伴随3D打印技术的出现，材料的孔隙结构及尺寸可以得到精确控制。相对于传统方法，3D打印技术实际为多孔材料设计增加了控制因素，这就意味着材料的模量与强度可以通过孔隙参数的设计进行控制，实现材料模量与强度的理想匹配。 对于承力骨缺损治疗，不但要求植入体具有能与骨组织匹配的模量以降低或避免发生治疗过程中易出现的“应力遮挡效应”，而且要求材料具有足够的强度以提供力学支承，因此多孔植入体一般同时要满足低模量和高强度的双重设计要求。本专利选择“X型”结构作为基本框架堆垛三维多孔支架，通过支架参数的控制实现足够力学支承的同时对支架的模量进行精确控制本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低模量医用植入多孔支架结构，其特征在于：它由多个基本单元在三维空间沿三维方向依次叠加而成，每个基本单元是由四个或六个侧壁所包围形成的具有中心连通孔的四棱柱体或六棱柱体构成，每个侧壁均是由两根棱条交叉形成的“X型”框架结构构成，沿四棱柱体或六棱柱体轴线方向相邻排列的基本单元的中心连通孔相互连通。

【技术特征摘要】
1.一种低模量医用植入多孔支架结构，其特征在于:它由多个基本单元在三维空间沿三维方向依次叠加而成，每个基本单元是由四个或六个侧壁所包围形成的具有中心连通孔的四棱柱体或六棱柱体构成，每个侧壁均是由两根棱条交叉形成的“X型”框架结构构成，沿四棱柱体或六棱柱体轴线方向相邻排列的基本单元的中心连通孔相互连通。2.根据权利要求1所述的低模量医用植入多孔支架结构，其特征在于:所述中心连通孔的横截面的内接圆半...

【专利技术属性】
技术研发人员：林锦新，吴松全，林俊杰，卢衍锦，甘艺良，赵超前，
申请(专利权)人：中国科学院福建物质结构研究所，
类型：新型
国别省市：福建;35