一种用于骨修复植入物的多孔支架结构及其加工方法技术

本发明专利技术公开一种用于骨修复植入物的多孔支架结构及其加工方法。多孔支架结构包括至少一个仿拱桥结构单元；仿拱桥结构单元为体心立方晶格结构，仿拱桥结构单元包括承重体、八个连接体和八根拱形梁，承重体位于体心立方晶格中心，八个连接体分别位于体心立方晶格八个顶点，拱形梁的两端分别与承重体和连接体连接。通过模仿拱桥的外形结构和力学传导方式，能够将多孔支架结构表面受到的来自不同方向的力通过拱形梁传导至多孔支架结构内部各个仿拱桥结构单元的承重体和连接体上，从而达到提高多孔植入体力学承载能力的目的。本发明专利技术的多孔支架还具有贯通性好、孔径和孔隙率可调、弹性模量与天然骨组织相近等优点，可以有效防止应力屏蔽效应的产生。力屏蔽效应的产生。力屏蔽效应的产生。

【技术实现步骤摘要】
一种用于骨修复植入物的多孔支架结构及其加工方法


[0001]本专利技术涉及医疗器械
，特别涉及一种用于骨修复植入物的多孔支架结构及其加工方法。

技术介绍

[0002]因疾病、创伤、老龄化等原因引起的骨修复和骨替代需求越来越多。然而，自体骨移植材料存在来源有限、供区并发症等缺点，异体骨移植存在免疫反应和疾病传播等风险。因此，以钛合金为代表的骨植入物成为临床治疗骨缺损相关疾病的最常用方法之一。然而，传统的实体金属植入物因为惰性大、强度高、力学性能不匹配等原因而容易出现骨整合不佳和应力遮挡等问题。
[0003]近年来的研究表明，三维连通的多孔结构设计可以显著降低植入物的表观弹性模量，并为新生组织的长入提供生长空间，从而提高骨整合效果，防止应力遮挡问题，和缩短骨缺损相关疾病的愈合时间。目前常见的骨植入物多孔结构设计主要包括两种类型：一是基于医学影像重建技术的“自上而下”的设计方法，通过CT扫描和三维重建技术获得仿生多孔骨修复支架。这种方法虽然能够获得接近天然骨组织的孔隙结构，但是却难以实现对植入物多孔结构和力学性能的主动调控。另一种骨植入物多孔结构的设计则是基于CAD软件建模而开发的“自下而上”的设计方法。这类方法相比于前者具有非常大的自由度，使得设计人员能够轻松调控所开发多孔植入物孔径、孔隙率、孔连通性、弹性模量、力学强度等性能。但目前研究报道的多孔支架结构多是由线性梁相互连接而成，梁的内部以及梁与梁的连接部位易出现应力突变而导致整体承压强度较低，难以满足植入物对高力学承载的性能需求。

技术实现思路
<br/>[0004]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于骨修复植入物的多孔支架结构，该多孔支架结构通过模仿拱桥的外形结构和力学传导方式，能够将多孔支架结构表面受到的来自不同方向的剪切力通过拱形梁转变为压应力，并传导至多孔支架结构内部各个仿拱桥结构单元的承重体和连接体上，从而提高多孔植入体的力学承载能力；于此同时，本专利技术设计的仿拱桥结构多孔支架还具有贯通性好、孔径和孔隙率可调、弹性模量与天然骨组织相近等优点，可以有效防止应力屏蔽效应的产生，赋予支架良好的促细胞增殖能力，达到更好的骨整合效果。
[0005]本专利技术的另一目的在于，提供一种上述用于骨修复植入物的多孔支架结构的加工方法。
[0006]本专利技术的技术方案为：一种用于骨修复植入物的多孔支架结构，包括至少一个仿拱桥结构单元；
[0007]所述仿拱桥结构单元为体心立方晶格结构，仿拱桥结构单元包括承重体、八个连接体和八根拱形梁，承重体位于体心立方晶格中心，八个连接体分别位于体心立方晶格八
个顶点，拱形梁的两端分别与承重体和连接体连接。
[0008]进一步，所述承重体为球体，承重体的球心位于体心立方晶格的中心。
[0009]进一步，所述连接体为四分之一的球体，连接体的球心位于体心立方晶格的顶点。
[0010]进一步，所述拱形梁的截面形状为圆形。
[0011]进一步，所述承重体的直径为D，连接体的直径为E，拱形梁的截面直径为F，各几何参数之间的关系满足D≥E＞F＞0。
[0012]进一步，多个具有相同几何参数的仿拱桥结构单元在三维空间沿X、Y、Z轴方向周期性阵列分布形成均质排列的多孔支架结构。
[0013]进一步，多个具有不同几何参数的仿拱桥结构单元在三维空间沿X、Y、Z轴方向周期性阵列分布形成非均质排列的多孔支架结构。
[0014]进一步，所述多孔支架结构的孔隙率为10％
‑
90％。
[0015]进一步，所述多孔支架结构采用钛合金制成。
[0016]本专利技术的另一技术方案为：上述用于骨修复植入物的多孔支架结构的加工方法，包括以下步骤：
[0017]步骤S1：预先设定承重体、拱形梁、连接体和体心立方晶格的几何参数，通过三维建模软件绘制出所需的仿拱桥结构单元，并转化成stl格式文件；
[0018]步骤S2：通过Magics软件打开并摆放好需要填充多孔结构的骨植入物模型文件，应用工具栏下的“结构”命令，选择所绘制的仿拱桥结构单元，设置好填充结构的放大比例，对骨植入物模型进行多孔填充并修复；
[0019]步骤S3：应用“支撑”命令为修复后的多孔骨植入物模型添加3D打印支撑结构，并保存为3D打印设备可识别的文件格式；
[0020]步骤S4：将步骤S3中的文件导入相应的3D打印设备打印成型即可得到最终的多孔支架结构。
[0021]本专利技术相对于现有技术，具有以下有益效果：
[0022](1)本专利技术的多孔支架结构通过模仿拱桥的外形结构和力学传导方式，能够将多孔支架结构表面受到的来自不同方向的剪切力通过拱形梁转变为压应力，并传导至多孔支架结构内部各个仿拱桥结构单元的承重体和连接体上，有效降低梁与梁之间连接部位的应力集中情况，从而提高多孔植入体的力学承载能力。
[0023](2)本专利技术的多孔支架结构可以通过多个具有相同几何参数的仿拱桥结构单元在三维空间沿X、Y、Z轴方向周期性阵列分布形成均质排列的多孔支架结构；也可以通过多个具有不同几何参数的仿拱桥结构单元在三维空间沿X、Y、Z轴方向周期性阵列分布形成非均质排列的多孔支架结构，以满足使用者对非均质多孔支架结构的构建需求。
[0024](3)本专利技术的多孔支架结构可以通过单独或同时调控承重体、拱形梁和连接体的几何参数，获得接近天然皮质骨或松质骨的孔隙率、抗压强度和弹性模型，从而为细胞的粘附生长和营养物质的传输提供适宜的力学微环境和组织微环境，有效促进骨组织的再生和长入。
附图说明
[0025]图1为本专利技术的仿拱桥结构单元的立体图。
[0026]图2为本专利技术的仿拱桥结构单元的正视图。
[0027]图3为本专利技术的仿拱桥结构单元的俯视图。
[0028]图4为本专利技术的多孔支架结构的正视图。
[0029]图5为本专利技术的多孔支架结构的俯视图。
[0030]图6为本专利技术的多孔支架结构的立体图。
[0031]图7为不同孔隙率的多孔支架结构的示意图。
[0032]图7a为10％孔隙率的多孔支架结构的示意图。
[0033]图7b为75％孔隙率的多孔支架结构的示意图。
[0034]图7c为90％孔隙率的多孔支架结构的示意图。
[0035]图8为本专利技术的不同排列方式的多孔支架结构的示意图。
[0036]图9为本专利技术的仿拱桥结构单元钛合金支架与金刚石结构钛合金支架和立方桁架结构钛合金支架的力学性能对比图。
[0037]图10为60％孔隙率的仿拱桥结构单元钛合金支架与金刚石结构钛合金支架和立方桁架结构钛合金支架的压缩应力应变曲线对比图。
[0038]图11为本专利技术的仿拱桥结构单元钛合金支架与金刚石结构钛合金支架和立方桁架结构钛合金支架的弹性模量测试对比图。
[0039]图12为不同孔径下的仿拱桥结构单元钛合金支架与无孔对照样品CCK8测试结果对比图。
[0040]仿拱桥结构本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于骨修复植入物的多孔支架结构，其特征在于，包括至少一个仿拱桥结构单元；所述仿拱桥结构单元为体心立方晶格结构，仿拱桥结构单元包括承重体、八个连接体和八根拱形梁，承重体位于体心立方晶格中心，八个连接体分别位于体心立方晶格八个顶点，拱形梁的两端分别与承重体和连接体连接。2.根据权利要求1所述的用于骨修复植入物的多孔支架结构，其特征在于，所述承重体为球体，承重体的球心位于体心立方晶格的中心。3.根据权利要求1所述的用于骨修复植入物的多孔支架结构，其特征在于，所述连接体为四分之一的球体，连接体的球心位于体心立方晶格的顶点。4.根据权利要求1所述的用于骨修复植入物的多孔支架结构，其特征在于，所述拱形梁的截面形状为圆形。5.根据权利要求1所述的用于骨修复植入物的多孔支架结构，其特征在于，所述承重体的直径为D，连接体的直径为E，拱形梁的截面直径为F，各几何参数之间的关系满足D≥E＞F＞0。6.根据权利要求5所述的用于骨修复植入物的多孔支架结构，其特征在于，多个具有相同几何参数的仿拱桥结构单元在三维空间沿X、Y、Z轴方向周期性阵列分布形成均质排列的多孔支架结构。7.根据权利要求5所述的用于骨修复植入物的多孔支架结构，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：程德林，陈军建，林亿林，
申请(专利权)人：广州华睿医疗器械有限公司，
类型：发明
国别省市：