一种TPMS多孔骨替代支架制造技术

本发明专利技术提供一种TPMS多孔骨替代支架，其单胞3D结构通式为：G(r)＝sin(2πx/单胞尺寸)cos(2πy/单胞尺寸)+sin(2πy/单胞尺寸)cos(2πz/单胞尺寸)+sin(2πz/单胞尺寸)cos(2πx/单胞尺寸)＝T；其中，x、y、z前系数为单胞尺寸倒数

【技术实现步骤摘要】
一种TPMS多孔骨替代支架


[0001]本专利技术涉及医用内植物领域，具体涉及一种单胞为1
‑
3mm时，孔隙率45
‑
75％的TPMS多孔骨替代支架。

技术介绍

[0002]骨再生医学的关键问题之一是设计骨支架和复制宿主骨骼生物力学特性的内植物。经过医学家们多年的深入研究，发现多孔金属是修复或更换受损骨骼的合适候选者。它们的生物学性能和力学性能可以根据实际需要进行调整。几十年来，医学家们对多孔金属的制造进行了广泛的探索，但传统工艺制造出的多孔金属只能实现对内部结构的有限控制。不过增材制造日新月异的飞速发展为生产复杂结构提供了前所未有的机会，满足了对具有定制机械性能的植入物日益增长的需求。
[0003]广泛存在于自然界的三周期极小曲面(Triply
‑
Periodic Minimal Surface,TPMS)，是一种在空间中三个维度方向周期性重复且平均曲率为零的特殊曲面，这一类结构表面光滑且孔洞高度连通，整体结构可由隐式函数精确控制，是一种设计建模多孔结构的优异解决方案，最初在建筑学上获得了广泛的应用。
[0004]具有与人体相似的多孔结构是TPMS多孔骨替代支架设计的首要要求，也是承重性多孔骨替代支架设计的共同要求。细胞外基质(如纤维基质和相邻纤维)中相互连接的生理性多孔结构在三维空间内广泛的纵横交错，促进了细胞的浸润和流通，使得细胞间的联系增加，加速了细胞伸展、粘附、迁移和增殖速率。只有与生理孔隙相似的多孔结构，才可以提高支架的生物相容性，获得植入物与骨界面的良好匹配，增强骨整合效果。TPMS多孔结构的构象调整是通过调整方程参数进行控制的，理论上能够更灵活、自由地实现支架的梯度构建，这也是其作为骨替代支架研究的一大优势。
[0005]与此同时，足够的力学性能也是骨替代支架应具备的一项重要参数。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供一种TPMS多孔骨替代支架，其具有独特的自支撑特性、良好的孔隙率、渗透率、以及优异的力学性能，更重要的是，在相同孔隙率下，具有更低的弹性模量，这可以有效地减少应力遮挡和骨吸收，因此是一种理想的多孔骨替代支架模型。
[0007]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
[0008]一种TPMS多孔骨替代支架，其特征在于：其单胞3D结构通式为：
[0009]G(r)＝sin(2πx/单胞尺寸)cos(2πy/单胞尺寸)+sin(2πy/单胞尺寸)cos(2πz/单胞尺寸)+sin(2πz/单胞尺寸)cos(2πx/单胞尺寸)＝T；
[0010]其中，x、y、z前系数为单胞尺寸倒数
×
2π，T为用来控制孔隙率大小的常数。
[0011]所述的TPMS多孔骨替代支架，其中，孔隙率介于45
‑
75％。
[0012]所述的TPMS多孔骨替代支架，其中，以质量分数Ti
‑
6Al
‑
4V的合金粉末制成。
[0013]所述的TPMS多孔骨替代支架，其中，孔隙率为50％、单胞尺寸为1mm时，其3D结构公
式为：
[0014]G(r)
T1
＝sin(2πx)cos(2πy)+sin(2πy)cos(2πz)+sin(2πz)cos(2πx)
[0015]＝0.766。
[0016]所述的TPMS多孔骨替代支架，其中，孔隙率为50％、单胞尺寸为1.5mm时，其3D结构公式为：
[0017]G(r)
T1.5
＝sin(4/3πx)cos(4/3πy)+sin(4/3πy)cos(4/3πz)+sin(4/3πz)cos(4/3πx)
[0018]＝0.766。
[0019]所述的TPMS多孔骨替代支架，其中，孔隙率为50％、单胞尺寸为2mm时，其3D结构公式为：
[0020]G(r)
T2
＝sin(πx)cos(πy)+sin(πy)cos(πz)+sin(πz)cos(πx)＝0.766。
[0021]所述的TPMS多孔骨替代支架，其中，孔隙率为50％、单胞尺寸为2.5mm时，其3D结构公式为：
[0022]G(r)
T2.5
＝sin(4/5πx)cos(4/5πy)+sin(4/5πy)cos(4/5πz)+sin(4/5π
[0023]z)cos(4/5πx)＝0.766。
[0024]所述的TPMS多孔骨替代支架，其中，孔隙率为50％、单胞尺寸为3mm时，其3D结构公式为：
[0025]G(r)
T3
＝sin(2/3πx)cos(2/3πy)+sin(2/3πy)cos(2/3πz)+sin(2/3πz)cos(2/3
[0026]πx)＝0.766。
[0027]所述的TPMS多孔骨替代支架，其中，所述支架具有渐变的孔隙率。
[0028]本专利技术在增强了其生物相容性的同时，显示出了较强力学性能，提高了植入物在骨整合早期阶段的稳定性，满足了人体内植物所需的强度要求，综合性能优异。
附图说明
[0029]图1
‑
图5是本专利技术在孔隙率为50％、单胞尺寸分别为1、1.5、2、2.5、3mm时，支架结构示意图。
[0030]图6是单胞结构示意图。
[0031]图7是将细胞接种于本专利技术提供的支架的1、4、7天(横轴数据)，细胞的增殖情况对比图(纵轴为吸收度)。
具体实施方式
[0032]本专利技术的目的在于，在支架满足低弹性模量的同时，提供足够的抗压缩性能和生物相容性，以得到更好的骨整合效果。本专利技术选择质量分数Ti
‑
6Al
‑
4V的合金粉末进行TPMS多孔骨替代支架的制作，形成单胞为1、1.5、2、2.5、3mm时，孔隙率45
‑
75％的TPMS多孔骨替代支架。其中，单胞为最小的完整重复单元，即在单胞为1mm时，支架以1
×1×
1mm3的最小重复单元进行重复堆积，以此类推。这样的结构设计在增强了其生物相容性的同时，显示出了较强力学性能，提高了植入物在骨整合早期阶段的稳定性，满足了人体内植物所需的强度要求，综合性能优异。
[0033]以下以几个较佳实施例来说明本专利技术的基本结构。
[0034]当孔隙率为50％、单胞尺寸为1mm时，其3D结构公式为：
[0035]G(r)
T1
＝sin(2πx)cos(2πy)+sin(2πy)cos(2πz)+sin(2πz)cos(2πx)
[0036]＝0.766，具体结构如图1；
[0037]当孔隙率为50％、单胞尺寸为1.5mm时，其3D结构公式为：
[0038]G(r)
T1.5
＝sin(4/3πx)cos(4/3πy)+sin(4/3πy)cos(4/3πz本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种TPMS多孔骨替代支架，其特征在于：其单胞3D结构通式为：G(r)＝sin(2πx/单胞尺寸)cos(2πy/单胞尺寸)+sin(2πy/单胞尺寸)cos(2πz/单胞尺寸)+sin(2πz/单胞尺寸)cos(2πx/单胞尺寸)＝T；其中，x、y、z前系数为单胞尺寸倒数
×
2π，T为用来控制孔隙率大小的常数。2.根据权利要求1所述的TPMS多孔骨替代支架，其特征在于：孔隙率介于45
‑
75％。3.根据权利要求1所述的TPMS多孔骨替代支架，其特征在于：以质量分数Ti
‑
6Al
‑
4V的合金粉末制成。4.根据权利要求1所述的TPMS多孔骨替代支架，其特征在于，孔隙率为50％、单胞尺寸为1mm时，其3D结构公式为：G(r)
T1
＝sin(2πx)cos(2πy)+sin(2πy)cos(2πz)+sin(2πz)cos(2πx)＝0.766。5.根据权利要求1所述的TPMS多孔骨替代支架，其特征在于，孔隙率为50％、单胞尺寸为1.5mm时，其3D结构公式为：G(r)
T1.5
＝sin(4/3πx)...

【专利技术属性】
技术研发人员：许铎，韩金祥，王京，崔亚洲，
申请(专利权)人：山东第一医科大学山东省医学科学院，
类型：发明
国别省市：