【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于计算机视觉的，具体涉及一种金属水凝胶仿生骨软骨植入体及其制造方法。
技术介绍
1、骨关节炎是一种常见的退行性关节疾病，在中老年人中发病率极高。针对不同的病状，治疗方法也不同。而针对关节软骨破坏比较严重的患者，则需要采用人工关节置换手术实现关节结构和功能的替代。
2、而现有的用于置换的人工关节，通常是通过机加工或是铸造而成，因而，通过传统方法成型的植入体大多为具有高弹性模量的实心金属植入体。而这种过高的弹性模量会导致应力屏蔽，长期以往，会导致植入体的松动，增加术后翻修的几率。得益于3d打印的发展，通过多孔结构的设计能够有效降低植入体的弹性模量，因而开始得到广泛的应用。
3、然而使用这种单一金属的修复体，一方面，其较高的硬度会对与其相互作用的软骨产生损伤，通常需要在两者接触面上加上高分子物质，以减少对健康组织的伤害。另一方面，这种金属+高分子的修复体缺少生物功能，通常需要较长的时间，才能够和人体结合，期间也存在着修复体脱落的风险。
4、因而，需要设计一种具有生物功能的仿生结构，通过有效的制造方法，去解决现有修复体的各种问题。
技术实现思路
1、本专利技术的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种金属水凝胶仿生骨软骨植入体及其制造方法。
2、为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
3、本专利技术的一个方面，提供了一种金属水凝胶仿生骨软骨植入体，包括依次连接的金属硬骨层多孔结构、水凝胶仿生钙化软骨层结构
4、所述金属硬骨层多孔结构为primitive结构，在水平方向上的孔径沿着中心往外逐渐减小；
5、所述水凝胶软骨层为gyroid结构，其表面的平均曲率为零，无扭曲、无边缘锐利；
6、所述水凝胶仿生钙化软骨层结构通过sigmoid函数调控，使得gyroid和primitive结构的交界处连接平滑。
7、作为优选的技术方案，所述金属硬骨层多孔结构内灌有经紫外光固化的仿细胞外基质的生物水凝胶，所述仿细胞外基质的生物水凝胶混有0.1％-0.3％w/v的成骨因子，0.2％-0.4％w/v的促血管化微球，2％-5％w/v的羟基磷灰石。
8、作为优选的技术方案，所述金属硬骨层多孔结构在水平方向上的孔径沿着径向往外逐渐减小，孔隙率从中心的80％下降到外缘的60％。
9、作为优选的技术方案，所述primitive结构具体如下式：
10、p(x,y,z)＝cos(x)+cos(y)+cos(z)+e-f*(x2+y2)0.5
11、其中p(x,y,z)表示primitive结构的点位置；e的取值为15-12，f取值为1.1-0.6，a为单元大小。
12、作为优选的技术方案，所述水凝胶仿生钙化软骨层结构成分为含有0.5％-1％w/v羟基磷灰石、0.1％-0.2％w/vtgf-β生长因子的生物水凝胶溶液；
13、作为优选的技术方案，所述水凝胶仿生钙化软骨层结构的厚度通过调控sigmoid函数中的参数k决定，具体为：
14、s(x,y,z)＝1/(1+e-(k*q(x,y,z)))
15、其中s(x,y,z)为sigmoid函数，e为自然指数，k为调控参数，q(x,y,z)为gyroid结构的点的位置，当q(x,y,z)＝0时表示水凝胶仿生钙化软骨层结构起始的位置。
16、作为优选的技术方案，所述水凝胶软骨层材料为含有0.2％-0.5％w/v成软骨促进因子、0.05％-0.1％w/v血管抑制因子的生物水凝胶，该层整体的孔径为0.2mm，孔隙率为50％。
17、作为优选的技术方案，所述gyroid结构具体如下式：
18、q(x,y,z)＝sin(x)*cos(y)+sin(y)*cos(z)+sin(z)*cos(x)-t
19、其中q(x,y,z)表示gyroid结构的点位置；t取值为-0.4-0.4，e的取值为15-12，f取值为1.1-0.6，a为单元大小。
20、本专利技术的另一个方面，提供了一种金属水凝胶仿生骨软骨植入体的制造方法，包括下述步骤：
21、1)建立基于隐式曲面函数的梯度多孔结构，构造出曲面连续而孔隙率不同的三层结构；
22、2)将步骤1得到的三层结构，根据z轴方向孔隙率的不同，将其分割成三部分，最底层为孔隙率大的金属硬骨层多孔结构，中间为水凝胶仿生钙化软骨层结构，最上层为水凝胶软骨层；并对这三层结构进行切片处理得到金属硬骨层多孔结构切片信息，水凝胶仿生钙化软骨层结构切片信息以及水凝胶软骨层切片信息；
23、3)将所述金属硬骨层多孔结构切片信息导入到激光选区融化成型设备中进行打印，得到金属硬骨层多孔结构；
24、4)将混有0.1％-0.3％w/v成骨因子，0.2％-0.4％w/v促血管化微球，2％-5％w/v羟基磷灰石的生物水凝胶水溶液，浇灌到成型好的金属硬骨层多孔结构中，然后通过紫外光固化，将液态的水凝胶混合物固化成胶状，从而得到金属-水凝胶复合结构；利用pbs溶液反复冲洗金属-水凝胶复合结构2-3次，去除金属中未固化的水凝胶混合物；
25、5)将得到的金属-水凝胶复合结构通过专用的夹具放入到上照式的生物光固化打印机中，调整打印平台的位置，使得金属-水凝胶复合结构的上表面与刮刀平齐；导入所述水凝胶仿生钙化软骨层结构的切片信息，并在补料缸中放入混有0.5％-1％w/v羟基磷灰石，0.1％-0.2％w/vtgf-β生长因子的生物水凝胶溶液，打印水凝胶仿生钙化软骨层结构；
26、6)待所述水凝胶仿生钙化软骨层结构打印完成后，往补料缸中加入含有0.2％-0.5％w/v成软骨促进因子，0.05％-0.1％w/v血管抑制因子的生物水凝胶，打印水凝胶软骨层；最终得到，金属-水凝胶羟基磷灰石-水凝胶三层复合的金属水凝胶仿生骨软骨植入体。
27、作为优选的技术方案，所述构造出曲面连续而孔隙率不同的三层结构，具体为：
28、根据缺损体积，建立生成间隔为1mm的点云坐标数据集，将所有的点坐标代入隐式曲面表达式中,利用三角片面，将使隐式曲面函数的值小于等于0的点相连，形成曲面连续而孔隙分梯度的三层多孔结构。
29、本专利技术与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
30、(1)本专利技术采用激光选区熔化增材制造与光固化3d打印技术的相结合，通过充分利用同种材料性质相同的特性，在金属多孔结构中，灌入非金属水凝胶并使其固化成胶，作为基底。再通过该基底继续成型不同形状的水凝胶结构，实现金属-水凝胶的分区打印，为生物修复体生物功能的实现提供基础。
31、(2)本专利技术通过使用基于隐式函数曲面的建模方法，能够实现对植入体孔隙率和孔径以及不同孔的分布的精准控制，从而实现力学性能和生物性能可控修复体的参数化设计。
32、(3)本专利技术通过调控多本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种金属水凝胶仿生骨软骨植入体，其特征在于，包括依次连接的金属硬骨层多孔结构、水凝胶仿生钙化软骨层结构以及水凝胶软骨层，
2.根据权利要求1所述的一种金属水凝胶仿生骨软骨植入体，其特征在于，所述金属硬骨层多孔结构内灌有经紫外光固化的仿细胞外基质的生物水凝胶，所述仿细胞外基质的生物水凝胶混有0.1％-0.3％w/v的成骨因子，0.2％-0.4％w/v的促血管化微球，2％-5％w/v的羟基磷灰石。
3.根据权利要求1所述的一种金属水凝胶仿生骨软骨植入体，其特征在于，所述金属硬骨层多孔结构在水平方向上的孔径沿着径向往外逐渐减小，孔隙率从中心的80％下降到外缘的60％。
4.根据权利要求1所述的一种金属水凝胶仿生骨软骨植入体，其特征在于，所述Primitive结构具体如下式：
5.根据权利要求1所述的一种金属水凝胶仿生骨软骨植入体，其特征在于，所述水凝胶仿生钙化软骨层结构成分为含有0.5％-1％w/v羟基磷灰石、0.1％-0.2％w/vTGF-β生长因子的生物水凝胶溶液。
6.根据权利要求1所述的一种金属水凝胶仿生骨软骨植入
7.根据权利要求1所述的一种金属水凝胶仿生骨软骨植入体，其特征在于，所述水凝胶软骨层材料为含有0.2％-0.5％w/v成软骨促进因子、0.05％-0.1％w/v血管抑制因子的生物水凝胶，该层整体的孔径为0.2mm，孔隙率为50％。
8.根据权利要求1所述的一种金属水凝胶仿生骨软骨植入体，其特征在于，所述Gyroid结构具体如下式：
9.一种如权利要求1-8中任一项所述的一种金属水凝胶仿生骨软骨植入体的制造方法，其特征在于，包括下述步骤：
10.根据权利要求9所述的一种金属水凝胶仿生骨软骨植入体的制造方法，其特征在于，所述构造出曲面连续而孔隙率不同的三层结构，具体为：
...【技术特征摘要】
1.一种金属水凝胶仿生骨软骨植入体，其特征在于，包括依次连接的金属硬骨层多孔结构、水凝胶仿生钙化软骨层结构以及水凝胶软骨层，
2.根据权利要求1所述的一种金属水凝胶仿生骨软骨植入体，其特征在于，所述金属硬骨层多孔结构内灌有经紫外光固化的仿细胞外基质的生物水凝胶，所述仿细胞外基质的生物水凝胶混有0.1％-0.3％w/v的成骨因子，0.2％-0.4％w/v的促血管化微球，2％-5％w/v的羟基磷灰石。
3.根据权利要求1所述的一种金属水凝胶仿生骨软骨植入体，其特征在于，所述金属硬骨层多孔结构在水平方向上的孔径沿着径向往外逐渐减小，孔隙率从中心的80％下降到外缘的60％。
4.根据权利要求1所述的一种金属水凝胶仿生骨软骨植入体，其特征在于，所述primitive结构具体如下式：
5.根据权利要求1所述的一种金属水凝胶仿生骨软骨植入体，其特征在于，所述水凝胶仿生钙化软骨层结构成分为含有0.5％-1％w/v羟...
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