受控随机化的多孔结构及其制造方法技术

公开了改进的随机化多孔结构及制造这种多孔结构的方法。多孔结构的支架通过在限定体积的多个空间坐标之间分割空间而形成，其中，所述多个空间坐标已经根据预定随机化限制在随机的方向上移动随机的有限距离。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术一般地涉及适用于医疗植入物的多孔结构，并且更具体地涉及具有改进的强度、孔隙率和连接性的组合的适用于医疗植入 物的多孔结构以及用于制造这种改进的多孔结构的方法。
技术介绍
某些金属植入物及整形外科植入物需要用于承重目的的强度和促进骨骼/组织向内生长的孔隙率。例如，许多整形外科植入物包括提供支架结构以在愈合期间促进骨骼向内生长的多孔部分(section)以及旨在让患者更快地行动起来的承重部分。例如，金属泡沫结构是多孔的三维结构，其已被用在医疗植入物，特别是整形外科植入物中，因为它们具有为承重目的所必需的强度及必需的孔隙率。金属泡沫结构和其他多孔结构可用许多种方法制造。例如，一种方法是将粉末化金属与造孔剂(PFA)混合在一起然后将混合物压成所需的形状。用热在“燃尽”过程中去除PFA。然后，剩下的金属框架可以被烧结以形成多孔的金属泡沫结构。其他相似的常规方法包括向聚氨酯类泡沫施加粘合剂，向粘合剂施加金属粉末，燃尽聚氨酯类泡沫并将金属粉末烧结在一起以形成“生坯(green)”零件。将粘合剂和金属粉末再施加到生坯零件并再烧结生坯零件直至生坯零件具有所需的支杆粗度(thickness)和孔隙率。然后将生坯零件机加工到最终形状并再烧结。尽管由这种常规方法形成的金属泡沫提供良好的孔隙率，在许多医疗植入物中它们却不能提供期望的强度以起到承重结构的作用。进一步地，用于形成金属泡沫的工艺会通过金属和PFA之间的反应在金属泡沫中导致形成不希望的金属化合物。常规的金属泡沫制造工艺还消耗大量能量并可能产生有害的烟气。例如直接金属制造(DMF)和固体无泡沫制造(SFF)这样的快速制造技术近来已被用于制造医疗植入物或医疗植入物的一部分内使用的金属泡沫。通常，RMT方法允许从3DCAD模型中建立结构。例如，DMF技术从粉末中一次生成三维结构的一层，该粉末通过用能量源，例如激光或电子束照射一层粉末而固化。该粉末被以光栅扫描方式弓丨导到粉末层的所选部分而被施加的能量源融合、熔化或烧结。在一个粉末层内融合图样之后，分配另一层粉末，重复该过程，在层之间进行融合，直到完成所需的结构。据称用在这种直接制造技术中的金属粉末的例子包括铜焊料、青铜镍系统和铜锡的两相金属粉末。通过DMF形成的金属结构可以相对密集,例如具有相应的模制金属结构的70%到80%的密度，或相反地可以相对多孔，具有接近80%或更大的孔隙率。尽管可用DMF提供坚固到足以充当医疗植入物中的承重结构的密集结构，但常规使用的多孔结构采用具有均匀的、非随机且规则性质的配置，所述配置在三维多孔结构的交叉处产生薄弱区域。也即，常规结构的构造缺乏方向强度并通过制造更粗的支杆补偿其薄弱性，从而降低孔隙率，反而言之，有所需孔隙率的常规结构经常由于较细的支杆而缺少所需的强度。也即，在现有技术中可以以孔隙率为代价获得所需强度，或反之亦然。当前没有有效的方法和/或产品既提供改进的强度、改进的孔隙率，又提供改进的连接性(connectivity)。另外，骨小梁结构在微观表现上是非均匀且随机的。又知有效的医疗植入物除了提供必需的强度、孔隙率及连接性之外还必须是与其周边生理上相容。然而具有均匀、非随机且规则性质的常规多孔结构不类似骨小梁结构。例如，美国公开2006/0147332和 2010/0010638示出了这些用于形成多孔结构的这些现有技术构造的例子，其表现出以上所讨论的缺陷，所述缺陷例如，在支杆交点的薄弱区域、以孔隙率为代价改进强度，及无小梁性质。 加强整形外科植入物效果的一种方法可以是使植入物的多孔结构随机化以更好的模拟其植入处的小梁结构。因此，除强度、孔隙率和连接性特性外，据信，如果多孔结构可以是随机化多孔的从而提供与均匀开孔结构相对照的被随机化的支架结构，那么有多孔结构的植入物的性能会得到改善。本领域已知的建立随机化结构的方法通常涉及到随机化一个已有的均匀结构。不过这些方法是受限的，因为它们通常需要手工处理一个单元的支杆，也即，立体空间，以和另一单元匹配而构建出所需尺寸的支架。如果单元的支架不匹配，若有太多松散支杆，结构的完整性会被削弱。类似地，因处理方法导致变形的或不精确的部分，带有不良朝向的支杆的随机化结构会有不良的残应力分布。因此，现有技术的初始单元的结构，无论相同或不同，通常都是简单的以使堆叠或构建过程可行。否则，由复杂的随机化初始单元构建支架会消耗太多时间和成本，特别是在计算开销上。另外，在随机化过程中，随机化已有均匀结构的又一缺点是由于模和方向改变所导致的结构特性上的意外变化，可能使结构被削弱。所以，比起随机化已有结构，原生的(original)随机化结构提供改进的强度，还一起提供改进的孔隙率和增强的复杂性——例如，小梁特征。如上所提到的，在现有技术中，软件应用程序通常产生主要是均匀和规则的多孔结构。出于效率目的，它们在坐标方向上分块(tile)间无间隙地重复小单元分块以填充一体积。不过，由于将这些分块匹配在一起的复杂性，在单元分块内采用相对少而简单的形状。另外，由于金属泡沫植入物和使用常规DMF方法制造的植入物的不足，一些医疗植入物需要多种结构，每个结构为一种或更多种不同目的而设计。例如，因为一些医疗植入物既需要多孔结构以促进骨骼和组织向内生长，又需要承重结构，多孔插头可以被放在实体结构的凹处并通过烧结将两个结构连接起来。显然，使用单个结构会比使用两个分离的结构并将它们烧结在一起更好。根据以上所述，还需要制造三维多孔结构有效的方法，及该结构本身，所述结构带有被随机化的支架结构，其在不牺牲强度的情况下提供改进的孔隙率，提供改进的强度，包括在单元之间的无缝连接，并提供改进的连接性及具有小梁性质
技术实现思路
本专利技术的一个目标是提供一种适用作医疗植入物的多孔生物相容结构，其具有用于承重目的的改进的强度和用于组织内生长结构的孔隙率。本专利技术的另一个目标是提供一种适用作医疗植入物的多孔生物相容结构，其具有改善的连接性以近似骨小梁特征。本专利技术的另一个目标是提供一种促进骨组织和软组织内生长的生物相容结构。本专利技术的另一个目标是提供一种适用作医疗植入物的多孔生物相容结构，其具有受控而随机的支杆和节点布置以改善性能特性。本专利技术的又一个目标是提供一种制造这种改善的多孔生物相容结构的方法。本专利技术的再一个目标是通过处理支杆之间的空间而提供用于制造随机化多孔结构的有效方法。本专利技术的还一个目标是在连接在一起的结构之间提供无缝配合的方法，无论这些结构相同或不同。本专利技术的中车个目标是提供用于制造随机化多孔结构的方法，所述结构可为特定需要，例如具体的患者或应用而定制，并具有适当的分布、小孔大小、孔隙率和强度。本专利技术的另一个目标是提供控制结构支架的随机化的方法。为满足上述目标，根据本专利技术的一个方面，提供一种用于制造多孔结构的方法，包括步骤建立多孔结构的模型，所述建立步骤包括步骤限定具有外边界和内体积的三维空间，沿所述外边界放置多个外空间坐标，在所述内体积内放置多个内空间坐标，在随机方向上将一个或多个内空间坐标移动有限距离，在随机方向上将一个或多个外空间坐标移动有限距离。所述建立多孔结构模型的步骤还包括在被随机化的外和内空间坐标之间均匀分割所述三维空间的体积，用一个或多个支杆和一个或多个节点限定所述被分割体积本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2009.11.12 US 61/260,8111.一种用于制造多孔结构的方法，包括步骤 建立多孔结构的模型，所述建立步骤包括步骤限定具有外边界和内体积的三维空间，沿所述外边界放置多个外空间坐标，在所述内体积内放置多个内空间坐标，从所述多个外空间坐标和所述多个内空间坐标之一移动至少一个空间坐标；在所述外和内空间坐标之间分割所述三维空间的体积，用一个或多个支杆和一个或多个节点限定所述被分割体积的一部分的边界以形成支架，其中，每个支杆具有第一端、第二端以及在每个支杆的所述第一和第二端之间的连续拉长主体，并且每个节点是至少两个支杆的交点，以及为ー个或多个支杆选择至少ー个粗度和至少ー个形状； 通过将易熔性材料暴露于能量源而根据所述模型制造所述多孔结构。2.如权利要求I所述的方法，还包括 提供第二三维空间的步骤，所述第二三维空间是具有已随机化的内和外空间坐标的所述第一三维空间的复制品。3.如权利要求I所述的方法，其中，从所述多个外空间坐标和所述多个内空间坐标之一移动至少ー个空间坐标的步骤包括将所述至少ー个空间坐标在随机方向上移动一段有限距离，在预定的随机化限制内进行。4.如权利要求3所述的方法，其中，一个或多个空间坐标的所述预定随机化限制至少基于另ー个空间坐标的位置。5.如权利要求4所述的方法，其中，所述另ー个空间坐标是所述ー个或多个空间坐标的最近邻。6.如权利要求I所述的方法，其中，从所述多个外空间坐标和所述多个内空间坐标之一移动至少一个空间坐标的步骤在预定的随机化限制内进行...

【专利技术属性】
技术研发人员：RL兰登，A阿格尼霍特里，LJ吉尔莫尔，J夏普，RC维内巴格，
申请(专利权)人：史密夫和内修有限公司，
类型：发明
国别省市：