一种低模量医用植入多孔支架结构的制作方法
【专利摘要】本发明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。一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。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。
【专利说明】一种低模量医用植入多孔支架结构
【技术领域】
[0001] 本发明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。
【背景技术】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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。
【发明内容】
[0005] 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，本发明提出 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。
[0006] 本发明的技术方案如下：
[0007] -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。
[0008] 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；
[0009] 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；
[0010] 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。
[0011] 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。
[0012] 所述中心连通孔的横截面的内接圆半径为150 μ m-750 μ m，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：
[0013] 对于六棱柱体有：
[0014] r = 0. 866a~t
[0015] 对于四棱柱有：
[0016] r = 0. 5a~t
[0017] 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。
[0018] 选择不同材料（Ta:183GPa、Zr:99GPa、a-Ti:110GPa、医用 316 不锈钢：193GPa、羟 基磷灰石：165GPa、C〇-Cr-Mo:248GPa、C〇-Cr-W:232GPa、C〇-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〇. 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。
[0019] 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。
[0020] 本发明所提供的一种低模量医用植入多孔支架结构的发明原理如下：
[0021] (一）模量的控制：
[0022] 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。
[0023] 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。
[0024] (二）通孔的设计：
[0025] 通过骨切片实验形态观察已经发现，骨组织就是取向性明显的多孔材料，其中多 孔骨架起到力学支承作用，而取向性孔隙有利于营养物质的传递和促进骨组织的新陈代 谢。模仿骨组织孔隙状态特征，本发明对植入体支架进行了通孔结构设计，具体方案为：利 用"X型"框架围成六棱柱体或四棱柱体通孔单元，然后将这些单元在空间进行周期性堆垛 后得到具有规则排列的六边形或四边形通孔的多孔支架，以利于植入体植入后物质输运、 骨组织引导或诱导和血管化等生物功能作用。
[0026] (三）结构的选择：
[0027] 根据多孔支架材料内部棱条受力特征的不同，支架结构主要分为拉伸主导型结构 (棱条在外载下主要呈拉、压变形模式以抵抗外载和整体变形）和弯曲主导型结构（棱条在 外载下主要呈弯曲变形模式以抵抗外载和整体变形）。两类结构内部棱条的受力模式不同 造成两类结构材料在比刚度和比强度方面有着极大的差异，拉伸主导型结构强而脆，弯曲 主导型结构柔而韧。根据骨植入材料的性能要求，以上两类结构实际都不能完全满足需求。 介于两类结构的综合，本发明选择利用"X型"框架结构，该结构可以在不过分降低支架结构 材料强度的同时尽可能地增加支架材料的变形能力。
[0028] 当植入体的材料选取a -Ti (E = llOGPa，v = 〇. 33)时，如图6所示：选择相对密 度相同（43.4%)的圆柱形坚直杆作为拉伸主导型结构模型、菱形十二面体作为弯曲主要 导型结构模型，与"X型"六棱柱比较可知"X型"框架结构的模量和强度均处于拉伸主导型 结构和弯曲主导型结构之间，通过选择不同植入体的材料（Ta:183GPa、Zr:99GPa、医用316 不锈钢：1936卩3、羟基磷灰石：1656卩3、(：〇-〇-]\1〇:2486?3、(：〇-〇-1:2326?3、(：〇-基：1946?&、 Mg:44GPa)进行实验可得："X型"框架结构可以在不过分降低支架结构材料强度的同时尽 可能地增加支架材料的变形能力。
[0029] 另外，鉴于"模量的控制"和"通孔的设计"要求，最终多孔支架结构选择由"X型" 框架作为侧壁围成六棱柱体或四棱柱体结构单元，再由结构单元在空间作周期平移构成。
[0030] 本发明所提供的一种低模量医用植入多孔支架结构有如下优点：
[0031] 1)具有该结构的材料不仅孔隙率高，比表面积大，具有优异的冲击能量吸收特性， 而且在具有较高强度要求的场合，具有足够的强度以提供力学支承。
[0032] 2)具有取向性的孔隙，有利于营养物质的传递和促进骨组织新陈代谢的作用，有 利于植入体植入后物质输运、骨组织引导或诱导和血管化等生物功能作用。
[0033] 3)可以根据不同人体骨骼以及生物环境来调整多孔尺寸或结构以及支架表面的 处理。
[0034] 4)实现了植入体模量与强度的理想匹配以降低甚至消除由于实体金属与骨组织 模量差别所带来的"应力遮挡效应"，增加植入体的服役寿命，减轻患者的痛苦。
[0035] 5)规则通孔结构有利于骨组织长入，增加骨组织与支架材料的相互锁固，减少患 者的康复时间。
【专利附图】
【附图说明】
[0036] 图1是本发明的六棱柱体基本单元的俯视图；
[0037] 图2是本发明的六棱柱体基本单元的侧视图；
[0038] 图3是本发明的四棱柱体基本单元的俯视图；
[0039] 图4是本发明的四棱柱体基本单元的侧视图；
[0040] 图5是本发明的有限元分析流程图；
[0041] 图6是本发明的圆柱形坚直杆结构、"X型"六棱柱、菱形十二面体结构的相对模量 和屈服强度的柱状图；
[0042] 图7是本发明的六棱柱体基本单元的有限元网格划分；
[0043] 图8是本发明的四棱柱体基本单元的有限元网格划分；
[0044] 图9是本发明的六棱柱体基本单元的有限元模拟分析过程图；
[0045] 图10是本发明的四棱柱体基本单元的有限元模拟分析过程图；
[0046] 图11是本发明的六棱柱体基本单元模量随结构参数变化的状态图；
[0047] 图12是本发明的四棱柱体基本单元模量随结构参数变化的状态图；
[0048] 图中附图标记表示为：
[0049] r是中心连通孔的横截面的内接圆半径；
[0050] t是组成"X型"框架的棱条的厚度或其横截面等效圆直径；
[0051] 1是组成"X型"框架的棱条的长度；
[0052] c是四棱柱体或六棱柱体的高；
[0053] a是四棱柱体或六棱柱体的底边边长；
[0054] η i是四棱柱体或六棱柱体的高c与底边边长a的比值。
【具体实施方式】
[0055] 下面结合【具体实施方式】和具体实施例来对本发明进行详细的说明。
【具体实施方式】 [0056] 如下：
[0057] -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。
[0058] 所述棱条的横截面是实心圆形、实心椭圆形、实心多边形、中空圆环、中空椭圆环 或者中空多边形环。
[0059] 为了满足支架材料的生物功能性要求，所述中心连通孔的横截面的内接圆半径r 为 150 μ m_750 μ m。
[0060] 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。
[0061] 对于六棱柱体基本单元，其整体形状的结构特征可以由六棱柱体的高c与底边边 长a的比值1^确定= c/a);六棱柱体基本单元的相对密度可以由组成"X型"框架的 棱条的厚度t (或其横截面等效圆直径）与长度1比值η 2确定（η 2 = t/Ι)。
[0062] 对于四棱柱体基本单元，其整体形状的结构特征可以由四棱柱体的高c与底边边 长a的比值L确定= c/a);四棱柱体基本单元的相对密度可以由组成"X型"框架的 棱条的厚度t (或其横截面等效圆直径）与长度1比值η2确定（η2 = t/Ι)。
[0063] 所述中心连通孔的横截面面积大于所述侧壁上的"X型"框架结构的孔隙的横截面 面积。
[0064] 支架结构整体模量利用有限元方法进行计算。首先利用作图软件建立支架几何模 型（如"X型"四棱柱或"X型"六棱柱等），同时设定支架结构参数（r，1和η2);然后导 入有限元分析软件（如Ansys、Comsol或Abaqus等），定义材料参数（Ε和ν等），设定边 界条件、加载条件和划分网格；再进行有限元计算、分析；按着模量低于30GPa的要求，如果 所选支架结构整体模量满足要求，那么将确立所选支架结构方案，否则重新设定支架结构 参数（r，η jP η 2)按上述步骤再进行计算和判断，最终得到满足低模量条件的支架结构材 料及参数范围。
[0065] a -Ti实施例组
[0066] 实施例1
[0067] 对于六棱柱体基本单元，当植入体的材料选取a -Ti (E = llOGPa，ν = 〇. 33)时， 如图3所示：利用有限元方法计算可得支架材料相对模量与支架相对密度的关系。结果表 明，η 1取值范围选择在1.0-2. 5, 112取值范围选择在0. 10-0. 50,和通孔内接圆半径r选择 在150 μ m-750 μ m范围时，支架材料的相对模量将低于30GPa，满足人体皮质骨模量范围。
[0068] 实施例2
[0069] 对于四棱柱体基本单元，当植入体的材料选取a -Ti (E = llOGPa，ν = 〇. 33)时， 如图4所示：利用有限元方法计算可得支架材料相对模量与支架相对密度的关系。结果表 明，η 1取值范围选择在1.0-2. 5, 112取值范围选择在0.1-0. 35,和通孔内接圆半径r选择 在150 μ m-750 μ m范围时，支架材料的相对模量将低于30GPa，满足人体皮质骨模量范围。
[0070] Mg实施例组
[0071] 实施例3
[0072] 对于六棱柱体基本单元，当植入体的材料选取Mg(E = 44GPa，ν = 〇. 26)时，如 图3所示：利用有限元方法计算可得支架材料相对模量与支架相对密度的关系。结果表 明，η 1取值范围选择在1-2. 5，112取值范围选择在0.1-0. 5,和通孔内接圆半径r选择在 150 μ m-750 μ m范围时，支架材料的相对模量将低于30GPa，满足人体皮质骨模量范围。
[0073] 实施例4
[0074] 对于四棱柱体基本单元，当植入体的材料选取Mg(E = 44GPa，v = 〇. 26)时，如 图4所示：利用有限元方法计算可得支架材料相对模量与支架相对密度的关系。结果表明， Π 1取值范围选择在1.2-2. 5, η2取值范围选择在0. 15-0. 50,和通孔内接圆半径r选择在 150 μ m-750 μ m范围时，支架材料的相对模量将低于30GPa，满足人体皮质骨模量范围。
[0075] Co-Cr-Mo 实施例组
[0076] 实施例5
[0077] 对于六棱柱体基本单元，当植入体的材料选取Co-Cr-Mo (E = 248GPa，v =〇· 30) 时，如图3所示：利用有限元方法计算可得支架材料相对模量与支架相对密度的关系。结 果表明，η 1取值范围选择在1.0-1. 5, η2取值范围选择在0. 10-0. 25,和通孔内接圆半径r 选择在150 μ m-750 μ m范围时，支架材料的相对模量将低于30GPa，满足人体皮质骨模量范 围。
[0078] 实施例6
[0079] 对于四棱柱体基本单元，当植入体的材料选取Co-Cr-Mo (E = 248GPa，v =〇· 30) 时，如图4所示：利用有限元方法计算可得支架材料相对模量与支架相对密度的关系。结 果表明，Π 1取值范围选择在1.0-2. 3, 112取值范围选择在0. 10-0. 45,和通孔内接圆半径r 选择在150 μ m-750 μ m范围时，支架材料的相对模量将低于30GPa，满足人体皮质骨模量范 围。
[0080] 上述【具体实施方式】只是对本发明的技术方案进行详细解释，本发明并不只仅仅局 限于上述实施例，凡是依据本发明原理的任何改进或替换，均应在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
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径为150μηι-750μηι。
3. 根据权利要求2所述的低模量医用植入多孔支架结构，其特征在于：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〇. 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。
4. 根据权利要求3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 孔的横截面面积大于所述侧壁上的"X型"框架结构的孔隙的横截面面积。
【文档编号】A61F2/90GK104207867SQ201410401502
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年8月13日 优先权日:2014年8月13日
【发明者】林锦新, 吴松全, 林俊杰, 卢衍锦, 甘艺良, 赵超前 申请人:中国科学院福建物质结构研究所