具有混合曲面结构单元的植入体结构及制备方法与流程

本发明涉及生物医用植入材料技术领域，具体涉及一种具有混合曲面结构单元的植入体结构及制备方法。

背景技术：

在临床中，修复大面积骨缺损的重要方法之一是人工假体置换手术。其中多孔结构被广泛应用，然而现有的植入体结构多为传统的单一杆状结构单元，而人的自然骨组织的结构和性能具有随空间位置不同的梯度分布，因此这类支架在力学性能和生物相容性方面都无法达到匹配。一方面，杆基点阵结构由于其存在明显的节点，在此处易产生局部应力集中，因此无法高效传递载荷，并易在循环应力的作用下失效；另一方面，杆基点阵的比表面积较低，而这不利于细胞在支架上的附着和增殖。总体来看，目前的单一点阵结构无法同时满足力学性能和生物形容性能的要求。

另外，传统的粉末烧结和铸造方法在制备植入体结构时工艺复杂、生产周期长且制备精度低，因此难以得到具有理想性能的植入体结构。

因此，获得一种具有混合曲面结构的植入体结构是骨置换术中亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种具有混合曲面结构单元的植入体结构及制备方法，该植入体结构采用由两个结构不同的曲面结构单元阵列形成的两个支架结构组合而成，具备良好的力学性能和生物学性能，充分发挥两个曲面结构各自的优势，即其中一个曲面结构单元具有高强度，可以模仿相对致密的密质骨提供足够的力学支撑，另一个曲面结构单元具有高渗透率，可模仿相对疏松的松质骨促进体内物质运输，并且两个曲面结构单元可通过数学函数进行精确控制，实现设计及成形的准确性，以解决现有技术中植入体结构的组成结构单元单一且性能与人体骨组织的性能差距较大的技术问题。

为了实现上述目的，根据本发明的第一方面，提供了一种具有混合曲面结构单元的植入体结构。

该具有混合曲面结构单元的植入体结构包括多个第一曲面结构单元和多个第二曲面结构单元，所述多个第一曲面结构单元阵列形成第一支架结构，所述多个第二曲面结构单元阵列形成第二支架结构，并且所述第一支架结构和第二支架结构通过s型函数过渡连接形成所述植入体结构；

所述第一曲面结构单元和所述第二曲面结构单元分别由隐函数表达式控制，并且所述第一曲面结构单元和所述第二曲面结构单元的结构不同，所述第一支架结构的孔隙率大于所述第二支架结构的孔隙率。

进一步的，所述第一曲面结构单元为diamond曲面结构，所述diamond曲面结构的隐函数表达式为：

其中，a、b、c为结构单元在x、y、z方向的长度；t1为控制结构单元孔隙率的常数。

进一步的，所述第二曲面结构单元为i-wp曲面结构，所述i-wp曲面结构的隐函数表达式为：

其中，a、b、c为结构单元在x、y、z方向的长度；t2为控制结构单元孔隙率的常数。

进一步的，所述diamond曲面结构和i-wp曲面结构在x、y、z方向的长度a、b、c均为0.5～2mm；所述常数t1为0.0833～0.75，所述常数t2为0.3846～3.4615。

基于不同部位孔隙率不同，例如密质骨孔隙率为10％～20％，松质骨的孔隙率为50％～90％，故梯度孔隙率范围定为10～90％，考虑到目标孔隙率范围10％～90％、孔径范围200μm～1000μm以及选择性激光熔化技术的成形精度，即层厚大于等于200μm，故结构单元的尺寸为0.5～2mm。

由于孔隙率范围值为10～90％，故常数t1取值范围为0.0833～0.75，常数t2取值范围为0.3846～3.4615。

进一步的，所述第一支架结构由所述多个第一曲面结构单元沿长、宽、高三个维度进行阵列形成的柱状多孔结构，所述第二支架结构由所述多个第二曲面结构单元沿长、宽、高三个维度进行阵列形成的空心柱状多孔结构；所述第一支架结构设置在所述第二支架结构的中部空心处。

进一步的，所述第一支架结构为圆柱体状多孔结构所述第二支架结构为空心圆柱体状多孔结构。

进一步的，所述s型函数的表达式为：

其中，k为控制所述第一支架结构和第二支架结构之间过渡区域宽度的常数，其值为0.5～3；函数g(x,y,z)决定过渡区域的形貌，且函数g(x,y,z)＝0所对应的坐标为过渡区域中心。

k值控制第一支架结构和第二支架结构之间过渡区域的宽度，k值越大过渡区域越窄，函数g(x,y,z)决定过渡区域的形貌，且函数g(x,y,z)＝0所对应的坐标为过渡区域中心，即过渡区域内第一支架结构和第二支架结构的比例为50％第一支架结构和50％第二支架结构对应的位置，具体的应根据实际情况进行选择。

进一步的，所述植入体结构的表达式为：

进一步的，圆柱状植入体结构的表达式为：

其中，

其为所述植入体结构不同位置的半径函数；r0为所述圆柱状植入体结构的半径；z为所述植入体结构不位置的高度；h为所述圆柱状植入体结构的高度。

上述表达式中前两个不等式分别决定了两个等值面包围的体积，因此取交集之后即可得到两个等值面之间的部分，即确定了所需植入体结构的形貌；后两个不等式决定了植入体结构的边界。

为了实现上述目的，根据本发明的第二方面，提供了一种具有混合曲面结构单元的植入体结构的制备方法。

上述的具有混合曲面结构单元的植入体结构的制备方法包括以下步骤：

s1，构建结构表达式：确定第一曲面结构单元和第二曲面结构单元的结构，以及第一支架结构和第二支架结构的表达式，并将第一支架结构和第二支架结构的表达式通过s型函数进行连接，得到基于混合曲面结构单元的植入体结构的表达式；

s2，构建梯度结构：将植入体结构的表达式及其结构参数进行可视化处理，得到植入体结构的3d模型并导出；

s3，对植入体结构的模型进行分层切片处理，并将得到的二维数据信息输入金属打印设备中；所述金属打印设备的工艺参数为：激光功率150～200w，扫描速度600～900mm/s，扫描间距0.1～0.14mm，铺粉层厚20～30μm；

s4，采用选择性激光熔化技术制备得到植入体结构。

在本发明中，函数g(x,y,z)决定过渡区形貌，具体方式为：在过渡区域内，控制在不同位置的两种结构的比例。

例如：过渡区中心在x＝0处(即g(x,y,z)函数的零点为x＝0)，且g(x,y,z)为一次函数时，在不同位置两种结构的比例如图10所示；

保持过渡中心不变，当g(x,y,z)为三次函数时，在不同位置两种结构的比例如图11所示；

可以看出，不同的g(x,y,z)函数决定过渡区域内两种结构的比例，因而决定了不同的过渡区形貌。

因此，g(x,y,z)函数应符合以下要求：

g(x,y,z)在定义域内连续，定义域为支架结构的尺寸坐标范围；

g(x,y,z)在定义域内存在零点，即过渡区域在定义域内；

g(x,y,z)在定义域内单调增加或单调减少，即保证过渡区域中心两侧为不同的支架结构。

三周期极小曲面(tpms)在曲面上各点的平均曲率为零且在空间中周期排列，其单胞之间可以光滑连接，这有利于避免传统点阵结构中节点处易产生的应力集中。另外，tpms有高的比表面积，利于细胞的附着、增殖和分化。除此之外，可以通过数学公式直接控制改变tpms的孔隙度、单胞类型和单胞尺寸，因此可以精确调控所需植入体结构的结构特征。

本发明相对于现有技术具有如下优点：

1、本发明所设计的植入体结构，包括两种不同的单元结构，第一曲面结构单元和第二曲面结构单元，且两种结构单元分别由隐函数公式控制，因此可以灵活控制，通过更改相关参数即可得到不同的点阵结构，使植入体结构在不同的空间位置具有不同的结构和性能。

2、本发明所采用的tpms基结构单元与传统的杆基结构单元相比，由于其完全由数学函数控制，因此在两个混合点阵之间可以实现平滑过渡，这大大提高了力的传递效率，提高了支架的力学性能；与骨组织相似的表面曲率特征以及大的比表面积也利于物质运输、细胞的附着和增殖，大大提升了支架的生物相容性。

3、本发明所设计的植入体结构具有与骨组织结构表面曲率十分相似的结构单元，且两种结构单元具有各自的优势，即i-wp曲面结构单元具备高强度，diamond曲面结构单元具备高渗透率；因此，模仿人骨骼“外密内疏”的结构特性，以及外层密质骨提供支撑强度，内部松质骨提高渗透率等功能特性，将两者结合，可得到与人体骨组织结构和功能相似的支架结构；具体地，i-wp曲面结构位于植入体结构的外层提供支撑强度，diamond曲面结构位于植入体结构的内层提高支架的渗透率，因此，所制备的植入体结构不仅满足植入物的高强度和低弹性模量要求，表现出良好的力学相容性；而且有利于细胞的粘附、增殖和分化并促进营养物质的运输及代谢废物排出体外，表现出良好的生物相容性。

4、本发明所设计的植入体结构的孔隙率在内部和外部呈梯度变化，并且在过渡处平滑连接，避免了局部应力集中。

5、本发明所设计的植入体结构的制造相比于传统制造方法更加简单，生产周期短且成形精度高。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例中i-wp曲面结构的结构示意图；

图2为本发明实施例中diamond曲面结构的结构示意图；

图3为本发明实施例中第一支架结构的结构示意图；

图4为本发明实施例中第一支架结构的俯视图；

图5为本发明实施例中第二支架结构的结构示意图；

图6为本发明实施例中第二支架结构的俯视图；

图7为本发明实施例中植入体结构的结构示意图；

图8为本发明实施例中植入体结构的俯视图；

图9为本发明实施例中植入体结构纵向二分之一结构的主视图；

图10为本发明实施例中过渡区中心在x＝0处，且g(x,y,z)为一次函数时，在不同位置两种结构的比例图；

图11为本发明实施例中过渡区中心在x＝0处，且g(x,y,z)为三次函数时，在不同位置两种结构的比例图。

图中：

1、第一支架结构；2、第二支架结构；3、中部空心；a、第一支架结构和第二支架结构之间的过渡区域；b、低孔隙率区；c、高孔隙率区；d、第一支架结构和过渡区域之间的界面；e、过渡区域和第二支架结构之间的界面。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本发明公开了一种具有混合曲面结构单元的植入体结构，如图1～图9所示，该具有混合曲面结构单元的植入体结构包括多个第一曲面结构单元和多个第二曲面结构单元，多个第一曲面结构单元阵列形成第一支架结构1，多个第二曲面结构单元阵列形成第二支架结构2，并且第一支架结构1和第二支架结构2通过s型函数过渡连接形成植入体结构；第一曲面结构单元和第二曲面结构单元分别由隐函数表达式控制，并且第一曲面结构单元和第二曲面结构单元的结构不同，第一支架结构1的孔隙率大于第二支架结构2的孔隙率。

在上述实施例中，植入体结构主要由两个支架结构组合形成，而第一支架结构主要由多个第一结构单元阵列形成，第二支架结构主要由多个第二结构单元阵列形成，并且第一支架结构1和第二支架结构2通过s型函数过渡连接形成植入体结构；植入体结构的孔隙率呈梯度变化。具体地，植入体结构中位于外层的支架结构的孔隙率小于位于内部的支架结构的孔隙率；进一步地，第一结构单元和第二结构单元分别由隐函数表达式控制，并且第一结构单元和第二结构单元的结构不同，多个相同的结构单元沿长、宽、高三个维度进行阵列形成一支架结构，而形成不同支架结构的结构单元的结构不同。

由于第一支架结构1的孔隙率大于第二支架结构2的孔隙率，第一支架结构1具有较低的密度以及较高的孔隙率，可有效降低植入体的弹性模量，避免“应力屏蔽”现象的发生，且diamond曲面结构有利于提高支架的渗透率，促进体液运输，有利于细胞的增殖和分化，加速组织再生；相应地，第二支架结构2相比较于第一支架结构1具有较高的密度以及较低的孔隙率，能够提供骨组织作为承力结构所需的高强度。

利用s型过渡函数，将具有较低孔隙率、较高密度的第二支架结构2与具有较高孔隙率、较低密度的第一支架结构1平滑过渡连接，形成“外密内疏”结构体，与人体骨骼的特性，即表层具有高强度低孔隙率的骨密质，内层具有低强度高孔隙率的骨松质高度吻合，因而可以实现在保证植入体作为承力件的强度需要的同时降低弹性模量，使植入体与自然骨具有良好的力学相容性；同时具备良好的生物相容性，延长植入体的使用寿命。

作为本发明的另一种实施例，第一支架结构1为采用多个第一结构单元沿长、宽、高三个维度进行阵列形成的柱状多孔结构，如图3和图4所示；第二支架结构2为采用多个第二结构单元沿长、宽、高三个维度进行阵列形成的空心柱状多孔结构，如图5和图6所示，第一支架结构1设置在第二支架结构2的中部空心3处。

进一步地，第一支架结构1为圆柱体状多孔结构。

进一步地，第二支架结构2为空心圆柱体状多孔结构，并且第一支架结构通过s型函数连接在第二支架结构2的中部空心3处。

作为本发明的另一种实施例，第一曲面结构单元为diamond曲面结构，diamond曲面结构的隐函数表达式为：

其中，a、b、c为结构单元在x、y、z方向的长度尺寸；t1为控制结构单元孔隙率的常数，其值为0.0833～0.75；也即通过调整结构单元的尺寸a、b、c以及t1值，可得到不同尺寸和孔隙率的diamond曲面结构单元。

作为本发明的另一种实施例，第二曲面结构单元为i-wp曲面结构，i-wp曲面结构的隐函数表达式为：

其中，a、b、c为结构单元在x、y、z方向的长度尺寸；t2为控制结构单元孔隙率的常数，其值为0.3846～3.4615；也即通过调整结构单元的尺寸a、b、c以及t2值，可得到不同尺寸和孔隙率的i-wp结构单元。

作为本发明的另一种实施例，diamond曲面结构在x、y、z方向的长度a、b、c均在0.5～2mm范围内。

作为本发明的另一种实施例，i-wp曲面结构在x、y、z方向的长度a、b、c均在0.5～2mm范围内。

作为本发明的另一种实施例，第一支架结构1和第二支架结构2通过s型函数平滑过渡连接，s型函数的表达式为：

其中，k为控制第一支架结构1和第二支架结构2之间过渡区域宽度的常数；函数g(x,y,z)决定过渡区域的形貌，且函数g(x,y,z)＝0所对应的坐标为过渡区域中心。k值以及函数g(x,y,z)根据实际情况进行选择，也即根据实际需要选择合适的s型函数表达式。

作为本发明的另一种实施例，植入体结构的表达式为：

作为本发明的另一种实施例，圆柱状植入体结构的表达式为：

其中，其为植入体结构不同位置的半径函数；r0为圆柱状植入体结构的半径；z为植入体结构不同位置的高度；h为圆柱状植入体结构的高度。各参数值可以根据实际情况进行选择。

如图9所示，基于i-wp曲面结构单元和diamond曲面结构单元的植入体结构中第二支架结构2形成的外层低孔隙率区a具有高相对密度，可提供足够的强度，而第一支架结构1形成的内层高孔隙率区b具有低相对密度，可明显降低植入体的弹性模量，并促进体液的运输及细胞的增殖和分化，第一支架结构1与第二支架结构2通过s型函数控制的过渡区域c平滑连接成一整体支架结构，避免应力集中。

本发明还公开了一种植入体结构的制备方法，该制备方法具体包括以下步骤：

s1，构建结构表达式；根据植入体所需的结构和性能特征，确定需要选用的i-wp曲面结构和diamond曲面结构的尺寸、孔隙度，即可确定第一支架结构和第二支架结构的表达式，并选择合适的s型函数，将第一支架结构和第二支架结构的表达式通过s型过渡函数进行连接，得到植入体结构的表达式。

s2，构建梯度结构：将植入体结构的表达式及其尺寸和形状参数输入mathematica软件进行可视化处理，得到植入体结构的3d模型并导出；其中，将植入体结构的表达式及其尺寸和形状参数进行布尔运算，可得到圆柱状植入体结构的表达式，具体为：

s3，通过快速成型辅助软件materialisemagics对植入体结构的模型进行分层切片处理，并将得到的二维数据信息输入金属打印设备中；金属打印设备的工艺参数为：激光功率150～200w，扫描速度600～900mm/s，扫描间距0.1～0.14mm，铺粉层厚20～30μm。

s4，采用选择性激光熔化技术制备得到植入体结构。在该步骤中，采用粒度范围为30～45μm的ti粉末为原料，通过slm设备来制备植入体结构。

s5，将上述步骤制备得到的植入体结构的制品取出后，经过喷砂及超声处理，得到植入体结构成品。同时通过压缩实验得到压缩屈服强度和弹性模量，与人体骨组织比较。

需要说明的是，本发明在步骤s2之后，步骤s3之前还对构建得到的植入体结构的模型进行力学性能和渗透性分析，具体地：

力学分析，通过有限元分析软件ansysworkbench软件对所设计得到的植入体结构模型进行仿真模拟，得到植入体结构模型的最大等效应力，判断其在设置的工况条件下是否失效。其中，仿真具体条件设置如下：材料参数根据3d打印制品的性能参数设置，即密度4.64g/cm³，泊松比0.33，弹性模量110gpa，圆柱体下表面添加固定约束条件，垂直于上表面施加50mpa的固定力，因为骨骼承受的力一般为人体重力的5倍，故假定一位成年男子的体重为75kg，根据p＝f/s得到所受应力为50mpa。

通过ansysworkbench软件中的fluent模块对植入体结构进行渗透性的仿真模拟，仿真条件如下：为模拟体液，确保液体处于层流，入口为速度入口，值设置为0.001m/s，流体设置为不可压缩流体水，密度为1000kg/m³，粘度为0.001pa·s，出口为压力出口，值设置为0pa，壁面条件设置为非滑移壁面；通过渗透率公式及压力分布云图计算得到渗透率。

下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

实施例1：

一种基于i-wp曲面结构单元和diamond曲面结构单元的植入体结构，该植入体结构为柱状多孔结构，尺寸为孔隙率沿径向梯度为50％-80％-50％，包括内层的第一支架结构1和外层的第二支架结构2，且第一支架结构1和第二支架结构2之间通过s型过渡函数连接；其中s型过渡函数的表达式为：

第一支架结构1孔隙率为80％，形成内层高孔隙率低密度区；第一支架结构1为多个diamond曲面结构单元阵列形成，其对应的隐函数表达式为：

diamond曲面结构单元尺寸为2mm，由隐函数表达式控制得到；

第二支架结构2的孔隙率为50％，形成外层低孔隙率高密度区；第二支架结构2为多个i-wp曲面结构单元阵列形成，其对应的隐函数表达式为：

i-wp曲面结构单元的尺寸为2mm，由隐函数表达式：控制得到；

最后，经布尔运算得到直径10mm，高10mm的柱状多孔结构，其对应的表达式为：

对实施例1中得到的植入体结构模型进行力学性能和渗透性能的仿真模拟。

实施例1中的植入体结构的制备方法包括以下步骤：

s1，构建结构表达式；根据植入体所需的结构和性能特征，确定需要选用的i-wp曲面结构和diamond曲面结构的结构单元的尺寸、孔隙度，即可确定第一支架结构1和第二支架结构2的表达式，并选择合适的s型函数，将第一支架结构1和第二支架结构2的表达式通过s型过渡函数进行连接，得到植入体结构的表达式；

s2，构建梯度结构：将植入体结构的表达式及其结构的尺寸和形状参数输入mathematica软件进行可视化处理，得到植入体结构的3d模型并导出；

s3，将mathematica软件绘制的3d模型导入快速成型辅助软件materalisemagics中进行分层切片处理，得到二维数据信息；

s4，将二维数据信息进行扫描路径生成，将所得二维数据输入slm设备中，并设置工艺参数：激光功率180w，扫描速度900mm/s，扫描间距0.14mm，铺粉层厚30μm；

s5，利用slm设备进行结构制备，取出后进行喷砂、超声处理。同时通过压缩实验得到屈服强度和弹性模量，与人体骨组织比较。

实施例2～4分别公开了一种植入体结构，并且采用与实施例1相同的制备方法制备，所不同之处主要在于植入体结构及各组成支架结构的尺寸、孔隙率不同以及slm设备的具体工艺参数不同，现将实施例1～4中植入体结构的相关结构参数及制备方法中的各工艺参数进行汇总，详见表1～表4。

表1

表2

表3

表4

以下将对实施例1～4中制备得到的植入体结构的性能进行总结，详见表5。

表5

从表5可以看出，在50mpa的应力作用下，本发明实施例1～4中制备得到的植入体结构的最大等效应力为160.75～503.3mpa，均小于材料的屈服强度830mpa，故在该应力条件下不会发生失效；其压缩屈服强度在126.32～211.6mpa，在密质骨(10～220mpa)强度范围内，且远超过松质骨的强度(0.8～11.6mpa)；弹性模量在5.68～7.15gpa范围内，与人体骨组织的弹性模量值(0.01～30gpa)较为接近，具备良好的力学相容性。

根据渗透性模拟计算得到的渗透率为5.92*10^-9～10.26*10^-9m²与人体骨组织的渗透率0.467*10^-9～14.8*10^-9m²接近，表明本发明中制备得到的植入体结构具备良好的渗透性能，有利于细胞的粘附、增殖和分化，促进营养物质的运输及代谢废物排出体外。

本发明实施例1～3中制备得到的植入体结构的孔隙率均为65％，大于50％，在松质骨的孔隙率范围50％～90％内，因此可用于松质骨的修复。

此外，通过比较实施例1、实施例2和实施例3的实验结果可以看出，在孔隙率相同的条件下，适当减小单元结构的尺寸，可提高所制备支架的屈服强度，但会降低其渗透性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。