一种具有完整晶格界面的径向梯度多孔结构、制备方法及应用与流程

本发明属于医用植入物，具体涉及一种具有完整晶格界面的径向梯度多孔结构、制备方法及应用。

背景技术：

1、随着3d打印技术的快速发展，为降低金属植入物的弹性模量，涌现出一大批具有多孔结构的植入物。这些植入物的多孔结构均为通过对单个晶格单元进行矩形阵列排布，并使用布尔运算对填充区域进行切割，以生成多孔结构。这种多孔结构整体均为高孔隙率以降低植入物的弹性模量，并为骨细胞生长提供空间。但位于产品表面的晶格单元在被切割后会形成不完整的晶格界面，从而使多孔结构表面的单元杆无法连接在一个公共节点上，从而在多孔结构表面形成大量孤立的单元杆，影响了多孔结构表面的应力传导，降低了多孔结构植入体的强度。此外，具有不完整晶格界面的多孔结构在植入人体后受到外力作用，孤立的单元杆容易发生断裂脱落，断裂脱落后的单元杆残留在人体中会对人体产生不良影响。

2、cn 116059012a公开了一种多维空间梯度孔型极小曲面骨植入体材料及其设计方法，在该方案中通过在三维空间上调整单元杆的直径大小，以形成不同内孔形状和尺寸的网格状多孔结构阵列，改变了多孔结构的密度；然而该方案中的多孔结构是通过改变单元杆的直径大小进而调整多孔结构密度，在局部区域内由于晶格单元的单元杆的直径大小不一致，致使该局部区域中的应力分布不均匀。因此，需要制备一种具有完整晶格界面且兼顾应力分布和结构强度的多孔结构。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种具有完整晶格界面的径向梯度多孔结构、制备方法及应用。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

2、本发明提供了一种具有完整晶格界面的径向梯度多孔结构，包括：若干层环层；

3、所述若干层环层沿径向同中心轴线设置，所述若干层环层从距离中心轴线最近的最内层环层至距离中心轴线最远的最外层环层依次连接；

4、所述环层中包括若干个晶格单元，所述若干个晶格单元环状阵列设置，所述若干个晶格单元依次连接；

5、同一层的所述环层中的晶格单元的大小均相等，同一层的所述环层中的晶格单元的晶格形态均相同；

6、所述若干层环层中的晶格单元的大小沿径向从中心轴线向外依次增大，形成径向梯度；

7、相邻环层的所述晶格单元一一对应连接，对应连接的两个所述晶格单元的相邻的弧长相等；

8、所述若干层环层的中的晶格单元的径向长度均相等；

9、所述若干层环层的中的晶格单元的单元杆的直径均相等；

10、所述多孔结构最外侧的环层为晶格界面，所述晶格界面中的晶格单元均为完整的晶格单元。

11、在本发明的一个实施例中，所述多孔结构为具有对称的中心轴线的几何体，包括：圆柱体、球体、圆柱壳体或球壳体。

12、在本发明的一个实施例中，所述晶格单元的晶格形态包括：金刚石单元、面心立方单元、体心立方单元或蜂窝单元。

13、本发明提供了一种具有完整晶格界面的径向梯度多孔结构的制备方法，用于制备具有完整晶格界面的径向梯度多孔结构，包括：

14、步骤1：根据多孔结构的植入部位的植入要求，分别得到多孔结构的实际的几何外形和多孔结构的环层结构的几何外形；

15、步骤2：根据所述多孔结构的环层结构的几何外形，确定多孔结构的环层结构，以得到径向梯度的多孔结构的模型；

16、步骤3：根据所述多孔结构的实际的几何外形，对所述径向梯度的多孔结构的模型进行晶格阵列，得到具有完整晶格界面的径向梯度多孔结构的初步模型；

17、步骤4：验证具有完整晶格界面的径向梯度多孔结构的初步模型的整体的孔隙率和晶格界面的孔隙率，若满足所述植入要求，得到具有完整晶格界面的径向梯度多孔结构的最终模型；若不满足所述植入要求，则重复步骤2～步骤3，直至整体的孔隙率和晶格界面的孔隙率均满足所述植入要求，得到具有完整晶格界面的径向梯度多孔结构的最终模型；

18、步骤5：根据所述具有完整晶格界面的径向梯度多孔结构的最终模型，采用3d打印制备得到具有完整晶格界面的径向梯度多孔结构。

19、在本发明的一个实施例中，所述步骤2包括：

20、步骤2.1：根据所述植入要求分别确定位于晶格界面的晶格单元的大小、晶格形态和孔隙率；

21、步骤2.2：根据所述多孔结构的环层结构的几何外形、所述晶格界面的孔隙率、位于所述晶格界面的晶格单元的大小和晶格形态，确定所述多孔结构的环层结构，包括：环层的数量和位于每一层环层中的晶格单元的数量；

22、步骤2.3：根据所述多孔结构的环层结构，将若干个所述晶格单元及环层依次连接在一起，得到径向梯度的多孔结构的模型。

23、在本发明的一个实施例中，所述步骤2.3包括：

24、步骤2.3.1：根据所述位于每一层环层中的晶格单元的数量，计算每一个所述晶格单元的旋转角θ，所述旋转角θ的计算公式为：

25、

26、其中，l为环层中的晶格单元的沿径向远离中心轴线方向的弧长；ln-1为沿径向远离中心轴线方向的第n-1个环层中的晶格单元的弧长；θ为晶格单元的旋转角；r为晶格单元的径向长度；

27、步骤2.3.2：根据所述旋转角θ对所述晶格单元进行变形，得到变形后的晶格单元；

28、步骤2.3.3：将变形后的晶格单元依次连接在一起，得到径向梯度的多孔结构的模型。

29、本发明提供了一种具有完整晶格界面的径向梯度多孔结构在植入体上的应用。

30、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

31、本发明的具有完整晶格界面的径向梯度多孔结构，多孔结构表面高孔隙率有利于骨细胞攀附并生长，同时多孔结构内部低孔隙率增强了多孔结构的强度；若干个晶格单元环状阵列设置并依次连接形成若干层环层，位于同一层环层中的晶格单元的大小相等，单元杆的直径相等，晶格形态相同，多孔结构在局部范围内的应力分布均匀；若干层环层沿径向依次连接，环层中的晶格单元大小沿径向向外依次增大形成径向梯度，提高了多孔结构的结构强度；通过合理设置每一个晶格单元的大小，使多孔结构具备完整的晶格界面，晶格界面中的晶格单元均为完整的晶格单元，优化了多孔结构的应力分布。

32、本发明的具有完整晶格界面的径向梯度多孔结构的制备方法，根据植入部位的植入要求制备多孔结构，从晶格界面的晶格单元向内设计环层及其中的晶格单元，环层中的晶格单元的大小沿径向向外依次增大形成径向梯度，再以多孔整体的孔隙率和晶格界面的孔隙率作为多孔结构的验证标准，以保证多孔结构同时具备完整的晶格表面及良好的结构强度。最后，通过3d打印增材制备多孔结构，制备方法便捷可靠，能够适应不同多孔结构的制备要求。

33、上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

技术特征：

1.一种具有完整晶格界面的径向梯度多孔结构，其特征在于，包括：若干层环层；

2.根据权利要求1所述的具有完整晶格界面的径向梯度多孔结构，其特征在于，所述多孔结构为具有对称的中心轴线的几何体，包括：圆柱体、球体、圆柱壳体或球壳体。

3.根据权利要求1所述的具有完整晶格界面的径向梯度多孔结构，其特征在于，所述晶格单元的晶格形态包括：金刚石单元、面心立方单元、体心立方单元或蜂窝单元。

4.一种具有完整晶格界面的径向梯度多孔结构的制备方法，其特征在于，用于制备权利要求1～3任一项所述的具有完整晶格界面的径向梯度多孔结构，包括：

5.根据权利要求4所述具有完整晶格界面的径向梯度多孔结构的制备方法，其特征在于，所述步骤2包括：

6.根据权利要求5所述具有完整晶格界面的径向梯度多孔结构的制备方法，其特征在于，所述步骤2.3包括：

7.一种如权利要求1～6任一项所述的具有完整晶格界面的径向梯度多孔结构在植入体上的应用。

技术总结
本发明涉及一种具有完整晶格界面的径向梯度多孔结构、制备方法及应用，多孔结构包括：若干层环层，同一层环层中的晶格单元的大小相等且晶格形态相同，多孔结构在局部范围内的应力分布均匀；若干层环层沿径向依次连接，环层中的晶格单元的大小沿径向从中心轴线向外依次增大，形成径向梯度；相邻环层的晶格单元一一对应连接，对应连接的两个晶格单元的相邻的弧长相等；保证了多孔结构同时具备良好的结构强度。通过合理设置每一个晶格单元的大小，使多孔结构具备完整的晶格界面，多孔界面上的晶格单元均为完整的晶格单元，优化了多孔结构表面的应力传导。通过3D打印增材制备多孔结构，制备方法便捷可靠，能够适应不同参数多孔结构制备要求。

技术研发人员：伍苏华,车家同,姚厉
受保护的技术使用者：维度（西安）生物医疗科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16