基于双正直角三棱锥螺旋结构胞元的多孔结构

本发明属于医用材料，涉及骨植入物的构建，特别是涉及构建一种孔隙率可以调整的富含孔隙结构的骨植入物。

背景技术：

1、人体骨缺损作为临床上的一种常见病，往往是因为受伤、骨质疏松、肿瘤切除等原因导致。在临床上，目前已有将金属骨植入物植入人体代替缺损骨的成熟技术，而多孔材料具有多种适合于植入人体的优点，被广泛应用于医疗领域。

2、作为骨植入物，多孔结构有着与人体骨相近的弹性模量，从而能够避免“应力屏蔽”现象的发生。同时，多孔结构的孔相互贯通，有利于骨组织的长入，较大的比表面积也为骨组织的依附增殖提供了空间，进一步提升了金属骨植入物与宿主骨的结合强度。

3、张凯雯等（3d打印膝关节假体多孔结构对骨组织应力遮挡影响的数值仿真[d].吉林: 吉林大学, 2019）应用有限元方法，研究了立方型、截面立方型、八面体柱型三种单元体的几何形状对钛合金多孔结构强度和刚度的影响。

4、梁天等（多孔骨组织工程支架复合结构的设计和仿真分析[d]. 吉林: 吉林大学,2022）采用有限元方法对两种单元结构组成的复合支架进行了压缩和渗透仿真分析，并探究不同多孔结构弹性模量和屈服强度以及渗透率和流速分布等方面的差异。

5、杜岳等（应用于骨科的可控不规则多孔结构的设计与性能研究[d]. 江苏: 南京航空航天大学, 2020）提出一种可控的不规则多孔结构的设计方法，并对相关力学和渗透等性能进行了研究。

6、郭萌萌等（钛合金多孔股骨柄对骨组织应力遮挡影响的数值仿真研究[d]. 吉林:吉林大学, 2022）选取cube型、三周期极小曲面的gyroid型和diamond型结构，将个性化实心股骨柄与多孔结构结合，建立了多孔股骨柄模型。

7、然而，上述研究中规则多孔结构存在着孔隙率调节方式复杂，无法快速精简地构建不同弹性模量多孔结构的问题，而不规则多孔结构虽然形态更接近于人体骨，但是相比于规则结构，应力集中现象却更加严重，不能满足患者对于骨植入物使用寿命的需求。

8、申请号为202311450422.4的专利申请提出了一种基于双正直角三棱锥螺旋结构胞元的多孔结构骨植入材料，快速精简地构建具有不同孔隙率的不同弹性模量多孔结构胞元，根据不同的骨弹性模量需求组合成符合力学要求的多孔骨植入物，使所构建的多孔结构具有更为合理的应力分布特征。

9、但是，人体骨是由皮质骨和松质骨两部分组成的，为非均质结构，其孔隙率从边缘到中心逐渐增大，因此作为人体骨的替代物，骨支架也应具有类似的孔隙率分布规律，从而在特定的位置满足特定的生物力学与生物相容性要求。

10、高芮宁等（3d打印骨科植入物孔隙结构设计与优化方法研究[d]. 上海: 上海交通大学, 2020）对tpms孔隙结构设计方法进行研究，讨论分析均质孔隙结构、梯度孔隙结构、融合孔隙结构的设计建模与参数调控方法，提出仿天然骨的径向梯度孔隙结构设计方法，同时证明了径向梯度多孔结构的力学性能要高于相同孔隙率的均匀多孔结构。

11、研究表明，梯度多孔支架通过对天然骨结构的孔隙率分布进行模拟，能够很好的满足人体对骨植入物力学性能方面的需求。但现有的径向梯度多孔骨植入物存在孔隙率调节方式复杂，建模过程繁琐的问题，采用逆向建模方式构建的人体骨植入物则存在孔隙率在径向的局部位置分布不均，从而导致骨植入物应力集中现象严重的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决现有骨植入物孔隙率分布均一，无法模拟真实人体骨孔隙率分布规律的问题，提供一种基于双正直角三棱锥螺旋结构胞元的多孔结构。

2、本发明所述的基于双正直角三棱锥螺旋结构胞元的多孔结构是构建双正直角三棱锥螺旋结构胞元，并以结构胞元组建单元体，通过一系列具有不同高度和孔隙率的单元体堆垛多孔结构单元，经阵列复制得到的任意相邻结构胞元的正直角三棱锥侧面连接、结构胞元之间富含孔隙结构的多孔结构。

3、本发明首先构建了一种双正直角三棱锥螺旋结构胞元，具体包括：

4、设置一个两端底面均为正三角形、具有三个四边形侧面的三棱柱 t1，所述三棱柱 t1的垂直高度为 h1，正三角形的边长为；

5、保持所述三棱柱 t1的一个正三角形底面固定，另一个正三角形底面沿其自身底面中心旋转60°，带动3个四边形侧面扭曲变形，构建得到一个具有2个正三角形底面、3个侧面为曲面的、垂直高度为 h1的螺旋结构 h1；

6、在所述螺旋结构 h1的2个正三角形底面上连接2个具有相同正三角形底面的正直角三棱锥 s，构建双正直角三棱锥螺旋结构胞元 c1，所述正直角三棱锥 s的3个侧面为直角边长 x的等腰直角三角形。

7、如果将上述构建的双正直角三棱锥螺旋结构胞元 c1的2个正直角三棱锥 s的6个侧面进行空间延伸，则延伸出的平面彼此两两相交，可形成一个容纳有所述双正直角三棱锥螺旋结构胞元 c1的小长方体外部轮廓 v，所述2个正直角三棱锥 s位于该小长方体外部轮廓 v的对角位置。

8、进而，本发明以上述构建的双正直角三棱锥螺旋结构胞元组建单元体，具体是由4个相同的双正直角三棱锥螺旋结构胞元 c1以结构胞元一侧正直角三棱锥 s的顶点为同一顶点，通过正直角三棱锥 s的侧面两两接触，围绕顶点构建得到一个具有大长方体外部轮廓 w的单元体 u1。

9、容易理解，本发明上述构建的单元体 u1的大长方体外部轮廓 w实际上就是由4个小长方体外部轮廓 v拼接组成的。

10、所述单元体 u1通过4个正直角三棱锥侧面拼接成边长为的正方形作为单元体的第一接触面，由分散于大长方体外部轮廓 w四个顶角的4个平行于第一接触面的正直角三棱锥侧面形成第二接触面，且单元体 u1的高度 l1为第一接触面与第二接触面之间的垂直距离。

11、这也就是说，本发明所述单元体内的任意一个双正直角三棱锥螺旋结构胞元，都可以是由其相邻结构胞元以二者重合的正直角三棱锥直角边长为轴旋转90°后得到。

12、本发明以所述大长方体外部轮廓 w体积同全部双正直角三棱锥螺旋结构胞元 c1体积的差值与大长方体外部轮廓 w体积的比值作为单元体 u1的孔隙率 p1%。

13、接着，本发明继续组建了一系列具有不同高度和孔隙率的单元体，具体是保持单元体 u1所形成的第一接触面固定，第二接触面沿其高度方向向上或下移动距离，移动过程中正直角三棱锥 s保持不变形，螺旋结构 h1变形，构建得到一个具有大长方体外部轮廓的高度 l2的单元体 u2。显然，上述组建的单元体 u2的第一接触面与第二接触面对应与单元体 u1的第一接触面和第二接触面相同，只是具有不同的高度以及不同的孔隙率 p2%。

14、采用同样方式，可以获得一系列具有不同单元体高度和孔隙率的单元体 u3、 u4、……、 un。

15、再接着，本发明通过上述组建的一系列单元体 u1、 u2、 u3、 u4、……、 un间隔翻转连接，堆垛构建获得了一个在空间 z轴方向上孔隙率变化的多孔结构单元。

16、最后，本发明通过在空间 x轴和 y轴方向上阵列复制所述多孔结构单元，构建出了一个任意相邻结构胞元的正直角三棱锥侧面连接、结构胞元之间富含孔隙结构的多孔结构。

17、本发明中，所述螺旋结构 h1是构成结构胞元的核心部分。该螺旋结构是在三棱柱 t1的基础上沿其一个正三角形底面的中心轴旋转形成的，该旋转过程会造成3个三棱柱的侧面扭曲变形，因此所形成的螺旋结构的3个侧面为曲面。

18、更具体地，所述的曲面是由螺旋结构 h1的上、下2个正三角形底面边长上角度相差60°的2个点的连线所构成的曲面。

19、进一步地，所述的角度60°具体是指所述2个点与各自所在的正三角形底面的中心轴的连线之间形成的夹角。

20、基于螺旋结构的上述构建方式，本发明所形成的螺旋结构 h1上任意平行于2个正三角形底面的截面也同样是正三角形，只是其的面积发生变化而已。

21、显然，本发明所构建多孔结构的孔隙率是与单元体的高度 l以及正直角三棱锥的直角边长 x相关的。因此，在保持正直角三棱锥直角边长 x恒定的前提下，只需要简单地通过梯度变化螺旋结构的高度构建不同高度 l的单元体进行堆垛，就能够方便地构建得到孔隙率梯度变化的多孔结构。

22、孔隙率不同，多孔结构的密度不同，因此，利用常规的有限元分析软件对有限个具有不同单元体高度 l的多孔结构进行压缩分析，再对所得数据进行拟合，即可得出弹性模量与单元体高度 l的关系；进而，根据不同的骨弹性模量需求，选择力学性能相匹配的多孔结构与具有植入物轮廓的实体进行布尔运算，最终能够构建出由不同孔隙率多孔结构组合成的符合力学要求的多孔骨植入物。

23、本发明构建多孔结构的孔隙率调整方式简便，仅需要改变螺旋结构的高度参数，即可实现孔隙率的实时调节，从而可以快速精简地构建不同弹性模量的多孔结构骨植入物；同时，本发明通过有限元分析得出不同孔隙率多孔结构骨植入物压缩数据，经拟合得出螺旋结构高度与弹性模量的函数关系，极大地简化了多孔结构骨植入物的构建流程。

24、采用本发明多孔结构构建的多孔结构骨植入物更接近于真实人体骨的孔隙率分布规律，解决了现有骨植入物孔隙率分布均一，无法模拟真实人体骨的问题。