一种三维负泊松比超材料单胞与阵列结构及其制造方法

本发明涉及骨科医疗器械，尤其涉及一种三维负泊松比超材料单胞与阵列结构及其制造方法。

背景技术：

1、人口老龄化问题日益凸显，骨损伤修复领域目前主流的可降解金属植入材料中，锌及锌合金由于适中的降解速率和良好的生物相容性而备受青睐。生物医用中材料需要为人体细胞的增殖和再生提供相应的生长空间和依附环境，通常制备成为联通的多孔结构。超材料通过特殊的结构设计表现出特殊性质，其中负泊松比超材料除具备特殊泊松比外还表现出抗断裂能力等卓越的力学属性，同时，研究发现负泊松比结构更接近于人体自然骨组织结构特征，有利于细胞增殖和分化，作为植入体结构可以有效促进患者组织的再生修复，生物相容性良好。然而，目前报道的负泊松比结构中二维结构研究较多，三维负泊松比结构较为缺乏。同时，一般的负泊松比结构力学性能不足，强度相对较低，连接节点应力集中问题突出，难以满足实际应用需求。

2、中国专利公开号：cn111063403b公开了一种新型三维负泊松比蜂窝结构，包括组合体和连接体，组合体包括单体和侧接体，单体为内凹六边形，侧接体为开了通槽的单体，所述通槽宽度与单体宽度相同，侧接体固连在单体两侧平面中部，连接体分别固连在单体和侧接体上，若干组的组合体通过连接体阵列呈蜂窝状。但本方案结构在实施过程中力学性能不足，并未基于医学领域的需求进行负泊松比结构力学性能强化设计。

技术实现思路

1、为此，本发明提供一种三维负泊松比超材料单胞与阵列结构及其制造方法，用以克服现有技术中医学领域三维负泊松比结构设计缺乏及单纯负泊松比结构力学性能不足的问题。

2、为实现上述目的，一方面，本发明提供一种三维负泊松比超材料单胞结构，单胞结构由各连接杆进行内凹连接构成，连接杆为圆形截面的圆柱状杆，其中：

3、第一连接杆通过第一内凹节点与第二连接杆、第三连接杆和第四连接杆进行连接，第一连接杆通过第四顶点与第五连接杆和第二十连接杆连接，第二连接杆通过第三顶点与第六连接杆和第二十三连接杆进行连接，第六连接杆通过第二内凹节点与第五连接杆、第七连接杆和第八连接杆进行连接，第七连接杆通过第五顶点与第九连接杆和第十九连接杆进行连接，第八连接杆通过第六顶点与第二十四连接杆和第十二连接杆进行连接，第十二连接杆通过第三内凹节点与第十连接杆、第十一连接杆和第九连接杆进行连接，第十一连接杆通过第八顶点与第十四连接杆和第二十一连接杆进行连接，第十连接杆通过第七顶点与第十三连接杆和第十七连接杆进行连接，第十三连接杆通过第四内凹节点与第十四连接杆、第十五连接杆和第十六连接杆进行连接，第十五连接杆通过第一顶点与第三连接杆和第十八连接杆进行连接，第十六连接杆通过第二顶点与第四连接杆和第二十二连接杆进行连接，第十八连接杆、第十九连接杆、第二十连接杆和第十七连接杆通过第五内凹节点进行连接，第二十一连接杆、第二十二连接杆、第二十三连接杆和第二十四连接杆通过第六内凹节点进行连接。

4、进一步地，单胞结构中同一平面上各顶点与相邻顶点的距离为单胞结构的边长n，设定边长0mm＜n＜100mm，单胞结构的各边长相等。

5、进一步地，单胞结构中连接杆的杆径为d，单胞结构各连接杆的杆径相等，设定0＜d＜0.5×n。

6、进一步地，定义单胞结构中各内凹节点到单胞结构体心的距离为内凹程度参数a，设定0＜a＜0.5×n。

7、进一步地，所述单胞结构设有外接加强杆，外接加强杆为圆形截面的圆柱状杆，各外接加强杆用以与相邻单胞结构的内凹节点连接，定义设有外接加强杆的单胞结构为a型加强单胞结构，外接加强杆杆长为la，设定la＝n-2×a。

8、进一步地，所述单胞结构设有内接加强杆，内接加强杆为圆形截面的圆柱状杆，各内接加强杆用以连接同一单胞结构内相对的两个内凹节点，定义设有内接加强杆的单胞结构为b型加强单胞结构，b型加强单胞结构的内接加强杆相交于单胞结构的体心，并对内接加强杆采用布尔运算的交集方式进行连接，内接加强杆杆长为lb，设定lb＝2×a。

9、进一步地，单胞结构外接加强杆的杆径为da，各外接加强杆的杆径相等，各单胞结构内接加强杆的杆径为db，各内接加强杆的杆径相等，设定d＝da＝db。

10、进一步地，所述单胞结构、a型加强单胞结构和b型加强单胞结构的制备材料包括但不限于锌及锌合金。

11、另一方面，本发明还提供一种三维负泊松比超材料阵列结构，阵列结构由各单胞结构进行顶点阵列连接构成。

12、另一方面，本发明还提供一种三维负泊松比超材料单胞与阵列结构的制造方法，包括：

13、步骤s1，使用200目筛网对纯zn粉末进行震动筛分，得到粉末粒径为15-53μm的粉末颗粒，将粉末颗粒放入真空干燥箱中，设置烘干温度80℃、时间10h进行真空烘干，烘干后自然冷却至室温取出，得到粉末湿度要求10％以下的粉末颗粒，将粉末颗粒装填至slm设备的粉瓶中；

14、步骤s2，将slm设备的平台基板温度设置为预设平台基板温度ts lm，风场风速设置为预设风速v1，打印边界参数的激光扫描功率设置为预设功率w1，边界扫描速度设置为预设边界扫描速度vbs，打印参数的激光扫描功率设置为预设扫描功率ws，打印扫描速度设置为预设扫描速度vs，层厚设置为预设层厚ds lm；

15、步骤s3，对slm设备的平台基板进行磨光与喷砂处理，得到基板表面平行度为0.02、粗糙度为0.8的平台基板，使用无水乙醇对slm设备的刮刀条进行表面清洁，得到表面无明显划痕的刮刀条，开启slm设备的flood inlet与flood outlet进行大量洗气，同时开启platform heating与water cooling，待设备传感器显示成型腔内部氧含量低于2％后，开启gas pump与gas control，待氧含量低于0.05％后，开启打印任务；

16、步骤s4，对打印完成后的试样通过线切割与基板分离，对试样依次使用无水乙醇、酸洗液、无水乙醇进行超声清洗处理并吹干。

17、与现有技术相比，本发明的有益效果在于，单胞结构由连接杆进行内凹连接构成，从而形成具有负泊松比效应的结构，以使该结构接近于人体自然骨组织结构特征，并具有抗断裂能力等卓越的力学属性。

18、尤其，单胞结构的各边长相等，以便于单胞结构进行阵列。

19、尤其，通过设置内凹程度参数小于二分之一的边长，以使单胞结构为内凹结构，从而实现负泊松比效应。

20、尤其，通过设置外接加强杆得到a型加强单胞结构，从而对单胞结构的力学性能进行强化，优化负泊松比结构应力集中，提高医学领域负泊松比结构的力学性能。

21、尤其，通过设置内接加强杆得到b型加强单胞结构，从而对单胞结构的力学性能进行强化，优化负泊松比结构应力集中，提高医学领域负泊松比结构的力学性能。

22、尤其，所述单胞结构、a型加强单胞结构和b型加强单胞结构的制备材料包括但不限于锌及锌合金，以使单胞结构在人体内具有良好的生物相容性，且具有与人体组织需要相匹配的机械力学性能。