一种基于多晶掺杂力学性能强化的骨植入物微观结构

本发明属于骨科医疗器械领域，具体为一种基于多晶掺杂力学性能强化的骨植入物微观结构。

背景技术：

1、主流骨植入物多采用晶格结构设计，且多为单一晶格。晶格结构参数会显著影响骨细胞向内生长、骨面结合以及骨物理功能替代。，假设晶格结构的弹性模量远高于周围骨组织的弹性模量，在这种情况下，将在植入物周围产生应力屏蔽，这将阻碍骨骼重建和再生；以椎间融合器为例，如果晶格结构的屈服强度远低于椎骨的屈服强度，则脊柱承重功能无法被植入物替代，从而导致晶格结构的塌陷。如上两点是主流骨植入物设计所采用的单一微观结构难以避免的问题。且单一晶格结构会导致植入物抗疲劳抗损伤性能显著下降，故而从结构设计方面有着很大的提升优化的空间和必要性。

2、现有研究表明，晶体晶格微观结构的增强机制，可以在宏观尺度下产生相似的效果，如晶界硬化、沉淀硬化、多相硬化等。这里以硬相强化为例，抗损伤机制即硬相与软相有规律地互相掺杂，可以限制剪力带传播。在硬相处，可以打断整体结构的剪力带，这样在应对较大载荷时，不容易发生局部变形而损毁。

3、目前主流多孔结构骨植入物设计存在如下问题：

4、1.传统多孔植入物微观组织结构较为单一，应力超过最大许可值之后会出现局部高应力带，使其抗疲劳性能急剧下降；

5、2.存在综合力学性能不匹配的问题，会产生严重的“应力遮挡”，导致植入器械周围的骨组织出现塌陷、吸收等情况；

6、3.现有骨植入物设计会在微观与宏观上发生不同程度的应力集中现象。

技术实现思路

1、本发明的目的在优化设计骨植入物的微观结构，从而显著提升骨植入物整体的抗疲劳与承载能力，以解决以下主流多孔结构骨植入物出现的诸多问题。

2、本发明的技术方案是这样实现的：

3、一种基于多晶掺杂力学性能强化的骨植入物微观结构，包括多晶掺杂力学性能强化的骨植入物微观结构，包括软相晶胞结构、硬相晶胞结构软硬相掺杂结构；由每个软相晶胞外接正立方体的对应截面完全重合，面面结合，通过镜像或者阵列的操作完成构建的块状结构为软相内核；由每个硬相晶胞外接正立方体的对应截面完全重合，面面结合，通过镜像或者阵列的操作完成构建的壳状结构为硬相外壳,软相内核与硬相外壳的结合，是在软相内核结构外侧，硬相外壳结构的每个晶胞与软相内核结构的晶胞对应外接正立方体的截面完全重合，面面结合，构建出一个由硬相外壳完全包裹住软相内核的软硬相掺杂结构，软相内核与硬相外壳间的结合面就是每个晶胞的外接正立方体的截面。软硬相掺杂比例为50％的软硬相掺杂结构，即是在一个平面维度上软相晶胞结构的阵列个数为5*5，硬相外壳要包覆在软相内核外围，即在该平面上，硬相晶胞陈列个数则为6*4,以此掺杂结构为基础，在竖直或水平方向上阵列，构建出各种更大尺寸的软硬相掺杂结构。

4、软相晶胞结构采用的是正菱形十二面体结构晶胞，并将菱形十二面体内接于正立方体中，该晶胞的三维结构主要利用支柱直径d驱动晶胞孔隙率变化，其中支柱直径的布局为菱形十二面体的棱边，晶胞支柱成形方法为绘制的截面草图沿中轴线进行旋转得到，硬相晶胞结构设计是在软相结构的基础上增添了四根加强筋的菱形十二面体结构，该四根加强筋沿着菱形十二面体晶胞所外接的正立方体的一组对边也就是四条同延伸方向的棱边设置，所谓软硬相掺杂结构分为软相内核和硬相外壳两部分，其中软相晶胞构成内核改善抗损伤等力学性能，在软相内核外围包裹了一层硬相晶胞结构组成支撑壳体，即硬相外壳。

5、所述软相晶胞结构是指基于菱形十二面体结构，按照菱形十二面体的棱边位置关系，用直径为d的实心圆柱支柱进行构建，然后将构建好的支柱结构，内接于一个边长为c的正立方体得到的结构，其中菱形十二面体的交点为立方体各个面的面心位置，软相晶胞结构利用圆柱支柱直径d驱动晶胞孔隙率的变化，晶胞的边长即为c，其中具体结构参数如下，按照d＝0.3mm，c＝2mm完成菱形十二面体软相晶胞的建模。

6、所述软硬相掺杂结构分为软相内核和硬相外壳两部分，其中软相晶胞结构由于没有加强筋，结构本身的弹性模量和抗压强度会低于硬相晶胞结构，以软相晶胞结构阵列堆叠作为内核改善抗损伤性能，可以容纳塑性变形；在软相内核外围包裹一层全硬相晶胞组成的硬相外壳，由于硬相晶胞结构具有加强筋设计，由硬相晶胞堆叠而成的硬相外壳可以提供更高的力学强度以提高整体软硬相掺杂结构的承载力。

7、所述软硬相掺杂结构的软相内核，是由每个软相晶胞外接正立方体的对应截面完全重合，从而每个软相晶胞结构与外接正立方体的截断面处紧密贴合，完成软相晶胞之间的连接，然后根据软硬相掺杂比例，继续通过镜像或者阵列的操作完成最终整体结构构建。

8、所述软硬先掺杂结构的外壳，是每个硬相晶胞外接正立方体的对应截面完全重合，每个硬相晶胞结构与外接正立方体的截断面处紧密贴合，完成硬相晶胞之间的连接，然后根据软相内核的大小和软硬相掺杂比例，继续通过镜像或者阵列的操作完成最终整体结构构建。

9、所述软硬先掺杂结构的外壳，硬相晶胞间的结合比软相晶胞间的结合面积要多，每个晶胞结构除了在对应外接正立方体的截断面处紧密贴合，硬相晶胞的各个对应的加强筋与外接正立方体形成的截面也会形成结合面。

10、所述软硬相掺杂结构的软相内核与硬相外壳的结合，首先需要根据软硬相掺杂比例和最终结构尺寸堆叠出软相内核，然后在软相内核的外侧，使硬相晶胞与软相晶胞的对应外接正立方体截面完全重合，构建出硬相外壳，完全包裹住软相内核，软相内核与硬相外壳间的结合面就是各个对应晶胞的外接正立方体的截面。

11、所述软硬相掺杂结构软硬相掺杂比例为50％，该结构需先构建出一个在平面维度上总体晶胞排列个数为7*7的软硬相掺杂结构基础，其中软相晶胞结构在内部，排列个数为5*5，硬相外壳要包覆在软相内核的外围，所以硬相晶胞排列个数为6*4，以此掺杂结构为基础，构建出各种更大尺寸软硬相掺杂比例为50％的软硬相掺杂结构。

12、本发明选用基于菱形十二面体的多孔结构设计与优化方案，对多晶掺杂力学性能强化的骨植入物微观结构进行优化，通过应用晶体强化机制逐步优化设计，最终得到具有优良力学性能的多晶微观结构。

13、本发明所达到的有益效果：

14、本发明提出的一种基于多晶掺杂力学性能强化的骨植入物微观结构，完成了内凹六边形、s型铰链、菱形十二面体、带加强筋菱形十二面体等的单晶结构搭建，进行了仿真分析对比，完成了2mm与3mm基础骨植入物建模；采用了多晶结构的设计方法，设计出抗损伤的软硬相掺杂的多孔结构；结合仿真情况，对不同的设计进行定量分析取舍；通过预实验验证了骨植入物的综合力学性能与抗损伤能力设计。通过强化设计最终开发出了8.3％硬相强化与50％硬相强化骨植入物模型，弹性模量分别提升46％与310％，材料节省率分别约为13％与25％。在高孔隙率下(80％孔隙率)8.3％硬相强化的应力-应变曲线接近标准菱形十二面体，除弹性模量提高外曲线与标准菱形十二面体相似。50％硬相强化的应力-应变曲线则符合上文复合结构模型，其优点在于不会出现晶胞达到屈服强度后，结构会发生灾难性破坏，应力急剧下降的问题，且复合结构模型综合力学性能较好(弹性模量提升300％，屈服强度提升100％)。从节省材料角度看，对比相同力学性能的标准菱形十二面体(对照组)，8.3％硬相强化在保持应力-应变曲线与对照组基本相同的情况下，节省材料约13％，50％硬相强化节省材料约25％。这一创新设计有望在未来的骨植入物领域发挥重要作用，降低制造成本，提高手术效果，改善患者治疗体验。