一种功能化—力学超结构单元及支架和加工方法

本发明涉及医疗器械，更具体地，涉及一种功能化—力学超结构单元及支架和加工方法。

背景技术：

1、疾病（骨肿瘤、感染及先天畸形）和外伤等原因造成的骨缺损的精准修复是骨科临床长久以来的难题。目前，自体骨移植具有最理想的再生修复效果，被认为是临床上治疗骨缺损相关疾病的“金标准”。但从患者自体获取移植供体的治疗方案不但供源有限，而且常常出现附加手术切口引起的相关并发症。异体骨植入虽可解决植入物来源问题，但会面临潜在传染病、免疫排斥等风险。人工骨植入物的出现为骨缺损临床修复提供了一种全新的治疗方案。以钛合金为代表的骨植入物成为临床治疗骨缺损相关疾病的最常用的材料之一。然而，传统的实体金属植入物因为强度高、力学性能不匹配等原因而容易出现骨整合不佳和应力遮挡等问题。

2、近年来，3d打印多孔植入物的研究表明，三维连通的多孔结构设计可以显著降低植入物的表观弹性模量，并为新生组织的长入提供生长空间，从而提高骨整合效果，防止应力遮挡问题，和缩短骨缺损相关疾病的愈合时间。目前常见的骨植入物多孔结构设计主要包括两种类型：一是基于医学影像重建技术的“自上而下”的设计方法，通过ct扫描和三维重建技术获得仿生多孔骨修复支架。这种方法虽然能够获得接近天然骨组织的孔隙结构，但是却难以实现对植入物多孔结构和力学性能的主动调控。另一种骨植入物多孔结构的设计则是基于cad软件建模而开发的“自下而上”的设计方法。这类方法相比于前者具有非常大的自由度，使得设计人员能够轻松调控多孔植入物的孔径、孔隙率、孔连通性、弹性模量、力学强度等性能，常见的这类多孔植入物的点阵结构设计有金刚石桁架结构、立方体桁架结构、八面体桁架结构等。尽管这类点阵结构都表现出较好的液体流通性能和可调力学性能，但这类点阵结构制备的多孔植入物在高孔隙率下的抗压性能相比于实体材料也显著降低，限制了其在高力学承载性能需求场景下的适用性。

3、针对上述不足，部分学者设计出弧形点阵结构，利用曲线代替直线强化结构力学性能，如中国发明专利cn202010990661.9 - 一种圆杆化的三维点阵结构公开了半圆、椭圆形圆杆桁架结构，抗压强度比传统直线型圆杆桁架结构具有较大提升。再如中国发明专利cn202210208663.7 - 一种用于骨修复植入物的多孔支架结构及其加工方法公开了拱形桁架结构，改善了传统直梁结构抗压性能不足的问题。

4、虽然上述两种设计方法有效提高了多孔支架的抗压强度，但是在单元结构设计中缺少梯度能量耗散机制，因而在结构稳定性、抗疲劳性和抗冲击性方面依然存在不足，在过载发生时易造成植入体的脆性断裂，以及周期性应力作用下较低的疲劳寿命。此外上述结构在设计上也缺少能够引导细胞迁移、调节支架液体渗透率及辅助细胞黏附的调控功能。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于针对上述缺陷和不足，通过梯度能量耗散结构设计，引入功能化桁架结构，用于具有高强度、高疲劳寿命及高韧性的3d打印多孔植入物的制造及骨缺损疾病的精准修复治疗。基于此，提供了一种用于骨修复植入物的功能化—力学超结构单元。

2、本发明的另一个目的在于，提供一种由多个功能化—力学超结构单元均质或非均质阵列排布组成的支架。

3、本发明的另一个目的在于，提供一种支架的加工方法。

4、为了实现上述目的，本发明采用的具体技术方案为：

5、本发明所述的用于骨修复植入物的功能化—力学超结构单元，将直线桁架设置为张弦形桁架结构，在受到外部压应力作用时，能够将支架表面受到的压应力通过支架内部特殊设计的孔隙结构转化成压应力形式的内应力传递到整个支架内部，避免了支架内部剪切应力的产生，从而获得相比于其他多孔结构支架更高的抗压强度；而横向的功能化桁架结构的增加会在整个支架内部引入二级能量耗散结构，将支架表面收到的拉/压应力转变为横向桁架内部的拉/压应力，并在支架过载时优先发生断裂，耗散能量，从而提高支架的比能量吸收率和耐疲劳性能，增强支架整体稳定性。此外，不同于传统桁架结构如金刚石结构、八隅桁架结构等孔隙结构单元在相邻单元连接处的应力方向存在夹角，本发明设计的功能化—力学超结构单元在相邻单元连接处的受力方向为共轴状态，极大增强了相邻孔隙结构单元连接部位的力学稳定性。此外本发明功能化—力学超结构单元中的功能化桁架可根据不同植入部位的治疗需求实现功能调节，如引导细胞定向迁移、调节液体流通阻力和渗透率、为细胞黏附提供平台等。

6、一种用于骨修复植入物的多孔支架结构，包括至少一个功能化—力学超结构单元；

7、所述孔隙结构单元包括四个张弦结构桁架，四个子桁架，八个连接过度部分，八个大圆角增强部分，四个小圆角增强部分。四个张弦结构桁架末端交汇于一点之间夹角为90°，四个子桁架分别位于张弦结构桁架连接点出且之间夹角与张弦结构桁架相同，八个连接过度部分位于四个张弦结构桁架首、尾处，八个大圆角增强部分分别位于四个张弦结构桁架的上、下夹角处，四个小圆角增强部分分别位于张弦结构桁架与子桁架连接处。

8、进一步，所述张弦结构桁架的截面形状为圆形，整体为拱形张弦结构结构。

9、进一步，当受应力载荷作用时，拱形结构发生变形，此时张弦结构的拉应力会维持拱形结构稳定。当应力过载时，张弦结构会断裂，耗散能量，提升了结构整体的韧性和抗疲劳性能。

10、进一步，所述子桁架可根据不同需求设计成不同的桁架结构，如直型杆状的力学功能化桁架，平台型促细胞黏附的生物学功能化桁架，沟槽型引导细胞定向迁移的生物学功能化桁架以及栅栏型可调节渗透率和液体流通阻力的流体学功能化桁架。

11、进一步，所述连接过度部分的横截面为半圆，是由上下两个点阵结构张弦结构桁架重合后沿水平直径方向分割两个圆环，分为上连接体和下连接体。

12、进一步，所述大圆角增强部分为张弦结构桁架间圆角结构。

13、进一步，所述小圆角增强部分为张弦结构桁架与子桁架在体心连接处的圆角结构。

14、进一步，所述张弦结构桁架的界面直径为d，子桁架的直径为f，大圆角增强部分的直径为g，小圆角增强部分的直径为h。各数值参数如下：改变d的大小可以调节支架的孔隙率，子桁架直径f＜d，其中圆角部分g＞d＞h。

15、进一步，多个具有相同几何参数的功能化—力学超结构单元在三维空间沿x、y、z轴方向周期性阵列分布形成均质排列的多孔支架结构。

16、进一步，多个具有不同几何参数的功能化—力学超结构单元在三维空间沿x、y、z轴方向周期性阵列分布形成非均质排列的多孔支架结构。

17、进一步，调整张弦结构桁架个数与张弦结构桁架间的夹角的关系可以实现x、y平面上形成不同几何形貌的堆积。

18、进一步，多个具有不同堆积形貌的功能化—力学超结构单元在三维空间沿x、y、z轴方向阵列分布形成不同堆积类型的非均质排列的多孔支架结构。

19、进一步，所述支架的孔隙率为15%-95%。

20、本发明的另一技术方案为：上述用于骨修复植入物的多孔支架结构的加工方法，包括以下步骤：

21、步骤s1：预先设定张弦结构桁架、子桁架、连接过度部分、大圆角增强部分和小圆角增强部分几何参数，通过三维建模软件绘制出所需的结构单元，并转化成stl格式文件；

22、步骤s2：通过magics软件打开并摆放好需要填充多孔结构的骨植入物模型文件，应用工具栏下的“结构”命令，选择所绘制的功能化—力学超结构单元，设置好填充结构的放大比例，对骨植入物模型进行多孔填充并修复；

23、步骤s3：应用“支撑”命令为修复后的多孔骨植入物模型添加3d打印支撑结构，并保存为3d打印设备可识别的文件格式；

24、步骤s4：将步骤s3中的文件导入相应的3d打印设备打印成型即可得到最终的多孔支架结构。

25、本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

26、（1）本发明的支架通过张弦结构桁架的弯曲设计改变应力在支架内部的传导方式，通过功能化桁架结构设计在支架内部形成拉、压应力交互作用，能够将支架表面受到的来自不同方向的剪切力通过张弦结构桁架转变为压应力，通过功能化桁架结构将张弦结构桁架的压应力部分转变为拉应力，并在连接过度部分中传导至支架内部各个结构单元的张弦结构桁架和功能化桁架结构上，支架内部由单一类型应力转变为拉、压应力共同作用，有效降低应力集中情况，从而提高多孔植入体的力学性能及应变，增强韧性，增加结构能量吸收比，增强植入体的力学稳定性。并且张弦结构桁架传递压应力时在交汇处应力方向为竖直向下，不存在其他方向应力，有效防止连接点出现断裂，可有效增加支架整体的稳定性。

27、（2）本发明的支架可以通过单独或同时调控张弦结构桁架、功能化桁架结构、连接过度部分、大圆角增强部分和小圆角增强部分的几何参数，获得接近天然皮质骨或松质骨的孔隙率、抗压强度和弹性模型，从而为细胞的粘附生长和营养物质的传输提供适宜的力学微环境和组织微环境，有效促进骨组织的再生和长入。

28、（3）本发明的支架可实现梯度填充，在使用中，如图10所示，受力较大的区域可进行低孔隙率填充以提升局部力学性能，受力较小区域可以进行高孔隙率填充，以提升局部孔隙率，降低整体结构质量。实现轻量化、个性化填充。

29、下面结合附图对本发明作进一步的说明。