[發明專利]一種徑向梯度化植入體點陣結構及其設計方法

有效

• 申請號: 201911019016.6
• 申請日: 2019-10-24
• 公開（公告）號: CN110721010B
• 公開（公告）日: 2021-10-26
• 發明（設計）人: 陳曉紅;胡明金;柏龍;龔程;周曉霞
• 申請（專利權）人: 重慶大學
• 主分類號: A61F2/28
• 分類號: A61F2/28
• 代理公司: 重慶項乾光宇專利代理事務所(普通合伙) 50244
• 代理人: 侯玉花

本發明公開了一種徑向梯度化植入體點陣結構及其設計方法，包括沿軸向依次等距排列的多個平面點陣單元和連接于相鄰兩所述點陣單元之間的軸向連桿；所述平面點陣單元包括多個位于同一平面內且同心分布的圓環桿以及連接于相鄰兩個圓環桿之間的多個徑向連桿組；所述徑向連桿組包括多個沿周向均勻分布的徑向連桿，且各徑向連桿組內徑向連桿的密度沿徑向由外向內逐漸減小；所述圓環桿與徑向連桿的連接點形成節點；相鄰平面點陣單元的對應節點之間通過所述軸向連桿連接，本點陣結構內部桿數量少、孔洞尺寸大，外部桿數量多、空間尺寸小，從端面觀察結構整體為同心的放射狀圓環，呈現較為明顯的“內疏外密”的結構特性，與骨結構實際結構特性相似。

技術領域

本發明涉及材料結構技術領域，尤其涉及一種點陣結構。該結構在徑向上采用不同形式的點陣單元，在圓周上為周期性重復單元排列，有著輕質、多孔、梯度變化等特性，與人骨結構更加貼合，更宜用于植入體結構設計。

背景技術

我國骨疾患人數日益增多，而利用植入體對病患骨進行治療是當前最常用也是最有效的措施，因此高性能植入體的需求日益增加。實體結構植入體具有較好的力學性能，如專利CN201320761186.3-顱骨修復用仿生植入體公布了一種利用可降解材料制備實體顱骨植入體的方法，能較好的彌補缺損骨，發揮其正常功能。但是實體結構植入體常由于其自身過高的彈性模量與結構的致密特性，易產生“應力屏蔽”效應，并且不利于骨組織再生，進而導致植入體滑脫；點陣結構植入體有著輕質多孔等特點，相較于實體結構植入體能夠減少“應力屏蔽”的出現，也能夠促進體液流動與物質交換，這使其更適用于植入體設計。然而，通過對人體骨骼解剖結構的觀察，發現骨不同區域的結構不盡相同，單拓撲形式的多孔結構，雖具有多孔特性及適宜的彈性模量，但與實際骨骼內部形態具有較大差異性，從而引起周圍組織的炎癥、排異等反應，不利于骨植入體的長期穩定使用。對此，專利CN201910286252.8-一種基于曲線干擾的功能梯度人工骨支架的制備方法公布了一種利用梯度圓孔來制備具有梯度結構的植入體的方法，以此提高植入體與人骨的匹配度。但由于其梯度孔為獨立的圓孔，孔與孔之間并不相通，是典型的二維多孔結構，這不利于體液的流動以及細胞間的物質傳輸，限制了植入體在人體中的應用效果。

發明內容

有鑒于此，為使骨植入體能夠滿足其在人體中力學性能與物質交換等要求，盡量還原骨的結構特性，使植入體能夠更好與周圍骨組織相容，促進骨組織再生，本發明創新性地采用徑向梯度點陣結構，在滿足點陣結構多孔輕質的性質的同時，在植入體上實現了不同區域具有不同密度的梯度變化特性，提升植入體的治療效果與使用壽命。

本發明的徑向梯度化植入體點陣結構，包括沿軸向依次等距排列的多個平面點陣單元和連接于相鄰兩點陣單元之間的軸向連桿；

平面點陣單元包括多個位于同一平面內且同心分布的圓環桿以及連接于相鄰兩個圓環桿之間的多個徑向連桿組；徑向連桿組包括多個沿周向均勻分布的徑向連桿，且各徑向連桿組內徑向連桿的密度沿徑向由外向內逐漸減小；

圓環桿與徑向連桿的連接點形成節點；相鄰平面點陣單元的對應節點之間通過軸向連桿連接。

進一步，各徑向連桿組內徑向連桿的數量由外向內呈等比遞減分布。

進一步，各徑向連桿組內徑向連桿的數量由外向內呈公比值為1/2的等比遞減分布。

進一步，圓環桿、徑向連桿和軸向連桿的桿徑為1mm，軸向連桿的長度為5mm。

本發明還公開了一種徑向梯度化植入體點陣結構的設計方法，包括以下步驟：

s1.在同一平面內設置多個同心圓，根據所期望的植入體的密度及分布于最內層的同心圓上設置多個等份點，并從每一等分點作為起始點分別沿徑向向外作出徑向線直至與最外層的同心圓相交；

s2.由次內層同心圓到次外層同心圓，將同心圓被分隔出的各個圓弧中點作為起始點分別沿徑向向外作出徑向線直至與最外層的同心圓相交，進而形成平面點陣單元幾何圖形；