一種低模量醫(yī)用植入多孔支架結構的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種多孔支架結構，特別涉及一種低模量醫(yī)用植入多孔支架結構，屬于醫(yī)用植入材料領域。該低模量醫(yī)用植入多孔支架結構由多個基本單元在三維空間沿三維方向依次疊加而成，每個基本單元是由四個或六個側壁所包圍形成的具有中心連通孔的四棱柱體或六棱柱體構成，每個側壁均是由兩根棱條交叉形成的“X型”框架結構構成，沿四棱柱體或六棱柱體軸線方向相鄰排列的基本單元的中心連通孔相互連通。該結構不僅降低了植入體模量，使植入體模量與強度實現(xiàn)理想匹配，改進了傳統(tǒng)金屬植入體的構型，使其力學分布優(yōu)化，應力遮擋效應減弱；而且該結構具有規(guī)則通孔結構，有利于骨組織長入，并能增加骨組織與植入體的相互鎖固，縮短患者的康復時間。
【專利說明】一種低模量醫(yī)用植入多孔支架結構

【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種多孔支架結構，特別涉及一種低模量醫(yī)用植入多孔支架結構，屬于醫(yī)用植入材料領域。

【背景技術】
[0002]在骨折或骨壞死等骨質疾病治療和修復領域，尤其在對承力骨的治療和修復方面，植入物替換病死骨手術是常見的預防骨質疾病進一步惡化、避免后期骨折甚至致殘的有效方法。目前，常見的植入物主要包括自體骨、異體骨、生物陶瓷、有機高分子聚合物、可降解材料和金屬材料等。由于自體骨移植存在供區(qū)疼痛、來源有限的缺點，異體骨移植存在免疫反應和病毒傳染的可能，生物陶瓷存在本征脆性，有機高分子聚合物強度過低，可降解材料尚處于實驗室研究階段等問題，這些材料在承力骨的治療和修復方面均未能得到廣泛應用。而金屬材料，如不銹鋼、Co-Cr基合金、鈦基合金等，由于可以提供良好的力學性能，并且兼具耐蝕性和生物相容性等，因此在臨床一直被廣泛應用。
[0003]但是，由于金屬材料的模量(不銹鋼:約200GPa, Co-Cr基合金:約230GPa,鈦基合金:50-110GPa)明顯要高于骨組織模量(皮質骨的模量范圍約為2_25GPa)，這將引起所謂“應力遮擋效應”，即應力主要通過金屬植入體傳遞。此時，金屬植入體周圍骨組織長期將承受低負荷狀態(tài)，這將導致骨質吸收而造成骨質疏松，這種情況下植入體極易松動，骨組織受力時也容易發(fā)生骨折。目前，“應力遮擋效應”是縮短金屬植入體服役時間的重要原因，無形地增加了患者植入體的置換次數，同時給患者增加了病痛和治療時間。
[0004]針對植入體在治療骨質疾病過程中出現(xiàn)的“應力遮擋”問題，首先要解決植入體本身的模量問題，即要求植入體模量降低至能與骨組織模量相匹配的程度?，F(xiàn)有技術是將材料制備成多孔狀來降低材料整體的表觀模量，但這么做的同時，材料的強度、塑性等也會隨著孔隙率的增加而發(fā)生大幅度下降，因此按照現(xiàn)有技術所制備的多孔材料很難達到低模量與高強度的理想匹配。另外，經研究發(fā)現(xiàn)，多孔結構具有高滲透性，作為植入物將有利于骨細胞黏附，營養(yǎng)物質傳遞和促進新生骨組織長入等。但是，現(xiàn)有技術中這些金屬多孔材料孔徑尺寸及分布呈隨機狀態(tài)，區(qū)別于人體取向生長的骨組織形態(tài)；同時，隨機分布的各向同性的孔不僅不支持骨細胞、骨組織長入，而且在應力分布上，應力大的方向和應力小的方向沒有區(qū)分；另外，這些多孔金屬材料加工工藝復雜，常存在內部缺陷，并且可能摻雜對人體健康不利的物質等。
實用新型內容
[0005]為了克服上述現(xiàn)有技術中的結構在骨缺損或壞死治療中存在的問題，本實用新型提出一種低模量醫(yī)用植入多孔支架結構，該結構不僅降低了植入體模量，使植入體模量與強度實現(xiàn)理想匹配，改進了傳統(tǒng)金屬植入體的構型，使其力學分布優(yōu)化，應力遮擋效應減弱；而且該結構具有規(guī)則通孔結構，有利于骨組織長入，并能增加骨組織與植入體的相互鎖固，縮短患者的康復時間。
[0006]本實用新型的技術方案如下:
[0007]—種低模量醫(yī)用植入多孔支架結構，它由多個基本單元在三維空間沿三維方向依次疊加而成，每個基本單元是由四個或六個側壁所包圍形成的具有中心連通孔的四棱柱體或六棱柱體構成，每個側壁均是由兩根棱條交叉形成的“X型”框架結構構成，沿四棱柱體或六棱柱體軸線方向相鄰排列的基本單元的中心連通孔相互連通。
[0008]首先，對于承力骨缺損治療，采用該支架結構的植入體具有與骨組織匹配的模量，能降低或避免發(fā)生治療過程中易出現(xiàn)的“應力遮擋效應”，同時材料的強度足夠提供力學支承；
[0009]其次，該支架結構的孔隙率高，具有高滲透性，應用在植入物上將有利于骨細胞黏附，營養(yǎng)物質傳遞和促進新生骨組織長入；
[0010]第三，具有中心連通孔的四棱柱體或六棱柱體在垂直方向上堆積，中心連通孔形成了具有取向性的上下連通的中空導管，有利于成骨細胞、成軟骨細胞、成纖維細胞及毛細血管沿導管方向增殖向分化成骨方向發(fā)展，對骨愈合有利。
[0011]所述棱柱所述棱條的橫截面可以采用實心圓形、實心橢圓形或者實心多邊形，以滿足不同情況下對于植入物的不同需求；或者，所述棱條的橫截面也可以采用中空圓環(huán)、中空橢圓環(huán)或者中空多邊形環(huán)，在邊界條件和受載一樣的情況下且所需的強度一樣大時，空心棱柱與實心棱柱相比較，空心棱柱所用材料較少，節(jié)省材料的同時還能減輕自重，并進一步降低模量。
[0012]所述中心連通孔的橫截面的內接圓半徑為150μπι-750μπι，有利于成骨細胞、成軟骨細胞及骨組織長入，增加骨組織與支架材料的相互鎖固；內接圓半徑過小，例如小于150 μ m時，成骨細胞、成軟骨細胞及骨組織不容易長入，內接圓半徑過大，例如大于750 μ m時，成骨細胞、成軟骨細胞及骨組織不易掛載在中心連通孔上下連通形成的中空導管內壁上，容易脫落。另外，支架結構中心連通孔的橫截面的內接圓半徑的變化不是孤立的，是由結構內部參數決定的，其關系如下:
[0013]對于六棱柱體有:
[0014]r = 0.866a_t
[0015]對于四棱柱有:
[0016]r = 0.5a_t
[0017]其中r為中心連通孔的橫截面的內接圓半徑，t為棱條厚度或棱條橫截面的等效圓直徑，a為四棱柱體或六棱柱體的底邊邊長。
[0018]選擇不同材料(Ta:183GPa、Zr:99GPa、a-T1: llOGPa、醫(yī)用 316 不銹鋼:193GPa、羥基磷灰石:165GPa、Co-Cr-Mo:248GPa、Co-Cr-W:232GPa、Co-基:194GPa、Mg: 44GPa)，按上述方案模擬支架整體模量與支架材料本征模量及結構參數關系發(fā)現(xiàn):結構一定，不同材料支架的整體模量與支架材料本征模量成正比；材料一定，改變結構內部棱條橫截面的等效圓直徑與所述棱條的長度的比值，支架的整體模量隨其增加而增加；材料一定，改變四棱柱體或六棱柱體的高度與所述四棱柱體或六棱柱體的側壁底邊邊長的比值，支架的整體模量隨其增加而增加。為了使不同材料支架整體模量處于2-30GPa的范圍要求，所述棱條的橫截面的等效圓直徑與所述棱條的長度的比值為0.1-0.5 ;所述四棱柱體或六棱柱體的高度與所述四棱柱體或六棱柱體的側壁底邊邊長的比值為1.0-2.5。
[0019]由于植入體植入后在垂直方向上的骨組織引導或誘導、血管組織的生成以及營養(yǎng)物質輸運將大于水平方向上的需要，因此，所述中心連通孔的橫截面面積最好大于所述側壁上的“X型”框架結構的孔隙的橫截面面積。
[0020]本實用新型所提供的一種低模量醫(yī)用植入多孔支架結構的原理如下:
[0021](一)模量的控制:
[0022]對于實體材料，模量一般屬于結構不敏感屬性，很難再通過成分、工藝或組織的調整進行大幅度改變；而對于多孔材料，其整體的表觀模量可以通過孔隙率的變化進一步調整，但這種調整常常會大幅度地犧牲材料強度，這將導致高孔隙率材料往往無法滿足高強度要求的場合。伴隨3D打印技術的出現(xiàn)，材料的孔隙結構及尺寸可以得到精確控制。相對于傳統(tǒng)方法，3D打印技術實際為多孔材料設計增加了控制因素，這就意味著材料的模量與強度可以通過孔隙參數的設計進行控制，實現(xiàn)材料模量與強度的理想匹配。
[0023]對于承力骨缺損治療，不但要求植入體具有能與骨組織匹配的模量以降低或避免發(fā)生治療過程中易出現(xiàn)的“應力遮擋效應”，而且要求材料具有足夠的強度以提供力學支承，因此多孔植入體一般同時要滿足低模量和高強度的雙重設計要求。本專利選擇“X型”結構作為基本框架堆垛三維多孔支架，通過支架參數的控制實現(xiàn)足夠力學支承的同時對支架的模量進行精確控制。
[0024]( 二)通孔的設計:
[0025]通過骨切片實驗形態(tài)觀察已經發(fā)現(xiàn)，骨組織就是取向性明顯的多孔材料，其中多孔骨架起到力學支承作用，而取向性孔隙有利于營養(yǎng)物質的傳遞和促進骨組織的新陳代謝。模仿骨組織孔隙狀態(tài)特征，本實用新型對植入體支架進行了通孔結構設計，具體方案為:利用“X型”框架圍成六棱柱體或四棱柱體通孔單元，然后將這些單元在空間進行周期性堆垛后得到具有規(guī)則排列的六邊形或四邊形通孔的多孔支架，以利于植入體植入后物質輸運、骨組織引導或誘導和血管化等生物功能作用。
[0026](三)結構的選擇:
[0027]根據多孔支架材料內部棱條受力特征的不同，支架結構主要分為拉伸主導型結構(棱條在外載下主要呈拉、壓變形模式以抵抗外載和整體變形)和彎曲主導型結構(棱條在外載下主要呈彎曲變形模式以抵抗外載和整體變形)。兩類結構內部棱條的受力模式不同造成兩類結構材料在比剛度和比強度方面有著極大的差異，拉伸主導型結構強而脆，彎曲主導型結構柔而韌。根據骨植入材料的性能要求，以上兩類結構實際都不能完全滿足需求。介于兩類結構的綜合，本實用新型選擇利用“X型”框架結構，該結構可以在不過分降低支架結構材料強度的同時盡可能地增加支架材料的變形能力。
[0028]當植入體的材料選取a -Ti (E = llOGPa, v = 0.33)時，如圖6所示:選擇相對密度相同(43.4%)的圓柱形堅直桿作為拉伸主導型結構模型、菱形十二面體作為彎曲主要導型結構模型，與“X型”六棱柱比較可知“X型”框架結構的模量和強度均處于拉伸主導型結構和彎曲主導型結構之間，通過選擇不同植入體的材料(Ta:183GPa、Zr:99GPa、醫(yī)用316不銹鋼:193GPa、羥基磷灰石:165GPa、Co-Cr-Mo:248GPa、Co-Cr-W:232GPa、Co-基:194GPa、Mg:44GPa)進行實驗可得:“X型”框架結構可以在不過分降低支架結構材料強度的同時盡可能地增加支架材料的變形能力。
[0029]另外，鑒于“模量的控制”和“通孔的設計”要求，最終多孔支架結構選擇由“X型”框架作為側壁圍成六棱柱體或四棱柱體結構單元，再由結構單元在空間作周期平移構成。
[0030]本實用新型所提供的一種低模量醫(yī)用植入多孔支架結構有如下優(yōu)點:
[0031]1)具有該結構的材料不僅孔隙率高，比表面積大，具有優(yōu)異的沖擊能量吸收特性，而且在具有較高強度要求的場合，具有足夠的強度以提供力學支承。
[0032]2)具有取向性的孔隙，有利于營養(yǎng)物質的傳遞和促進骨組織新陳代謝的作用，有利于植入體植入后物質輸運、骨組織引導或誘導和血管化等生物功能作用。
[0033]3)可以根據不同人體骨骼以及生物環(huán)境來調整多孔尺寸或結構以及支架表面的處理。
[0034]4)實現(xiàn)了植入體模量與強度的理想匹配以降低甚至消除由于實體金屬與骨組織模量差別所帶來的“應力遮擋效應”，增加植入體的服役壽命，減輕患者的痛苦。
[0035]5)規(guī)則通孔結構有利于骨組織長入，增加骨組織與支架材料的相互鎖固，減少患者的康復時間。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0036]圖1是本實用新型的六棱柱體基本單元的俯視圖；
[0037]圖2是本實用新型的六棱柱體基本單元的側視圖；
[0038]圖3是本實用新型的四棱柱體基本單元的俯視圖；
[0039]圖4是本實用新型的四棱柱體基本單元的側視圖；
[0040]圖5是本實用新型的有限元分析流程圖；
[0041]圖6是本實用新型的圓柱形豎直桿結構、“X型”六棱柱、菱形十二面體結構的相對模量和屈服強度的柱狀圖；
[0042]圖7是本實用新型的六棱柱體基本單元的有限元網格劃分；
[0043]圖8是本實用新型的四棱柱體基本單元的有限元網格劃分；
[0044]圖9是本實用新型的六棱柱體基本單元的有限元模擬分析過程圖；
[0045]圖10是本實用新型的四棱柱體基本單元的有限元模擬分析過程圖；
[0046]圖11是本實用新型的六棱柱體基本單元模量隨結構參數變化的狀態(tài)圖；
[0047]圖12是本實用新型的四棱柱體基本單元模量隨結構參數變化的狀態(tài)圖；
[0048]圖中附圖標記表示為:
[0049]r是中心連通孔的橫截面的內接圓半徑；
[0050]t是組成“X型”框架的棱條的厚度或其橫截面等效圓直徑；
[0051]1是組成“X型”框架的棱條的長度；
[0052]c是四棱柱體或六棱柱體的高；
[0053]a是四棱柱體或六棱柱體的底邊邊長；
[0054]η !是四棱柱體或六棱柱體的高c與底邊邊長a的比值。

【具體實施方式】
[0055]下面結合【具體實施方式】和具體實施例來對本實用新型進行詳細的說明。
[0056]【具體實施方式】如下:
[0057]—種低模量醫(yī)用植入多孔支架結構，它由多個基本單元在三維空間沿三維方向依次疊加而成，每個基本單元是由四個或六個側壁所包圍形成的具有中心連通孔的四棱柱體或六棱柱體構成，每個側壁均是由兩根棱條交叉形成的“X型”框架結構構成，沿四棱柱體或六棱柱體軸線方向相鄰排列的基本單元的中心連通孔相互連通。
[0058]所述棱條的橫截面是實心圓形、實心橢圓形、實心多邊形、中空圓環(huán)、中空橢圓環(huán)或者中空多邊形環(huán)。
[0059]為了滿足支架材料的生物功能性要求，所述中心連通孔的橫截面的內接圓半徑r為 150 μ m-750 μ m。
[0060]所述棱條的橫截面的等效圓直徑與所述棱條的長度的比值為0.1-0.5 ;所述四棱柱體或六棱柱體的高度與所述四棱柱體或六棱柱體的側壁底邊邊長的比值為1.0-2.5。
[0061]對于六棱柱體基本單元，其整體形狀的結構特征可以由六棱柱體的高c與底邊邊長a的比值1確定= c/a);六棱柱體基本單元的相對密度可以由組成“X型”框架的棱條的厚度t (或其橫截面等效圓直徑)與長度1比值Π 2確定(Π 2 = t/Ι)。
[0062]對于四棱柱體基本單元，其整體形狀的結構特征可以由四棱柱體的高c與底邊邊長a的比值1確定(1 = (3/? ;四棱柱體基本單元的相對密度可以由組成“X型”框架的棱條的厚度t (或其橫截面等效圓直徑)與長度1比值η2確定(η2 = t/1)。
[0063]所述中心連通孔的橫截面面積大于所述側壁上的“X型”框架結構的孔隙的橫截面面積。
[0064]支架結構整體模量利用有限元方法進行計算。首先利用作圖軟件建立支架幾何模型(如“X型”四棱柱或“X型”六棱柱等)，同時設定支架結構參數(r，1^和η2);然后導入有限元分析軟件(如Ansys、Comsol或Abaqus等)，定義材料參數(E和v等)，設定邊界條件、加載條件和劃分網格；再進行有限元計算、分析；按著模量低于30GPa的要求，如果所選支架結構整體模量滿足要求，那么將確立所選支架結構方案，否則重新設定支架結構參數(r，1和η2)按上述步驟再進行計算和判斷，最終得到滿足低模量條件的支架結構材料及參數范圍。
[0065]a -Ti實施例組
[0066]實施例1
[0067]對于六棱柱體基本單元，當植入體的材料選取a -Ti (E = llOGPa, v = 0.33)時，如圖3所示:利用有限元方法計算可得支架材料相對模量與支架相對密度的關系。結果表明，η 1取值范圍選擇在1.0-2.5，112取值范圍選擇在0.10-0.50，和通孔內接圓半徑r選擇在150 μ m-750 μ m范圍時，支架材料的相對模量將低于30GPa，滿足人體皮質骨模量范圍。
[0068]實施例2
[0069]對于四棱柱體基本單元，當植入體的材料選取a -Ti (E = llOGPa, v = 0.33)時，如圖4所示:利用有限元方法計算可得支架材料相對模量與支架相對密度的關系。結果表明，η 1取值范圍選擇在1.0-2.5，112取值范圍選擇在0.1-0.35，和通孔內接圓半徑r選擇在150 μ m-750 μ m范圍時，支架材料的相對模量將低于30GPa，滿足人體皮質骨模量范圍。
[0070]Mg實施例組
[0071]實施例3
[0072]對于六棱柱體基本單元，當植入體的材料選取Mg(E = 44GPa, v = 0.26)時，如圖3所示:利用有限元方法計算可得支架材料相對模量與支架相對密度的關系。結果表明，η 1取值范圍選擇在1-2.5，η2取值范圍選擇在0.1-0.5，和通孔內接圓半徑r選擇在150 μ m-750 μ m范圍時，支架材料的相對模量將低于30GPa，滿足人體皮質骨模量范圍。
[0073]實施例4
[0074]對于四棱柱體基本單元，當植入體的材料選取Mg(E = 44GPa，v = 0.26)時，如圖4所示:利用有限元方法計算可得支架材料相對模量與支架相對密度的關系。結果表明，η工取值范圍選擇在1.2-2.5，112取值范圍選擇在0.15-0.50，和通孔內接圓半徑r選擇在150 μ m-750 μ m范圍時，支架材料的相對模量將低于30GPa，滿足人體皮質骨模量范圍。
[0075]Co-Cr-Mo 實施例組
[0076]實施例5
[0077]對于六棱柱體基本單元，當植入體的材料選取Co-Cr-Mo (E = 248GPa, v = 0.30)時，如圖3所示:利用有限元方法計算可得支架材料相對模量與支架相對密度的關系。結果表明，η 1取值范圍選擇在1.0-1.5，112取值范圍選擇在0.10-0.25，和通孔內接圓半徑r選擇在150 μ m-750 μ m范圍時，支架材料的相對模量將低于30GPa，滿足人體皮質骨模量范圍。
[0078]實施例6
[0079]對于四棱柱體基本單元，當植入體的材料選取Co-Cr-Mo (E = 248GPa, v = 0.30)時，如圖4所示:利用有限元方法計算可得支架材料相對模量與支架相對密度的關系。結果表明，η 1取值范圍選擇在1.0-2.3，112取值范圍選擇在0.10-0.45，和通孔內接圓半徑r選擇在150 μ m-750 μ m范圍時，支架材料的相對模量將低于30GPa，滿足人體皮質骨模量范圍。
[0080]上述【具體實施方式】只是對本實用新型的技術方案進行詳細解釋，本實用新型并不只僅僅局限于上述實施例，凡是依據本實用新型原理的任何改進或替換，均應在本實用新型的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種低模量醫(yī)用植入多孔支架結構，其特征在于:它由多個基本單元在三維空間沿三維方向依次疊加而成，每個基本單元是由四個或六個側壁所包圍形成的具有中心連通孔的四棱柱體或六棱柱體構成，每個側壁均是由兩根棱條交叉形成的“X型”框架結構構成，沿四棱柱體或六棱柱體軸線方向相鄰排列的基本單元的中心連通孔相互連通。
2.根據權利要求1所述的低模量醫(yī)用植入多孔支架結構，其特征在于:所述中心連通孔的橫截面的內接圓半徑為150μηι-750μηι。
3.根據權利要求2所述的低模量醫(yī)用植入多孔支架結構，其特征在于:所述棱條的橫截面的等效圓直徑與所述棱條的長度的比值為0.1-0.5 ;所述四棱柱體或六棱柱體的高度與所述四棱柱體或六棱柱體的側壁底邊邊長的比值為1.0-2.5。
4.根據權利要求3所述的低模量醫(yī)用植入多孔支架結構，其特征在于:所述中心連通孔的橫截面面積大于所述側壁上的“X型”框架結構的孔隙的橫截面面積。
【文檔編號】A61F2/90GK204033546SQ201420459097
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年8月13日 優(yōu)先權日:2014年8月13日
【發(fā)明者】林錦新, 吳松全, 林俊杰, 盧衍錦, 甘藝良, 趙超前 申請人:中國科學院福建物質結構研究所