基于八面体杆结构的多孔骨植入体的力学性能评测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于八面体杆结构的多孔骨植入体的力学性能评测方法，多孔骨植入体由至少一个八面体杆结构基本单元利用建模方法拼接构成；八面体杆结构基本单元包括由十二根小梁构成的八面体及分别由八面体的八个面为底面、由八面体的六个顶点分别向外延伸出小梁而构成的八个三棱锥体，相邻小梁之间形成孔隙，八面体杆结构基本单元形成有呈三维空间分布的多个孔隙；建立多孔骨植入体的等效模量差值与小梁尺寸之间的第一定量分析关系，根据第一定量分析关系，预测多孔骨植入体的力学性能；其中，其中，等效模量差值为利用仿真分析方法得到的多孔骨植入体的等效弹性模量与利用样件测试得到的多孔骨植入体的等效弹性模量的差值。

Mechanical Properties Evaluation of Porous Bone Implants Based on Octahedral Bar Structure

The invention discloses a method for evaluating mechanical properties of porous bone implants based on octahedral bar structure, which is composed of at least one octahedral bar structure basic unit, which is joined together by modeling method, and octahedral bar structure basic unit includes octahedral body composed of twelve trabeculae and eight octahedral body respectively. Eight triangular pyramids with bottom surface and six vertices of octahedron extending outward trabeculae form pore between adjacent trabeculae, and the basic unit of octahedron bar structure forms multiple pore with three-dimensional spatial distribution. The first quantitative score between the equivalent modulus difference of porous bone implants and the size of trabeculae is established. According to the first quantitative analysis relationship, the mechanical properties of porous bone implants are predicted. Among them, the difference of equivalent modulus is the difference between the equivalent elastic modulus of porous bone implants obtained by simulation analysis method and the equivalent elastic modulus of porous bone implants measured by sample.

【技术实现步骤摘要】
基于八面体杆结构的多孔骨植入体的力学性能评测方法
本专利技术涉及生物医用假体
，特别是指一种基于八面体杆结构的多孔骨植入体的力学性能评测方法。
技术介绍
随着老龄化社会的深入及交通事故、自然灾害的发生，骨修复、骨置换的需求越来越多，如何提供安全可靠，且具有良好力学性能，组织再生性能的骨植入物(骨植入体包括骨支架和骨假体等，骨假体包括骨关节、骨板、骨钉等)已成为亟待解决的临床问题之一。现有的金属实体骨植入体，一般由316不锈钢、钴基合金、钛及钛合金等金属材料制成，金属制骨植入体的刚度远大于人体骨骼(密质骨3—30GPa；松质骨0.02—2GPa)，容易引起骨板与原骨力学性能不匹配，发生应力遮挡等问题，导致相邻骨骨质疏松，假体松动等问题，多孔仿生骨植入体具有刚度低，应力遮挡小，易于细胞粘附生长及组织再生，个性化定制等特点，具有巨大的临床需求和广阔的应用前景。研究表明，对于多孔仿生骨植入体，其多孔结构的形态及形体参数是影响力学性能的重要因素。目前，大部分仿生骨植入体的多孔结构是沿单方向设计，结构单一，性能差别不大；同时，多孔仿生骨植入体的个性化设计依赖于经验，尚缺乏可控、量化的科学设计方法，存在力学性能不匹配，潜在风险大，组织再生性能不佳等问题，大大限制了多孔仿生骨植入体的临床应用和推广；又者，目前一般是利用3D打印技术制备多孔仿生骨植入体，受3D打印技术的限制，其逐层累加的工艺特点及金属粉末粒径的大小对于不同多孔结构的力学性能及组织再生性能影响较大，导致设计的多孔仿生骨植入体与3D打印制备出的骨植入体的力学性能差异较大，对于骨植入体与宿主骨的力学性能适配，长期有效服役是极为不利的。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提出一种基于八面体杆结构的多孔骨植入体的力学性能评测方法，多孔骨植入体由至少一个八面体杆结构基本单元利用建模方法拼接而成，具有三维空间分布的若干孔隙，能够对多孔骨植入体的力学性能进行定量分析与预测。基于上述目的，本专利技术提供了一种基于八面体杆结构的多孔骨植入体的力学性能评测方法，包括：所述多孔骨植入体由至少一个八面体杆结构基本单元利用建模方法拼接构成；所述八面体杆结构基本单元包括：由十二根小梁构成的八面体及分别由所述八面体的八个面为底面、由所述八面体的六个顶点分别向外延伸出小梁而构成的八个三棱锥体，相邻小梁之间形成孔隙，所述八面体杆结构基本单元形成有呈三维空间分布的多个孔隙；建立所述多孔骨植入体的等效模量差值与小梁尺寸之间的第一定量分析关系，根据所述第一定量分析关系，预测所述多孔骨植入体的力学性能；其中，所述等效模量差值为利用仿真分析方法得到的多孔骨植入体的等效弹性模量与利用样件测试得到的多孔骨植入体的等效弹性模量的差值。可选的，所述多孔骨植入体的等效模量差值与所述小梁尺寸之间的本构关系为y＝16.457x2.2551，其中，x为所述小梁尺寸，y为所述等效模量差值。可选的，建立所述多孔骨植入体的形体参数与所述多孔骨植入体的等效弹性模量之间的第二定量分析关系，根据预设的形体参数，按照所述第二定量分析关系确定所述多孔骨植入体的等效弹性模量；其中，所述形体参数包括：所述多孔骨植入体的体积、孔隙率、表面积、比表面积、最大孔隙的孔径。可选的，基于仿真分析方法得到：所述小梁尺寸与所述多孔骨植入体的等效弹性模量之间的本构关系为y＝19.102x2.296；基于样件测试得到：所述小梁尺寸与所述多孔骨植入体的等效弹性模量之间的本构关系为y＝4.2483x-1.7245，其中，y为所述多孔骨植入体的等效弹性模量，x为小梁尺寸。可选的，基于仿真分析方法得到：所述多孔骨植入体的孔隙率与所述多孔骨植入体的等效弹性模量之间的本构关系为y＝3E+08x-4.014；基于样件测试得到：所述多孔骨植入体的孔隙率与所述多孔骨植入体的等效弹性模量之间的本构关系为y＝-0.0792x+7.4606，其中，y为所述多孔骨植入体的等效弹性模量，x为所述多孔骨植入体的孔隙率。可选的，基于仿真分析方法得到：所述多孔骨植入体的最大孔隙的孔径与所述多孔骨植入体的等效弹性模量之间的本构关系为y＝13.682x-3.786；基于样件测试得到：所述多孔骨植入体的最大孔隙的孔径与所述多孔骨植入体的等效弹性模量之间的本构关系为y＝-4.9168x+7.0458，其中，y为所述多孔骨植入体的等效弹性模量，x为所述多孔骨植入体的最大孔隙的孔径。可选的，基于仿真分析方法得到：所述多孔骨植入体的体积与所述多孔骨植入体的等效弹性模量之间的本构关系为y＝0.0026x1.3147；基于样件测试得到：所述多孔骨植入体的体积与所述多孔骨植入体的等效弹性模量之间的本构关系为y＝0.0033x-0.3848，其中，y为多孔骨植入体的等效弹性模量，x为多孔骨植入体的体积。可选的，基于仿真分析方法得到：所述多孔骨植入体的表面积与所述多孔骨植入体的等效弹性模量之间的本构关系为y＝2E-11x3.427；基于样件测试得到：所述多孔骨植入体的表面积与所述多孔骨植入体的等效弹性模量之间的本构关系为y＝0.0018x-3.5593，其中，y为所述多孔骨植入体的等效弹性模量，x为所述多孔骨植入体的表面积。可选的，基于仿真分析方法得到：所述多孔骨植入体的比表面积与多孔骨植入体的等效弹性模量之间的本构关系为y＝0.0198x2.1047；基于样件测试得到：所述多孔骨植入体的比表面积与所述多孔骨植入体的等效弹性模量之间的本构关系为y＝0.1471x-1.3607，其中，y为所述多孔骨植入体的等效弹性模量，x为所述多孔骨植入体的比表面积。可选的，所述小梁的截面为圆形，所述小梁的材料为钛合金。本专利技术的优点是：1、本专利技术提供的基于八面体杆结构的多孔骨植入体的力学性能评测方法，建立了小梁尺寸与等效模量差值之间的定量分析关系，可根据定量分析关系，预测制造出的多孔骨植入体样件的力学性能，预先评估制备出的多孔骨植入体与宿主骨之间的力学性能匹配程度，有利于3D打印制备的个性化多孔骨植入体的临床适配和推广应用；2、本专利技术提供的基于八面体杆结构的多孔骨植入体的力学性能评测方法，还建立了两种测量方法下的多孔骨植入体模型的形体参数与多孔骨植入体的等效弹性模量的定量分析关系，能够为多孔骨植入体的可控、量化、科学设计提供数据依据，有利于个性化仿生骨植入体的临床应用和推广；3、本专利技术提供的八面体杆结构基本单元，具有呈三维空间分布的若干孔隙，具有各项同性的力学特性，有利于促进营养物质及代谢产物的输送与排除，增进细胞的粘附、分化、繁殖及组织的再生；4、本专利技术提供的八面体杆结构基本单元，呈轴对称结构，设置有六个拼接面，若干八面体杆结构基本单元经过排列、拼接设计构成多孔骨植入体，便于根据实际需求设计出多样化的个性化多孔骨植入体。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例的八面体杆结构基本单元的结构示意图；图2为图1所示结构的力学传导示意图；图3为图1所示结构的俯视图；图4A、4B为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于八面体杆结构的多孔骨植入体的力学性能评测方法，其特征在于，所述多孔骨植入体由至少一个八面体杆结构基本单元利用建模方法拼接构成；所述八面体杆结构基本单元包括：由十二根小梁构成的八面体及分别由所述八面体的八个面为底面、由所述八面体的六个顶点分别向外延伸出小梁而构成的八个三棱锥体，相邻小梁之间形成孔隙，所述八面体杆结构基本单元形成有呈三维空间分布的多个孔隙；建立所述多孔骨植入体的等效模量差值与小梁尺寸之间的第一定量分析关系，根据所述第一定量分析关系，预测所述多孔骨植入体的力学性能；其中，所述等效模量差值为利用仿真分析方法得到的多孔骨植入体的等效弹性模量与利用样件测试得到的多孔骨植入体的等效弹性模量的差值。

【技术特征摘要】
1.一种基于八面体杆结构的多孔骨植入体的力学性能评测方法，其特征在于，所述多孔骨植入体由至少一个八面体杆结构基本单元利用建模方法拼接构成；所述八面体杆结构基本单元包括：由十二根小梁构成的八面体及分别由所述八面体的八个面为底面、由所述八面体的六个顶点分别向外延伸出小梁而构成的八个三棱锥体，相邻小梁之间形成孔隙，所述八面体杆结构基本单元形成有呈三维空间分布的多个孔隙；建立所述多孔骨植入体的等效模量差值与小梁尺寸之间的第一定量分析关系，根据所述第一定量分析关系，预测所述多孔骨植入体的力学性能；其中，所述等效模量差值为利用仿真分析方法得到的多孔骨植入体的等效弹性模量与利用样件测试得到的多孔骨植入体的等效弹性模量的差值。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多孔骨植入体的等效模量差值与所述小梁尺寸之间的本构关系为y＝16.457x2.2551，其中，x为所述小梁尺寸，y为所述等效模量差值。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，建立所述多孔骨植入体的形体参数与所述多孔骨植入体的等效弹性模量之间的第二定量分析关系，根据预设的形体参数，按照所述第二定量分析关系确定所述多孔骨植入体的等效弹性模量；其中，所述形体参数包括：所述多孔骨植入体的体积、孔隙率、表面积、比表面积、最大孔隙的孔径。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于仿真分析方法得到：所述小梁尺寸与所述多孔骨植入体的等效弹性模量之间的本构关系为y＝19.102x2.296；基于样件测试得到：所述小梁尺寸与所述多孔骨植入体的等效弹性模量之间的本构关系为y＝4.2483x-1.7245，其中，y为所述多孔骨植入体的等效弹性模量，x为小梁尺寸。5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，基于仿真分析方法得到：所述多孔骨植入体的孔隙率与所述多孔骨植入体的等效弹性模量之间的本构关系为y＝3E+08x-4.014；基于样件测试得到：所述多孔骨植入体的孔隙率与所述多孔骨植入体的等效弹性模量之间的本构...

【专利技术属性】
技术研发人员：李剑，樊瑜波，莫中军，姚艳，
申请(专利权)人：国家康复辅具研究中心，
类型：发明
国别省市：北京,11