孔径梯度多孔支架及用于其的极小曲面结构单元制造技术

本发明专利技术提供了一种孔径梯度多孔支架及用于其的极小曲面结构，该极小曲面结构单元为Gyroid曲面结构单元、Primitive曲面结构单元、Diamond曲面结构单元或I

【技术实现步骤摘要】
孔径梯度多孔支架及用于其的极小曲面结构单元


[0001]本专利技术涉及生物医用植入材料
，具体涉及一种孔径梯度多孔支架及用于其的极小曲面结构。

技术介绍

[0002]多孔钛及钛合金具有较低的弹性模量、高的比强度、优异的耐蚀性以及良好的生物相容性，在骨修复领域得到广泛应用。但目前制备的多孔钛合金骨支架的力学和生物性能仍无法很好地与人体骨组织的性能相匹配，存在强度与弹性模量匹配性不足、支架结构不利于细胞的粘附、增殖和分化等问题。因此，多孔钛支架的发展方向之一为发展一种新型的多孔支架，其在满足强度的基础上，具有与人体骨组织相似的孔径分布，即外层孔径相对较小，体液流经时流速较小，促进细胞的粘附；内层孔径较大，有利于营养物质的运输，促进细胞的增殖和分化，加速组织再生过程，从而为骨缺损部位的修复和重建提供有效的保障。
[0003]目前，基于直杆的点阵结构多孔支架得到广泛应用，例如简单立方、体心立方和金刚石结构的点阵多孔支架。但是，一方面，点阵结构多孔支架在点阵结构的杆相交处易产生应力集中，使得支架在周期性载荷作用下过早失效，大大缩短支架的使用寿命；另一方面，具有点阵结构的多孔支架的表面积较小，不利于细胞的粘附。
[0004]三周期极小曲面(TPMS)的表面曲率特征对组织再生有很好的导向作用，并且其结构可以通过隐函数表达式控制，因此，基于TPMS结构设计并制备一种有与自然骨相似孔隙结构和功能的支架是十分重要。

技术实现思路

[0005]本专利技术的主要目的在于提供一种孔径梯度多孔支架及用于其的极小曲面结构，该极小曲面结构单元由隐函数表达式控制，并控制其孔径为200～1000μm、孔隙率为10～90％，以及控制其在x、y、z方向的长度均为0.5～2mm，且基于该极小曲面结构单元得到与自然骨相似孔隙结构和功能的仿生支架，具有良好的力学和生物学相容性，以解决现有技术中采用直杆单元结构得到的多孔支架易产生应力集中的技术问题。
[0006]为了实现上述目的，根据本专利技术的第一方面，提供了一种用于孔径梯度多孔支架的极小曲面结构单元。
[0007]该用于孔径梯度多孔支架的极小曲面结构单元为Gyroid曲面结构单元、 Primitive曲面结构单元、Diamond曲面结构单元或I-WP曲面结构单元，所述 Gyroid、Primitive、Diamond和I-WP曲面结构单元分别由隐函数表达式控制；
[0008]所述Gyroid、Primitive、Diamond和I-WP曲面结构单元的孔径均为 200～1000μm、孔隙率均为10～90％，所述Gyroid、Primitive、Diamond和I-WP 曲面结构单元在x、y、z方向的长度a、b、c均为0.5～2mm。
[0009]进一步的，所述Gyroid曲面结构单元的隐函数表达式为：
其中，a、b、 c为Gyroid曲面结构单元在x、y、z方向的长度；t1为控制Gyroid曲面结构单元孔隙率的常数，其值为0.1538～1.3846。
[0010]进一步的，所述Primitive曲面结构单元的隐函数表达式为：
[0011]其中，a、b、c为Primitive曲面结构单元在x、y、z方向的长度；t2为控制Primitive曲面结构单元孔隙率的常数，其值为0.1754～1.5789。
[0012]进一步的，所述Diamond曲面结构单元的隐函数表达式为：其中，a、b、 c为Diamond结构单元在x、y、z方向的长度；t3为控制Diamond曲面结构单元孔隙率的常数，其值为0.0833～0.75。
[0013]进一步的，所述I-WP曲面结构单元的隐函数表达式为：
[0014][0014]其中，a、b、 c为I-WP曲面结构单元在x、y、z方向的长度；t4为控制I-WP曲面结构单元孔隙率的常数，其值为0.3846～3.4615。
[0015]为了实现上述目的，根据本专利技术的第二方面，提供了一种孔径梯度多孔支架。
[0016]该孔径梯度多孔支架包括内层支架结构和外层支架结构，并且所述内层支架结构和外层支架结构分别包括多个上述的用于孔径梯度多孔支架的极小曲面结构单元，其中：
[0017]所述内层支架结构和外层支架结构分别为所述多个极小曲面结构单元沿长、宽、高三个维度进行阵列形成，并且形成所述内层支架结构的极小曲面结构单元与形成所述外层支架结构的极小曲面结构单元的几何结构以及孔隙率均相同，所述孔径梯度多孔支架的孔径由所述内层支架结构到所述外层支架结构呈梯度变化。
[0018]进一步的，所述孔径梯度多孔支架的孔径由所述内层支架结构到所述外层支架结构逐渐减小。
[0019]进一步的，所述内层支架结构呈柱状多孔结构，所述外层支架结构呈空心柱状多孔结构，所述内层支架结构设置在所述外层支架结构的中部空心处，并且所述内层支架结构和所述外层支架结构通过S型函数平滑过渡连接。
[0020]进一步的，所述S型函数表达式为：
[0021]其中，k为控制所述内层支架结构和外层支架结构之间过渡区域宽度的常数，其值为0.5～3；函数G(x,y,z)决定过渡区域的形貌，且函数G(x,y,z)＝0所对应的坐标为过渡区域中心。
[0022]k值控制内层支架结构和外层支架结构之间过渡区域的宽度，k值越大过渡区域越窄；函数G(x,y,z)决定过渡区域的形貌，且函数G(x,y,z)＝0所对应的坐标为过渡区域中心，即过渡区域内内层支架结构和外层支架结构的比例为50％内层支架结构和50％外层支架结构对应的位置，具体的k值以及函数G(x,y,z)根据实际情况进行选择。
[0023]进一步的，所述孔径梯度多孔支架结构的表达式为：
[0024]其中，α(x,y,z)为S型函数，为内层支架结构的表达式，为外层支架结构的表达式。
[0025]其中，为或
[0026]为或
[0027]在本专利技术中，函数G(x,y,z)决定过渡区形貌，具体方式为：在过渡区域内，控制在不同位置的两种结构的比例。
[0028]例如：过渡区中心在x＝0处(即G(x,y,z)函数的零点为x＝0)，且G(x,y,z)为一次函数时，在不同位置两种结构的比例如图10所示；
[0029]保持过渡中心不变，当G(x,y,z)为三次函数时，在不同位置两种结构的比例如图11所示；
[0030]可以看出，不同的G(x,y,z)函数决定过渡区域内两种结构的比例，因而决定了不同的过渡区形貌。
[0031]因此，G(x,y,z)函数应符合以下要求：
[0032]G(x,y,z)在定义域内连续，定义域为支架结构的尺寸坐标范围；
[0033]G(x,y,z)在定义域内存在零点，即过渡区域在定义域内；
[0034]G(x,y,z)在定义域内单调增加或单调减少，即保证过渡区域中心两侧为不同的支架结构。
[0035]三周期极小曲面(TPMS)的表面曲率为零，与骨小梁的表面曲率相似，这本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于孔径梯度多孔支架的极小曲面结构单元，其特征在于，所述极小曲面结构单元为Gyroid曲面结构单元、Primitive曲面结构单元、Diamond曲面结构单元或I-WP曲面结构单元，所述Gyroid、Primitive、Diamond和I-WP曲面结构单元分别由隐函数表达式控制；所述Gyroid、Primitive、Diamond和I-WP曲面结构单元的孔径均为200～1000μm、孔隙率均为10～90％，所述Gyroid、Primitive、Diamond和I-WP曲面结构单元在x、y、z方向的长度a、b、c均为0.5～2mm。2.根据权利要求1所述的用于孔径梯度多孔支架的极小曲面结构单元，其特征在于，所述Gyroid曲面结构单元的隐函数表达式为：其中，a、b、c为Gyroid曲面结构单元在x、y、z方向的长度；t1为控制Gyroid曲面结构单元孔隙率的常数，其值为0.1538～1.3846。3.根据权利要求1所述的用于孔径梯度多孔支架的极小曲面结构单元，其特征在于，所述Primitive曲面结构单元的隐函数表达式为：其中，a、b、c为Primitive曲面结构单元在x、y、z方向的长度；t2为控制Primitive曲面结构单元孔隙率的常数，其值为0.1754～1.5789。4.根据权利要求1所述的用于孔径梯度多孔支架的极小曲面结构单元，其特征在于，所述Diamond曲面结构单元的隐函数表达式为：其中，a、b、c为Diamond结构单元在x、y、z方向的长度；t3为控制Diamond曲面结构单元孔隙率的常数，其值为0.0833～0.75。5.根据权利要求1所述的用于孔径梯度多孔支架的极小曲面结构单元，其特征在于，所述I-WP曲面结构单元的隐函数表达式为：WP曲面结构单元的隐函数表达式为：其中，a、...

【专利技术属性】
技术研发人员：路新，侯辰锦，徐伟，于爱华，何新波，潘宇，张策，
申请(专利权)人：北京科技大学广州新材料研究院，
类型：发明
国别省市：