[发明专利]基于医用植入体的多孔结构材料的设计及制造方法

说明书

本发明提出基于医用植入体的多孔结构材料的设计及制造方法，所述制造方法为使用选区激光熔化技术进行3D打印，所述设计方法包括以下步骤；步骤A1、建立三维的空间网格，以三维网络的各个节点建立空间点阵；步骤A2、以各个节点为圆心在空间点阵内生成多个概率球模型；通过控制各概率球模型的大小来控制球模型球面处随机生成点的运动范围，在空间点阵的空间内得到由随机生成点组成的随点点阵；步骤A3、基于随点点阵内的随机生成点以线框方式对空间点阵进行划分，并以划分空间的线框作为不规则多孔结构的骨架；步骤A4、对骨架进行包边、平滑处理，生成可用于医用植入体的不规则多孔结构3D模型；本发明能设计并制造可用于医用植入体的不规则多孔结构。

技术领域

本发明涉及3D打印技术，尤其是基于医用植入体的多孔结构材料的设计及制造方法。

背景技术

近些年来，对于骨损伤的事件屡见不鲜，据相关统计，仅2005年全国道路交通事故受伤人数就由47万之多，每年还有大量的骨疾病患者，等待着相匹配的骨组织进行植入，可见人工植入体的需求量非常之大。目前，对于损伤的骨组织，临床上常采用力学性能较高的金属植入体进行置换，例如不锈钢、钛和钛合金、钴铬合金等金属植入体，并获得了大量的应用，比如人工膝关节、牙种植、人工骨等。但是人工植入体存在着远期无菌松动和在骨折现象，研究者普遍认为“应力屏蔽”效应是其主要原因。“应力屏蔽”效应是金属人工植入体的弹性模量与人体骨头的弹性模量存在着巨大差异，导致应力无法从人工植入体传递到骨组织上。由于人体骨细胞有着应力响应的生物学特性，人工植入体一端弹性模量较大，会承受较多的应力，骨细胞得不到足够的应力进行刺激时，骨细胞会发生凋亡现象，从而对健康骨头产生不良影响。

人骨内部并不是密实化组织，而是复杂的孔状结构，这些孔状结构形态轮廓各不相同，孔隙率也是因人而异，不同年龄阶段人的孔隙率也不相同。而且实心的金属人工植入体质量、刚度很大，不利于病人的恢复，也会带来诸多问题，例如：“应力屏蔽”效应。目前，多孔结构在人工植入体上的应用颇受欢迎。

多孔结构是一种微观结构的新型轻质高强多功能材料，具有超轻高强、吸收能量和热渗透等特点，在人工植入体方面有着独特的优势。多孔结构按照是否可以相互联通，可分为开孔多孔结构和闭孔多孔结构；按照孔洞的排布规律，可分为规则多孔结构和不规则多孔结构。规则多孔结构设计受到三维设计的自由度限制，且难以模拟骨组织的结构特性，但是设计方法简单。不规则多孔结构设计具有设计自由度高且几何参数可控，能够满足人体骨骼的结构特性，从而达到更好的生物相容性。

目前虽然国内外学者利用选区激光熔化技术，对多孔结构的研究取得了丰硕的成果，但是多孔材料的孔隙结构、力学性能、生物相容性问题，都未得到根本性的解决，国内外对规则多孔结构的报道和研究已经非常成熟，不规则多孔结构的相关探究鲜有人报道，由于不规则多孔结构有着个性化成型和良好的生物相容性的特性，能够提高骨损伤修复后的治疗效果，为广大的骨损伤患者提供更加合理的治疗手段，其具有巨大的社会意义和经济价值。

发明内容

本发明提出基于医用植入体的多孔结构材料的设计及制造方法，能设计并制造可用于医用植入体的不规则多孔结构。

本发明采用以下技术方案。

基于医用植入体的多孔结构材料的设计方法，用于设计可用于医用植入体的不规则多孔结构，所述设计方法包括以下步骤；

步骤A1、在3D造型软件的坐标系内建立三维的空间网格，以三维网络的各个节点建立空间点阵；

步骤A2、以各个节点为圆心，R为半径，在空间点阵内生成多个概率球模型；通过调节半径R控制各概率球模型的大小，以控制球模型球面处随机生成点的运动范围，在空间点阵的空间内得到由概率球模型球面处的随机生成点组成的随点点阵；

步骤A3、基于随点点阵内的随机生成点，按照Voronoi-Tessellation算法，以线框方式对空间点阵的空间进行划分，并以划分空间的线框作为不规则多孔结构的骨架；