[发明专利]一种仿生骨支架的等参变换混合结构及其3D打印方法

说明书

本发明属于增材制造及仿生结构设计领域，并公开了一种仿生骨支架的等参变换混合结构及其3D打印方法，所述仿生骨支架分为内层、过渡层和外层，所述外层采用主拉伸变形的极小曲面模拟密质骨，所述内层采用比表面积高的极小曲面模拟松质骨，所述过渡层通过Sigmond函数对内层和外层两种结构进行结合，且整体结构通过等参变换模仿人体骨骼的外形。该仿生骨支架能模仿人体骨骼的外形、孔隙特征、杨氏模量及完全连通的孔隙结构，能够与骨骼受损区域相匹配，能够实现体液运输，并可满足力学性能和骨长入要求，可用于骨缺损的治疗。

技术领域

本发明涉及增材制造和仿生结构设计领域，尤其涉及一种仿生骨支架的等参变换混合结构及其3D打印方法。

背景技术

骨骼是人体的重要组成部分，对人体起支撑和保护的作用，然而每年都会有大量因创伤、开颅手术、骨肿瘤切除、骨畸形矫正等情况造成骨缺损的病患，需通过骨移植进行修复。但医用骨源紧张，面对每年大量的骨缺损患者，难以满足医疗需求。为了解决骨源不足的问题，有许多研究人员希望通过在体外构建合适的仿生支架，来填补骨骼缺损的部位，从而解决骨源不足的问题。

为了保证骨细胞在仿生支架中能够有较高的细胞活性，在孔隙结构方面，仿生支架应为骨细胞的增殖和黏附提供良好的活动空间，并为营养物质和代谢废物的运输提供良好的运输通道，因此需要考虑较大的比表面积和良好的孔道连通率满足此要求；在力学性能方面，仿生支架应考虑具有与人体骨有相似的杨氏模量，可以防止应力屏蔽现象的出现，避免骨组织损伤和仿生支架的过早失效；在材料方面，仿生支架应采用生物相容性材料，不仅仅要求材料的无毒性，也要求材料对骨细胞活动具有积极的影响。因此，仿生支架的设计需要考虑到孔隙结构、力学性能和材料等方面。而3D打印较传统制造方式，具有设计形状无约束、无模具、小规模定制等优势，3D打印技术让骨支架复杂结构制造成为可能，在骨支架制造中具有极大优势。

专利CN112316207A采用的混合点阵多孔仿生支架，和专利CN110272273A所构建的极小曲面P-cell、S-14、G-yroid和I-wp结构，均是通过对极小曲面直接进行加厚，然后直接将模型切除成圆柱等其它形状获得的，只能用于替换人体密质骨，这种直接对极小曲面加厚所获得的多孔结构被称之为Sheet型极小曲面结构，如图11极小曲面类似一块扭曲的薄板，会将完整的空间分割为两个互不相通的第一子空间81和第二子空间82，其空间构建方式是不完全连通的，加厚即是将薄板8进行延伸，因此会影响体液的运输，和新生骨组织所需营养物质的提供，进而影响骨生长的效果，而直接切除极小曲面会破坏结构单元的完整性。

专利CN107661160A所采用的多孔结构为直杆结构，孔隙虽然完全连通，但其骨修复支架内部结构设计为空腔，在受力时，会出现应力集中，降低了仿生支架的抗压强度和疲劳寿命，不适合于本发明专利中所述骨支架的应用。现有关于仿生支架的研究不能同时满足孔隙结构、力学性能和材料三个方面的要求。

发明内容

本发明针对现有技术的不足之处，提供了一种仿生骨支架的等参变换混合结构设计及其3D打印方法。该仿生骨支架能模仿人体骨骼的外形、孔隙特征、杨氏模量，拥有完全连通的孔隙结构，且能够与骨骼受损区域相匹配，并可满足力学性能和骨长入要求。同时采用生物相容性PEEK材料制造仿生骨支架，可用于骨缺损的治疗。

本实发明为实现上述目标所采用的技术方案是：

一种仿生骨支架的等参变换混合结构的3D打印方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：利用内层隐式函数、外层隐式函数分别生成Network型的内层极小曲面结构胞元、外层极小曲面结构胞元的stl模型，结构胞元为边长为l的虚拟正立方体内的体积域；

内层结构隐式函数的表达式包括：

Gyroid：

或 Diamond：