一種高強(qiáng)度小孔徑金屬骨小梁的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于生物醫(yī)用材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高強(qiáng)度小孔徑金屬骨小
Wi
O
【背景技術(shù)】
[0002]在骨折或骨壞死等骨質(zhì)疾病治療和修復(fù)領(lǐng)域，尤其在對(duì)承力骨的治療和修復(fù)方面，植入物替換病死骨手術(shù)是常見的預(yù)防骨質(zhì)疾病進(jìn)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(jī)高分子聚合物、可降解材料和金屬材料等。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(xué)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(yīng)用。
[0003]但是，由于不銹鋼、Co-Cr基合金、鈦基合金等金屬材料的模量明顯要高于骨組織模量，這將引起所謂“應(yīng)力遮擋效應(yīng)”。針對(duì)在治療骨質(zhì)疾病過程中出現(xiàn)的“應(yīng)力遮擋”問題，現(xiàn)有技術(shù)是將金屬材料制備成多孔狀來降低材料整體的表觀模量。然而，傳統(tǒng)的多孔金屬材料制備工藝的影響因素過多、流程復(fù)雜、無法一次成型，并普遍存在孔隙結(jié)構(gòu)不能精確控制、內(nèi)部孔隙連通率差等問題。
[0004]3D打印通過CT等掃描數(shù)據(jù)的處理，由計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)構(gòu)建，可以將打印成符合需求的個(gè)性化多孔連通復(fù)雜金屬結(jié)構(gòu)，不僅給骨長(zhǎng)入提供了空間，也因?yàn)槎嗫捉Y(jié)構(gòu)降低了零件的彈性模量，實(shí)現(xiàn)了與正常骨組織彈性模量的匹配，且不必?fù)?dān)心降解時(shí)間與機(jī)體需求的不匹配，成為了 3D打印在骨科發(fā)展的重要方向。
[0005]目前市面上各種3D打印多孔鈦合金材料，其多孔結(jié)構(gòu)均以六面體、圓柱體、圓錐體為基體單元簡(jiǎn)單陣列疊加而成，與真正仿生意義上的人骨多孔結(jié)構(gòu)相差較大，并且在多孔材料曲面上存在多孔結(jié)構(gòu)分布不均勻的現(xiàn)象，影響骨長(zhǎng)入的一致性。同時(shí)，隨著多孔材料孔隙率的提升，孔筋的細(xì)化，力學(xué)性能也隨之降低，難以滿足骨小梁對(duì)力學(xué)性能的要求(>50MPa);受限于3D打印設(shè)備本身的精度及清粉要求，目前3D打印多孔材料孔徑通常較大，直徑約300?1500 μ m，對(duì)于細(xì)胞20?30 μ m的平均直徑來說，顯然過于空曠，細(xì)胞只能在其孔壁二維空間上攀附生長(zhǎng)，不能實(shí)現(xiàn)在整個(gè)孔洞內(nèi)三維層次的生長(zhǎng)，進(jìn)而也無法實(shí)現(xiàn)支架內(nèi)長(zhǎng)入充足的骨量。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0006]本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種高強(qiáng)度小孔徑金屬骨小梁。該金屬骨小梁的壓縮強(qiáng)度為60MPa?90MPa，等效孔徑為100 μπι?150 μm,比常規(guī)3D打印多孔材料的孔徑降低了 50%以上，壓縮強(qiáng)度提高了 20%以上，更利于骨長(zhǎng)入及細(xì)胞生長(zhǎng)。
[0007]為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是:一種高強(qiáng)度小孔徑金屬骨小梁，其特征在于，該金屬骨小梁為由多個(gè)基本單元疊加而成的三維立體結(jié)構(gòu)，所述基本單元是棱邊為實(shí)體、其余部分鏤空的多面體結(jié)構(gòu)，相鄰兩個(gè)基本單元之間均有一個(gè)面重合，所述基本單元內(nèi)部設(shè)置有加強(qiáng)筋，所述高強(qiáng)度小孔徑金屬骨小梁的壓縮強(qiáng)度為60MPa?90MPa，等效孔徑為100 μπι?150 μπι，所述等效孔徑是指高強(qiáng)度小孔徑金屬骨小梁中孔隙的內(nèi)切圓直徑。
[0008]上述的一種高強(qiáng)度小孔徑金屬骨小梁，其特征在于，所述加強(qiáng)筋由聯(lián)接基本單元的幾何中心至頂點(diǎn)的多根桿體組成，每根桿體的橫截面形狀均為正方形，每根桿體的橫截面邊長(zhǎng)均為0.1mm?0.3mm。
[0009]上述的一種高強(qiáng)度小孔徑金屬骨小梁，其特征在于，所述多面體為三角雙錐體或菱形十二面體，所述三角雙錐體和菱形十二面體的邊長(zhǎng)均為0.5mm?2_，所述棱邊的橫截面形狀為正三角形或正方形，所述棱邊的橫截面邊長(zhǎng)為0.1mm?0.3mm。
[0010]上述的一種高強(qiáng)度小孔徑金屬骨小梁，其特征在于，所述高強(qiáng)度小孔徑金屬骨小梁的材質(zhì)為TC4鈦合金。
[0011]上述的一種高強(qiáng)度小孔徑金屬骨小梁，其特征在于，所述三維立體結(jié)構(gòu)為六面體形。
[0012]上述的一種高強(qiáng)度小孔徑金屬骨小梁，其特征在于，所述三維立體結(jié)構(gòu)為空心半球形，所述三維立體結(jié)構(gòu)上開設(shè)有三個(gè)通孔。
[0013]上述的一種高強(qiáng)度小孔徑金屬骨小梁，其特征在于，所述三維立體結(jié)構(gòu)為橢圓柱形，所述三維立體結(jié)構(gòu)上對(duì)稱開設(shè)有兩個(gè)D形凹槽。
[0014]本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0015]1、本實(shí)用新型提供了一種高強(qiáng)度、小孔徑、高仿生的金屬骨小梁，該金屬骨小梁的孔密度具有良好的均勻性，在相同的孔隙率和孔筋條件下，本實(shí)用新型金屬骨小梁的壓縮強(qiáng)度能夠比常規(guī)3D打印多孔材料提升20%以上。
[0016]2、本實(shí)用新型能夠根據(jù)實(shí)際需求選擇不同的基本單元，從而獲得不同外形及尺寸、不同孔隙率、不同孔徑的金屬骨小梁，能夠通過調(diào)控基本單元內(nèi)部加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)和基本單元的排列方式調(diào)控骨小梁的力學(xué)性能。
[0017]3、本實(shí)用新型金屬骨小梁的多孔結(jié)構(gòu)的最小孔徑可達(dá)100 μπι左右，比常規(guī)3D打印多孔材料的孔徑(常規(guī)3D打印多孔材料的孔徑均大于300 μπι)降低了 50%以上，更利于骨長(zhǎng)入及細(xì)胞生長(zhǎng)。
[0018]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
【附圖說明】
[0019]圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例1高強(qiáng)度小孔徑金屬骨小梁的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例1高強(qiáng)度小孔徑金屬骨小梁的SEM照片。
[0021]圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例2高強(qiáng)度小孔徑金屬骨小梁的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖4為本實(shí)用新型實(shí)施例1和實(shí)施例2基本單元的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖5為本實(shí)用新型實(shí)施例3高強(qiáng)度小孔徑金屬骨小梁的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖6為本實(shí)用新型實(shí)施例4高強(qiáng)度小孔徑金屬骨小梁的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖7為本實(shí)用新型實(shí)施例3和實(shí)施例4基本單位的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]附圖標(biāo)記說明:
[0027]1一棱邊；2—加強(qiáng)筋。
【具體實(shí)施方式】
[0028]實(shí)施例1
[0029]如圖1和圖4所示，本實(shí)施例高強(qiáng)度小孔徑金屬骨小梁為由多個(gè)基本單元疊加而成的三維立體結(jié)構(gòu)，所述基本單元是棱邊I為實(shí)體、其余部分鏤空的多面體結(jié)構(gòu)，本實(shí)施例優(yōu)選為邊長(zhǎng)2mm的菱形十二面體，棱邊I的橫截面形狀優(yōu)選為邊長(zhǎng)0.3mm的正方形，相鄰兩個(gè)基本單元之間均有一個(gè)面重合，所述基板單元內(nèi)部還設(shè)置有加強(qiáng)筋2，本實(shí)施例中的加強(qiáng)筋2優(yōu)選由聯(lián)接基本單元的幾何中心至頂點(diǎn)的6根桿體組成，每根桿體的橫截面形狀均為邊長(zhǎng)0.3mm的正方形。本實(shí)施例高強(qiáng)度小孔徑金屬骨小梁的材質(zhì)優(yōu)選為TC4鈦合金，本實(shí)施例高強(qiáng)度小孔徑金屬骨小梁的形狀為六面體形。
[0030]本實(shí)施例高強(qiáng)度小孔徑金屬骨小梁的壓縮強(qiáng)度為66MPa，等效孔徑(等效孔徑是指金屬骨小梁中孔隙的內(nèi)切圓直徑)為100 μπι?150 μπι(如圖2所示)。
[0031]實(shí)施例2
[0032]如圖3和圖4所示，本實(shí)施例高強(qiáng)度小孔徑金屬骨小梁為由多個(gè)基本單元疊加而成的三維立體結(jié)構(gòu)，所述基本單元是棱邊I為實(shí)體、其余部分鏤空的多面體結(jié)構(gòu)，本實(shí)施例優(yōu)選為邊長(zhǎng)0.5mm的菱形十二面體，棱邊I的橫截面形狀優(yōu)選為邊長(zhǎng)0.15mm的正三角形，相鄰兩個(gè)基本單元之間均有一個(gè)面重合，所述基板單元內(nèi)部還設(shè)置有加強(qiáng)筋2，本實(shí)施例中的加強(qiáng)筋2優(yōu)選由聯(lián)接基本單元的幾何中心至頂點(diǎn)的6根桿體組成，每根桿體的橫截面形狀均為邊長(zhǎng)0.15mm的正方形。本實(shí)施例高強(qiáng)度小孔徑金屬骨小梁的材質(zhì)優(yōu)選為TC4鈦合金，本實(shí)施例高強(qiáng)度小孔徑金屬骨小梁優(yōu)選為形狀為空心半球形(內(nèi)徑22_，外徑24mm)的骨小梁髖白杯，其上開有三個(gè)通孔。
[0033]本實(shí)施例高強(qiáng)度小孔徑