一种基于TPMS结构设计骨科植入物的方法与流程

一种基于tpms结构设计骨科植入物的方法
技术领域
1.本发明关于一种骨科植入物的设计方法，特别是有关于一种基于tpms结构设计骨科植入物的方法。


背景技术：

2.现有技术中，三周期极小曲面(triplyperiodicminimalsurface,tpms)是基于隐式函数的平均曲率为零的曲面结构，与人骨相近，具有良好的力学传导性能。其优点包括：1.具有良好的拓扑优化性，在激光选区熔融工艺成形过程中能够提供更好的自支撑性；2.具有光滑接头的无限连续的表面确保了更少的应力集中和更高的机械性能；3.通过调整曲面方程的参数，可以实现对结构单元形状和尺寸的精确控制。其中gyroid结构具有高比表面积、高渗透率的特点，其表面开放的孔隙有利于细胞长入，从而促进骨结合。有研究表明，通过调节孔隙率、孔径等参数，可以调节材料的强度及弹性模量。孔隙率越大，强度及弹性模量越小；反之，孔隙率越小，强度及弹性模量越大。因此，如何将tpms多孔结构与目标结构的骨科植入物更好的结合设计出最优的骨科植入物成为亟需解决的问题。


技术实现要素：

3.针对上述问题，本发明提供一种基于tpms结构设计骨科植入物的方法，该方法包括以下步骤：
4.s1：在mathematics软件中建立多孔结构，并生产stl格式文件；
5.s2：将该stl格式文件导入到软件3-matic中；
6.s3：进行网格优化及模型自动修复，并导出igs格式的模型；
7.s4：将该igs格式的模型导入到软件nx中；
8.s5：对该igs格式的模型进行缝合并与目标结构的骨科植入物进行布尔运算得到目标结构；
9.其中，mathematics软件是一种科学计算软件，stl是一种计算机辅助设计的格式文件，3-matic软件是一种正向工程软件，igs格式是基于iges标准生成的格式文件，用于不同三维软件系统文件转换。
10.进一步地，步骤s1中建立多孔结构选用gyroid结构作为单胞。
11.进一步地，步骤s1中建立多孔结构的公式为fg＝cos(x)sin(y)+cos(y)sin(z)+cos(z)sin(x)-c，其中，x＝2πx/t，x为x方向的周期变化，y＝2πy/t，y为y方向的周期变化，z＝2πz/t,z为z方向的周期变化，c表示曲面偏置的大小，x、y、z分别为x方向、y方向和z方向的坐标，t为单胞的大小。
12.进一步地，步骤s3修复完成时，翻转法线输出结果为0，损坏边界输出结果为0，壳体参数输出结果为1。
13.进一步地，步骤s3转换为igs格式时选择自动拆分，并将拆分的斑块密度设置为65，同时将边界公差设置为0.013，中间公差设置为0.13。
14.通过本发明提供的一种基于tpms结构设计骨科植入物的方法，首先在mathematics软件中建立多孔结构，并生产stl格式文件；将该stl格式文件导入到软件3-matic中，进行网格优化及模型自动修复后导出igs格式的模型，再将该igs格式的模型导入到软件nx中并对该igs格式的模型进行缝合并与目标结构的骨科植入物进行布尔运算得到目标结构；本发明以tpms结构制备力学性能及生物相容性优良的仿生多孔骨科植入物，有效改善应力屏蔽效应，从而有效提高结合强度，提高种植成功率，本发明方法能够获得力学性能及生物相容性优良的复杂多孔结构的骨科植入物。
附图说明
15.图1为本发明一种基于tpms结构设计骨科植入物的方法中gyroid结构示意图；
16.图2为本发明一种基于tpms结构设计骨科植入物的方法中目标结构示意图。
具体实施方式
17.为使对本发明的目的、构造、特征、及其功能有进一步的了解，兹配合实施例详细说明如下。
18.针对上述问题，本发明提供一种基于tpms结构设计骨科植入物的方法，该方法包括以下步骤：
19.s1：在mathematics软件中建立多孔结构，并生产stl格式文件；
20.s2：将该stl格式文件导入到软件3-matic中；
21.s3：进行网格优化及模型自动修复，并导出igs格式的模型；
22.s4：将该igs格式的模型导入到软件nx中；
23.s5：对该igs格式的模型进行缝合并与目标结构的骨科植入物进行布尔运算得到目标结构；
24.其中，mathematics软件是一种科学计算软件，stl是一种计算机辅助设计的格式文件，3-matic软件是一种正向工程软件，igs格式是基于iges标准生成的格式文件，用于不同三维软件系统文件转换。stl格式文件可以描述模型的几何信息，是由多个三角形面片组合而成的片状结构，被广泛应用于3d打印领域，但stl格式的模型结构不能与实体结构进行结合，步骤s3是将stl格式模型转化为igs格式模型，以便与实体结构更精确的相结合。参见图2，图2为本发明一种基于tpms结构设计骨科植入物的方法中目标结构示意图，本发明的目标结构以髋臼骨为例，但不作限制，本发明适用各种骨科植入物。
25.进一步地，步骤s1中建立多孔结构选用gyroid结构作为单胞，参见图1，图1为本发明一种基于tpms结构设计骨科植入物的方法中gyroid结构示意图，gyroid结构具有高比表面积、高渗透率的特点，其表面开放的孔隙有利于细胞长入，从而促进骨结合，其中，gyroid结构可以理解为螺旋结构。
26.进一步地，步骤s1中建立多孔结构的公式为fg＝cos(x)sin(y)+cos(y)sin(z)+cos(z)sin(x)-c，其中，x＝2πx/t，x为x方向的周期变化，y＝2πy/t，y为y方向的周期变化，z＝2πz/t,z为z方向的周期变化，x、y、z分别为x方向、y方向和z方向的坐标，t为单胞的大小，c表示曲面偏置的大小，通过调节c可以调节多孔结构的孔隙率，进而可以调节材料的强度及弹性模量，孔隙率越大，强度及弹性模量越小，反之，孔隙率越小，强度及弹性模量越大。
27.进一步地，步骤s3修复完成时，翻转法线输出结果为0，损坏边界输出结果为0，壳体参数输出结果为1。
28.进一步地，步骤s3转换为igs格式时选择自动拆分，并将拆分的斑块密度设置为65，同时将边界公差设置为0.013，中间公差设置为0.13，本发明可以获得力学性能及生物相容性优良的复杂多孔结构的骨科植入物。
29.通过本发明提供的一种基于tpms结构设计骨科植入物的方法，首先在mathematics软件中建立多孔结构，并生产stl格式文件；将该stl格式文件导入到软件3-matic中，进行网格优化及模型自动修复后导出igs格式的模型，再将该igs格式的模型导入到软件nx中并对该igs格式的模型进行缝合并与目标结构的骨科植入物进行布尔运算得到目标结构；本发明以tpms结构制备力学性能及生物相容性优良的仿生多孔骨科植入物，有效改善应力屏蔽效应，从而有效提高结合强度，提高种植成功率，本发明方法能够获得力学性能及生物相容性优良的复杂多孔结构的骨科植入物。
30.本发明已由上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本发明的范例。必需指出的是，已揭露的实施例并未限制本发明的范围。相反地，在不脱离本发明的精神和范围内所作的更动与润饰，均属本发明的专利保护范围。

技术特征：
1.一种基于tpms结构设计骨科植入物的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：s1：在mathematics软件中建立多孔结构，并生产stl格式文件；s2：将该stl格式文件导入到软件3-matic中；s3：进行网格优化及模型自动修复，并导出igs格式的模型；s4：将该igs格式的模型导入到软件nx中；s5：对该igs格式的模型进行缝合并与目标结构的骨科植入物进行布尔运算得到目标结构；其中，mathematics软件是一种科学计算软件，stl是一种计算机辅助设计的格式文件，3-matic软件是一种正向工程软件，igs格式是基于iges标准生成的格式文件，用于不同三维软件系统文件转换。2.根据权利要求1所述的一种基于tpms结构设计骨科植入物的方法，其特征在于，步骤s1中建立多孔结构选用gyroid结构作为单胞。3.根据权利要求1所述的一种基于tpms结构设计骨科植入物的方法，其特征在于，步骤s1中建立多孔结构的公式为f
g
＝cos(x)sin(y)+cos(y)sin(z)+cos(z)sin(x)-c，其中，x＝2πx/t，x为x方向的周期变化，y＝2πy/t，y为y方向的周期变化，z＝2πz/t,z为z方向的周期变化，c表示曲面偏置的大小，x、y、z分别为x方向、y方向和z方向的坐标，t为单胞的大小。4.根据权利要求1所述的一种基于tpms结构设计骨科植入物的方法，其特征在于，步骤s3修复完成时，翻转法线输出结果为0，损坏边界输出结果为0，壳体参数输出结果为1。5.根据权利要求1所述的一种基于tpms结构设计骨科植入物的方法，其特征在于，步骤s3转换为igs格式时选择自动拆分，并将拆分的斑块密度设置为65，同时将边界公差设置为0.013，中间公差设置为0.13。

技术总结
本发明涉及一种基于TPMS结构设计骨科植入物的方法，首先在mathematics软件中建立多孔结构，并生产stl格式文件；将该stl格式文件导入到软件3-matic中，进行网格优化及模型自动修复后导出igs格式的模型，再将该igs格式的模型导入到软件NX中并对该igs格式的模型进行缝合并与目标结构的骨科植入物进行布尔运算得到目标结构；本发明以TPMS结构制备力学性能及生物相容性优良的仿生多孔骨科植入物，有效改善应力屏蔽效应，从而有效提高结合强度，提高种植成功率，本发明方法能够获得力学性能及生物相容性优良的复杂多孔结构的骨科植入物。生物相容性优良的复杂多孔结构的骨科植入物。生物相容性优良的复杂多孔结构的骨科植入物。


技术研发人员：任卓然 李建强 张琳
受保护的技术使用者：苏州宸泰医疗器械有限公司
技术研发日：2023.05.24
技术公布日：2023/8/23