一种具有双调节参数的杆基多孔仿生支架及其设计方法

1.本发明涉及一种多孔仿生支架，尤其是一种具有双调节参数的杆基多孔仿生支架及其设计方法，属于骨组织工程技术领域。


背景技术：

2.在骨组织工程领域，骨支架作为自体骨移植或异体骨移植的替代物，在植入的缺损部位提供机械支撑并支持骨再生。因此，骨支架应具有相互连通的孔隙，以促进组织细胞的粘附、增殖和营养物质的运输，同时表现出与植入部位周围组织相似的力学特性。
3.力学性能和质量传输性能是衡量骨支架的两个重要指标，适当的机械刺激能有效促进骨再生，因此，理想骨支架的力学性能(弹性模量和强度)应与植入部位相吻合。如果支架的强度过高，则会导致应力屏蔽现象的产生，从而导致支架与骨组织的接触界面发生机械松动。反之，如果支架的强度过低，则有可能导致骨吸收。而质量传输性能反映了支架内部透过组织液的能力，人体骨骼的拓扑特征、力学性能和流体性能与骨骼所在的部位密切相关，因此，理想的骨支架应具有灵活可调的拓扑特性，以满足不同部位的性能需求。但是，在骨支架的设计过程中，为了获得优异的力学性能往往需要降低孔隙率，这会导致质量传输能力的下降。相反，如果增加孔隙率则不能保证优异的力学性能。所以，在设计多孔仿生支架时，应权衡孔隙率、力学性能和质量传输性能之间的关系，在支架的力学性能与周围组织相匹配的同时，也应当使支架在适当的孔隙率下拥有最优的渗透性能，以保证组织细胞的增殖和营养物质的传输。
4.然而目前学者们对支架结构的研究大多只侧重一种性能，比如一些学者重点关注支架的力学性能，通过优化设计使其力学性能与植入部位周围组织相匹配；另外一些学者则重点关注支架的孔隙率和拓扑特征对质量传输性能的影响。然而，这两种性能对于多孔支架来说都是至关重要的，虽然力学性能和质量传输性能的同时优化引起了一些学者的注意，但是这两种性能在孔隙率需求方面相互制约的局面在现阶段一直没有得到很好的解决，导致骨组织工程领域对综合性能优异的多孔仿生支架结构的迫切需求。


技术实现要素：

5.为解决背景技术存在的不足，本发明提供一种具有双调节参数的杆基多孔仿生支架及其设计方法，它包含主、副承力杆直径这两个可独立调节的参数，能够使其力学性能和质量传输性能实现高度解耦，赋予支架结构更多的可能性。
6.为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：
7.一种具有双调节参数的杆基多孔仿生支架，包括若干由基本单元阵列排布并制为一体的多孔结构，所述基本单元选取典型tpms晶格中的primitive单元简化得到，提取primitive单元的空间对称轴以及与空间对称轴边缘外侧对应的曲面结构，在空间对称轴位置设置主承力杆，将空间对称轴边缘外侧对应的曲面结构简化为空间对称轴之间的线段，在简化后的线段位置设置副承力杆，所述主承力杆的直径d及所述副承力杆的直径d作
为双调节参数。
8.一种具有双调节参数的杆基多孔仿生支架的设计方法，包括以下步骤：
9.步骤一：基于典型tpms晶格中的primitive单元设计基本单元；
10.步骤二：基于基本单元的几何关系求解其体积分数函数表达式如下：
[0011][0012]
式中，v
_pst
为基本单元的体积分数，l为基本单元所在立方体的边长，l1为主承力杆上两处与副承力杆共享节点之间的距离；
[0013]
步骤三：根据目标支架确定基本单元实际应用的体积分数并求取双调节参数；
[0014]
步骤四：建立基本单元阵列排布为多孔结构的三维模型，并3d打印杆基多孔仿生支架；
[0015]
步骤五：评估杆基多孔仿生支架的力学性能和质量传输性能，选取弹性模量和渗透率分别作为评价力学性能和质量传输性能的指标，其中：
[0016]
弹性模量的计算公式为：
[0017][0018]
式中，f为反作用力，l0为支架的边长，a为支架的横截面积，u为支架在受力方向的变形量，
[0019]
渗透率根据达西定律进行求解，其表达式为：
[0020][0021]
式中，k表示渗透系数，h0表示支架的高度，等于支架的边长，v表示流体速度，μ表示流体的动粘滞系数，δp表示整个模型的压降，
[0022]
基于仿真结果对上述指标进行评估，通过压缩实验验证仿真结果的可靠性，并与现有数据进行对比和分析，制作的杆基多孔仿生支架的力学性能和质量传输性能满足目标支架需求，则可进行后续整形加工进行实际应用，如不满足，则重新调整双调节参数再制作杆基多孔仿生支架。
[0023]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明典型tpms晶格中的primitive单元构创建基本单元，包含主、副承力杆直径这两个可独立调节的参数，在给定孔隙率下实现了弹性模量和渗透率的高度解耦，在拥有优异力学性能的同时不牺牲质量传输性能，具备独立定制力学性能和质量传输性能的能力，同时双调节参数丰富了支架结构的类型，赋予支架结构更多的可能性，且支架结构的性能调节也更为便捷和灵活，不仅为构建满足特定力学和流体性能需求的支架结构提供了有效手段，同时也突出了定制化设计在骨组织工程领域的应用价值。
附图说明
[0024]
图1是本发明的杆基多孔仿生支架的基本单元的演化过程示意图；
[0025]
图2是本发明的基本单元按照3
×3×
3矩阵排布得到的多孔结构示意图；
[0026]
图3是实施例中基本单元理论与软件测得的体积分数的对比图；
[0027]
图4是实施例中压缩测试得到的杆基多孔仿生支架的应力-应变曲线；
[0028]
图5是实施例中仿真和实验得到的杆基多孔仿生支架的弹性模量值；
[0029]
图6中a部分是实施例中杆基多孔仿生支架的弹性模量随体积分数的变化规律；
[0030]
图6中b部分是实施例中杆基多孔仿生支架的渗透率和压降随孔隙率的变化规律；
[0031]
图7中a部分是实施例中杆基多孔仿生支架的弹性模量与渗透率的组合设计图；
[0032]
图7中b部分是实施例中基本单元pst与典型多孔支架的变形机制对比图。
具体实施方式
[0033]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0034]
参照图1～图2所示，一种具有双调节参数的杆基多孔仿生支架，包括若干由基本单元阵列排布并制为一体的多孔结构，所述基本单元选取典型tpms晶格中的primitive单元简化得到，保留其主要的承载结构创建本方案中的基本单元，简称为pst。具体为提取primitive单元的空间对称轴以及与空间对称轴边缘外侧对应的曲面结构，在空间对称轴位置设置主承力杆，将空间对称轴边缘外侧对应的曲面结构进行拓扑优化，简化为空间对称轴之间的线段，在简化后的线段位置设置副承力杆。使基本单元成为由三根所述主承力杆和八根所述副承力杆组成的旋转对称结构，具有各向同性特征。三根主承力杆穿过基本单元的体心，其中两根主承力杆在水平面内垂直交叉，剩余一根主承力杆竖直穿过其交叉点。八根副承力杆关于基本单元的体心呈中心对称排布，每相邻两根主承力杆临近端点位置之间均连接副承力杆，主承力杆的直径d范围在1.6～1.8mm，间隔为0.1mm，副承力杆的直径d范围在0.8～1.6mm，间隔为0.2mm，且d/d＞1，主承力杆的直径d及副承力杆的直径d作为本方案的杆基多孔仿生支架的双调节参数。
[0035]
参照图1～图3所示，一种具有双调节参数的杆基多孔仿生支架的设计方法，包括以下步骤：
[0036]
步骤一：基于典型tpms晶格中的primitive单元设计基本单元，结合图1所示；
[0037]
步骤二：基于基本单元的几何关系求解其体积分数函数表达式
[0038]
因为基本单元的主承力杆及副承力杆之间包含多个存在重叠的共享节点，最终考虑重叠区域的基本单元的简化体积分数表达式如下：
[0039][0040]
式中，v
_pst
为基本单元的体积分数，d为主承力杆的直径，d为副承力杆的直径，l为基本单元所在立方体的边长，l1为主承力杆上两处与副承力杆共享节点之间的距离，结合图2所示。
[0041]
此外，可以根据基本单元的体积分数v
_pst
计算出孔隙率p，p＝1-v
_pst
，结合孔隙率p根据目标支架的需求进行基本单元的设计；
[0042]
步骤三：根据目标支架确定基本单元实际应用的体积分数并求取双调节参数
[0043]
主承力杆的直径d及副承力杆的直径d符合以下原则：主承力杆的直径d范围在1.6～1.8mm，间隔为0.1mm，副承力杆的直径d范围在0.8～1.6mm，间隔为0.2mm，且d/d＞1，根据目标支架确定基本单元实际应用的体积分数，并根据步骤二中的体积分数v
_pst
表达式确定主承力杆的直径d及副承力杆的直径d的具体值；
[0044]
步骤四：建立基本单元阵列排布为多孔结构的三维模型，并采用选择性激光熔化技术slm制备3d打印的杆基多孔仿生支架；
[0045]
步骤五：评估杆基多孔仿生支架的力学性能和质量传输性能
[0046]
对杆基多孔仿生支架进行有限元分析和流体动力学模拟计算，选取弹性模量和渗透率分别作为评价力学性能和质量传输性能的指标，基于仿真结果对上述指标进行评估，通过压缩实验验证仿真结果的可靠性，并与现有数据进行对比和分析，其中：
[0047]
弹性模量的计算公式为：
[0048][0049]
式中，f为反作用力(pa)，l0为支架的边长(m)，a为支架的横截面积(m2)，u为支架在受力方向的变形量(m)。
[0050]
渗透率可以根据达西定律进行求解，其表达式为：
[0051][0052]
式中，k表示渗透系数(m2)，h0表示支架的高度，等于支架的边长(m)，v表示流体速度(m/s)，μ表示流体的动粘滞系数(pa
·
s)，δp表示整个模型的压降(pa)。
[0053]
制作的杆基多孔仿生支架的力学性能和质量传输性能满足目标支架需求，则可进行后续整形加工进行实际应用，如不满足，则重新调整双调节参数再制作杆基多孔仿生支架。
[0054]
实施例
[0055]
该实施例是基于提出的具有双调节参数的杆基多孔仿生支架结构完成的，可广泛应用于不同缺损部位的骨组织支架，具有灵活调节的主承力杆直径d及副承力杆直径d的双调节参数，能够实现支架性能的定制化设计，其设计方法包括以下步骤：
[0056]
步骤一：设计并构件杆基多孔仿生支架的基本单元。选取典型tpms晶格中的primitive单元对其空间结构进行简化，保留其主要的承载结构创建本方案中的基本单元，结合图1所示，提取primitive单元的空间对称轴以及与空间对称轴边缘外侧对应的曲面结构分别作为主承力杆和副承力杆，由此得到具有对称性的基本单元结构；
[0057]
步骤二：基于基本单元的几何关系求解其体积分数函数表达式。因为基本单元的主承力杆及副承力杆之间包含多个存在重叠的共享节点，最终考虑重叠区域的基本单元的简化体积分数表达式如下：
[0058][0059]
式中，v
_pst
为基本单元的体积分数，d为主承力杆的直径，d为副承力杆的直径，l为
基本单元所在立方体的边长，l1为主承力杆上两处与副承力杆共享节点之间的距离，结合图2所示，并且可以根据基本单元的体积分数v
_pst
计算出孔隙率p，p＝1-v
_pst
，结合孔隙率p根据目标支架的需求进行基本单元的设计；
[0060]
步骤三：根据目标支架确定基本单元实际应用的体积分数并求取双调节参数。考虑到d/d＞1的原理，建立了主承力杆和副承力杆的直径范围，其中，主承力杆的直径d范围在1.6～1.8mm，间隔为0.1mm，副承力杆的直径d范围在0.8～1.6mm，间隔为0.2mm。
[0061]
结合表1所示为不同直径参数对应的基本单元结构，其中d1.6d1.0表示主承力杆直径为1.6mm、副承力杆直径为1.0mm的基本单元结构：
[0062]
表1基本单元结构的几何特征
[0063][0064]
结合图3所示为基本单元结构理论体积分数与在cad软件中测得的体积分数的对比图，可以看出两者最大的偏差为0.64％，表明本技术提出的简化体积分数表达式是可靠的。并且由表1可以发现，基本单元结构的孔隙率范围为80％～90％，符合人体松质骨的孔隙率范围；
[0065]
步骤四：建立三维模型并3d打印制备杆基多孔仿生支架。基于表1中的参数建立三维模型，并基于slm系统(slm280)制备杆基多孔仿生支架的试样，3d打印过程中参数设置为：激光功率为300w，扫描速度为1250mm/s，粉尘厚度为30μm，加工温度为150℃，3d打印试样的体积分数与理论值的最大偏差为2.8％；
[0066]
步骤五：评估杆基多孔仿生支架性能。利用有限元分析和流体动力学模拟计算得到该杆基多孔仿生支架的力学性能和质量传输性能，选取弹性模量和渗透率分别作为评价指标，其中弹性模量的计算公式为：
[0067][0068]
式中，f为反作用力(pa)，l0为支架的边长(m)，a为支架的横截面积(m2)，u为支架在受力方向的变形量(m)。
[0069]
渗透率可以根据达西定律进行求解，其表达式为：
[0070][0071]
式中，k表示渗透系数(m2)，h0表示支架的高度，等于支架的边长(m)，v表示流体速度(m/s)，μ表示流体的动粘滞系数(pa
·
s)，δp表示整个模型的压降(pa)。
[0072]
在得到杆基多孔仿生支架的弹性模量和渗透率指标参数后，通过实验对模拟结果进行验证，并结合已有的性能数据和骨组织的目标性能对杆基多孔仿生支架的性能进行对
比和评估，一方面能够验证仿真结果的可靠性，另一方面可以评估杆基多孔仿生支架在性能方面的优越性。在进行性能评估时，重点评价其权衡力学性能和质量传输性能的能力，以及是否能够实现上述两种性能的定制化设计。
[0073]
性能评估结果表明：本发明设计的杆基多孔仿生支架可实现的弹性模量范围为0.58～4.12gpa，渗透率范围为2.4
×
10-7-3.47
×
10-7
m2，均与人体松质骨的性能范围相吻合。另外，实验得到的弹性模量与仿真结果的最大偏差为10.6％，模拟得到的渗透率范围与现有支架结构基本一致，证明了本发明设计的杆基多孔仿生支架的性能评估结果是可靠的。
[0074]
根据上述步骤得到的优化结果结合图4～图7所示，具体的结论如下：
[0075]
结合图4所示为压缩测试得到的杆基多孔仿生支架的应力-应变曲线，根据应力-应变曲线在第一个线性阶段的斜率可以求取弹性模量，并对仿真结果进行验证。
[0076]
结合图5所示为通过仿真和实验得到的杆基多孔仿生支架的弹性模量值，可以看出仿真和实验结果的误差在可接受的范围内，这种误差的出现是试样的制造精度不足导致的，在打印过程中，打印速度和加工温度等因素都会影响试样的制造精度。
[0077]
结合图6所示为杆基多孔仿生支架的弹性模量随体积分数的变化规律(图6a)以及渗透率和压降随孔隙率的变化规律(图6b)。由图6a可知，随着主承力杆直径的增加，杆基多孔仿生支架的体积分数随之增大，当主承力杆直径为1.8mm时，对应的d1.8d1.6结构的弹性模量值最大，其弹性模量值为4.12gpa，由图6b可知，孔隙率对渗透率和压降的影响作用是相反的，随着孔隙率的增加，杆基多孔仿生支架的渗透性能增强，压降随之下降。
[0078]
结合图7所示为杆基多孔仿生支架的弹性模量与渗透率的组合设计图(图7a)以及基本单元pst与典型多孔支架的变形机制对比图(图7b)。由图7a可知，在相同的体积分数水平下，可以得到具有不同弹性模量(或强度)和渗透率的杆基多孔仿生支架结构，结合图中a1～b1所示，这表明该结构可以在给定的体积分数下实现弹性模量和渗透率的定制设计。在这种情况下，结构的力学和流体性能不仅受到体积分数的影响，而且与结构的拓扑特性有关，因此，本发明提出的具有双调节参数的杆基多孔仿生支架可以有效地解决多孔支架的力学和流体性能在体积分数要求方面相互制约的问题。对于给定的体积分数，弹性模量和渗透率可以通过调整主、副承力杆的直径来独立定制，通过调整双调节参数d和d，渗透率发生变化，而宏观力学性能基本保持不变，反之亦然。
[0079]
与传统的均质多孔结构相比，本发明提出的结构由于具有更多的结构参数，具有更强的综合调节力学和质量传递性能的能力，因此，可以作为一种能够独立调节某些特殊骨支架的力学匹配和适当通透性的超材料。取人体松质骨(vf:0.1-0.5；e:0.1-4.5gpa；k:0.0003
×
10-7-0.743
×
10-7
m2)为例，本发明设计的结构可以模拟松质骨的上述特性，在图7b中，将杆基多孔仿生支架与ashby的经验数据和已有结构的力学性能进行了对比，可以观察到本发明提出的杆基多孔仿生支架的力学性能优于理想的弯曲主导行为。此外，通过调整双调节参数，该结构的刚度范围大大增加，为其潜在应用提供了更多选择。与bcc结构和基于薄壳的schwarz-p(sp)结构相比，本发明提出的杆基多孔仿生支架实现了更大的刚度调节范围，其力学行为更符合理想的弯曲主导结构。
[0080]
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的装体形式实现本发明。因此，无论
从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同条件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
[0081]
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

技术特征：
1.一种具有双调节参数的杆基多孔仿生支架，其特征在于：包括若干由基本单元阵列排布并制为一体的多孔结构，所述基本单元选取典型tpms晶格中的primitive单元简化得到，提取primitive单元的空间对称轴以及与空间对称轴边缘外侧对应的曲面结构，在空间对称轴位置设置主承力杆，将空间对称轴边缘外侧对应的曲面结构简化为空间对称轴之间的线段，在简化后的线段位置设置副承力杆，所述主承力杆的直径d及所述副承力杆的直径d作为双调节参数。2.根据权利要求1所述的一种具有双调节参数的杆基多孔仿生支架，其特征在于：所述主承力杆的直径d范围在1.6～1.8mm，间隔为0.1mm，所述副承力杆的直径d范围在0.8～1.6mm，间隔为0.2mm，且d/d＞1。3.一种具有双调节参数的杆基多孔仿生支架的设计方法，其特征在于：根据权利要求1所述的杆基多孔仿生支架，其设计方法包括以下步骤：步骤一：基于典型tpms晶格中的primitive单元设计基本单元；步骤二：基于基本单元的几何关系求解其体积分数函数表达式如下：式中，v
_pst
为基本单元的体积分数，l为基本单元所在立方体的边长，l1为主承力杆上两处与副承力杆共享节点之间的距离；步骤三：根据目标支架确定基本单元实际应用的体积分数并求取双调节参数；步骤四：建立基本单元阵列排布为多孔结构的三维模型，并3d打印杆基多孔仿生支架；步骤五：评估杆基多孔仿生支架的力学性能和质量传输性能，选取弹性模量和渗透率分别作为评价力学性能和质量传输性能的指标，其中：弹性模量的计算公式为：式中，f为反作用力，l0为支架的边长，a为支架的横截面积，u为支架在受力方向的变形量，渗透率根据达西定律进行求解，其表达式为：式中，k表示渗透系数，h0表示支架的高度，等于支架的边长，v表示流体速度，μ表示流体的动粘滞系数，δp表示整个模型的压降，基于仿真结果对上述指标进行评估，通过压缩实验验证仿真结果的可靠性，并与现有数据进行对比和分析，制作的杆基多孔仿生支架的力学性能和质量传输性能满足目标支架需求，则可进行后续整形加工进行实际应用，如不满足，则重新调整双调节参数再制作杆基多孔仿生支架。

技术总结
一种具有双调节参数的杆基多孔仿生支架及其设计方法，涉及一种多孔仿生支架。基于典型TPMS晶格中的Primitive单元设计基本单元；基于基本单元的几何关系求解其体积分数函数表达式；根据目标支架确定基本单元实际应用的体积分数并求取双调节参数；建立基本单元阵列排布为多孔结构的三维模型，并3D打印杆基多孔仿生支架；评估杆基多孔仿生支架的力学性能和质量传输性能。包含主、副承力杆直径这两个可独立调节的参数，能够使其力学性能和质量传输性能实现高度解耦，赋予支架结构更多的可能性。性。性。


技术研发人员：陈照波 李治彤 赵润超 陈雄标
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：2023.05.10
技术公布日：2023/8/14