本發(fā)明涉及醫(yī)用材料，尤其涉及一種新型的tpms多孔結(jié)構(gòu)椎間融合器。

背景技術(shù)：

1、椎間融合術(shù)是治療脊柱退行性病變的經(jīng)典手術(shù)方法之一，傳統(tǒng)的椎間融合技術(shù)多采用自體骨或者人工骨移植的方式，但是往往會在移植區(qū)引起并發(fā)癥，甚至?xí)?dǎo)致融合節(jié)段出現(xiàn)不穩(wěn)等不良反應(yīng)。于是現(xiàn)有技術(shù)提出了tpms點陣結(jié)構(gòu)，其廣泛存在于自然界的三周期極小曲面(tpms)，是一種在空間中三個維度方向周期性重復(fù)且平均曲率為零的特殊曲面，這一類結(jié)構(gòu)表面光滑且孔洞高度連通，整體結(jié)構(gòu)可由隱式函數(shù)精確控制，是一種設(shè)計建模多孔結(jié)構(gòu)的優(yōu)異解決方案，最初在建筑學(xué)上獲得了廣泛的應(yīng)用。

2、近年來的研究表明，細胞所在表面的曲率是決定組織再生速率的重要因素，組織再生速率隨著曲率的增加而增加。且與凸面和平面相比，凹面的組織再生進展更快。因此，在進行多孔骨支架結(jié)構(gòu)設(shè)計時，構(gòu)建出相對大的曲率構(gòu)型則顯得尤為重要，這也為tpms點陣結(jié)構(gòu)的生物化應(yīng)用提供了理論支撐。

3、tpms點陣結(jié)構(gòu)相比較以往的結(jié)構(gòu)具有顯著的優(yōu)勢，首先其平均曲率為零，較為接近骨小梁的平均曲率，因而更利于早期的骨整合甚至中后期的骨長入。其次，該結(jié)構(gòu)比表面積也更高，能夠為細胞的黏附，遷移，增殖以及分化提供更大的空間，更重要的是，tpms多孔結(jié)構(gòu)相較于傳統(tǒng)的桁架點陣結(jié)構(gòu)，其可以在更寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)支架的彈性模量，從而可以設(shè)計出與人類骨相似的模量值，從而增強骨與支架界面的匹配效果。

4、與此同時，足夠的力學(xué)性能也是椎間融合器應(yīng)具備的一項重要參數(shù)。本結(jié)構(gòu)具有獨特的自支撐特性，良好的孔隙率、滲透率，以及優(yōu)異的力學(xué)性能。更重要的是，在相同孔隙率下，具有更低的彈性模量，這可以有效地減少應(yīng)力遮擋和骨吸收，是一種更為理想的多孔結(jié)構(gòu)的椎間融合器模型。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種新型的tpms多孔結(jié)構(gòu)椎間融合器。本發(fā)明使用不同單胞尺寸以及孔隙率的多孔框架結(jié)構(gòu)設(shè)計椎間融合器，在增強了其生物相容性的同時，顯示出了較強力學(xué)性能，提高了植入物在骨整合早期階段和中后期的穩(wěn)定性，在相同孔隙率下，具有更低的彈性模量，綜合性能優(yōu)異。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案如下：

3、一種新型的tpms多孔結(jié)構(gòu)椎間融合器，所述tpms多孔結(jié)構(gòu)椎間融合器的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)為陀螺(gyroid)結(jié)構(gòu)，其基本函數(shù)方程為：

4、sin?x?cos?y+sin?y?cos?z+sin?z?cos?x＝c；

5、其中，x＝2απx，y＝2βπy，z＝2γπz；α、β、γ分別是與x、y和z方向上與單胞尺寸相關(guān)的常數(shù)，c值。

6、進一步地，所述框架包括兩個參數(shù)：單胞尺寸和孔隙率；所述單胞尺寸為1-3mm，優(yōu)選自1mm、1.5mm、2mm、2.5mm、3mm中的任一種；所述孔隙率為50-70％，優(yōu)選自50％、60％、70％中的任一種。

7、進一步地，所述tpms多孔結(jié)構(gòu)椎間融合器的打印材料為ti-6al-4v醫(yī)用鈦合金。

8、進一步地，所述tpms多孔結(jié)構(gòu)椎間融合器的框架通過3d打印的方式成型，且融合器內(nèi)部為三維立體網(wǎng)格組成的多孔結(jié)構(gòu)。

9、進一步地，所述tpms多孔結(jié)構(gòu)椎間融合器的孔徑尺寸在50-640μm范圍；所述tpms多孔結(jié)構(gòu)椎間融合器的高度l1為4-17mm；所述tpms多孔結(jié)構(gòu)椎間融合器內(nèi)部植骨區(qū)域高度l2為2-9mm；所述tpms多孔結(jié)構(gòu)椎間融合器內(nèi)部尾端植骨區(qū)域長度l3為3-9mm；所述tpms多孔結(jié)構(gòu)椎間融合器內(nèi)部前段植骨區(qū)域長度l4為3-9mm；所述tpms多孔結(jié)構(gòu)椎間融合器上方及下方相鄰倒刺結(jié)構(gòu)長度l5為1-4mm；所述tpms多孔結(jié)構(gòu)椎間融合器頂端植骨區(qū)域長度l6為10-16mm；所述tpms多孔結(jié)構(gòu)椎間融合器頂端植骨區(qū)域?qū)挾萳7為3-7mm；所述tpms多孔結(jié)構(gòu)椎間融合器頂端倒刺結(jié)構(gòu)寬度l8為1.7-4mm；所述tpms多孔結(jié)構(gòu)椎間融合器的長度h為20-30mm；所述tpms多孔結(jié)構(gòu)椎間融合器的寬度w為7-13mm；所述tpms多孔結(jié)構(gòu)椎間融合器尾端連接桿孔直徑d為2-5mm。

10、本發(fā)明還提供了一種tpms多孔結(jié)構(gòu)椎間融合器的制備方法，包括以下步驟：

11、(1)采用前述基本函數(shù)方程，得到椎間融合器模型，通過stl處理軟件，將3d模型擺放到合適的打印角度，并生成導(dǎo)出支撐；

12、(2)對模型和支撐進行切片處理；

13、(3)調(diào)整打印參數(shù)，向打印艙室充入保護氣體，導(dǎo)入打印文件進行打??；

14、(4)打印完成后，清理回收金屬粉末，對打印工件進行噴砂處理、振粉并線切割，超聲清洗后進行熱處理。

15、進一步地，步驟(3)中，所述打印參數(shù)為：打印光斑20-100μm，填充掃描功率110-250w，打印層厚0.01-0.1mm，填充掃描速度0.1-2m/s，輪廓掃描速度0.1-2m/s，輪廓掃描功率50-150w，掃描間距0.05-0.5mm。

16、優(yōu)選地，所述打印參數(shù)為：打印光斑60μm，填充掃描功率181w，打印層厚0.05mm，填充掃描速度0.89m/s，輪廓掃描速度0.89m/s，輪廓掃描功率146w，掃描間距0.08mm。

17、進一步地，步驟(4)中，所述清理回收金屬粉末過程中，內(nèi)部支撐易藏粉，先回收升降臺粉末后再艙體內(nèi)進行回收，利用側(cè)傾吹粉。

18、進一步地，步驟(4)中，所述噴砂處理包括用金剛砂和純鈦進行噴砂，用金剛砂噴砂前保證工件潔凈干燥，保護涂層不被噴到，對實體部分進行噴砂處理，然后進行打磨，反復(fù)噴砂，保證去支撐部分無凸起；然后用純鈦粉末反復(fù)噴涂，確保表面平滑光亮；噴砂處理的條件為：距離：100mm-150mm，氣壓0.6mpa，角度45°，時間：20s。

19、進一步地，步驟(4)中，所述振粉過程中連同基板高頻率振動，清理出殘留粉末和金剛砂。

20、進一步地，步驟(4)中，所述線切割過程中以最小線程為切割方向。

21、進一步地，步驟(4)中，所述超聲波清洗過程中加入洗潔精進行清洗，清洗溫度30-60℃，反復(fù)清洗至無雜質(zhì)、油污洗出。

22、進一步地，步驟(4)中，所述熱處理采用分段加熱進行：先加熱至400-500℃，保溫0.5-1h，然后升溫至920-930℃，保溫0.5-1h，全程壓力保持110-120mpa。

23、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

24、1、本發(fā)明提供的tpms多孔結(jié)構(gòu)椎間融合器，通過調(diào)整單胞尺寸以及孔隙率，從而使所得tpms多孔結(jié)構(gòu)椎間融合器的孔徑控制在一定范圍內(nèi)，這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計在增強了其生物相容性的同時，顯示出了較強的力學(xué)性能，滿足了人體內(nèi)植物所需的強度要求，綜合性能優(yōu)異，具有更好的骨整合效果。

25、2、本發(fā)明提供的tpms多孔結(jié)構(gòu)椎間融合器的載荷高，最大載荷遠高于人體所需所能承受的最大載荷，能提供更好的抗壓縮性能。

26、3、本發(fā)明提供的tpms多孔結(jié)構(gòu)椎間融合器的彈性模量低，與人皮質(zhì)骨的彈性模量更為接近，更有利于早期的骨長入和中后期的植入物穩(wěn)定，為達到更好的骨整合效果提供了優(yōu)異的力學(xué)性能。

27、4、本發(fā)明提供的tpms多孔結(jié)構(gòu)椎間融合器在支架滿足低彈性模量的同時，還具有較好的生物相容性，能夠促進細胞增殖。

28、5、本發(fā)明的tpms多孔結(jié)構(gòu)椎間融合器在打印完成后進行熱處理，通過控制熱處理條件，使其具有更優(yōu)的力學(xué)性能和促進細胞增殖的能力。