专利名称:多孔植入物结构的制作方法金属泡沫结构是多孔的三维结构,其具有多种用途,包括作为医疗植入物。金属泡沫结构适用于医疗植入物,尤其是整形外科植入物,因为它们有为承重目的所必须的强度, 还有促进骨骼/组织向内生长的孔隙率。例如,许多整形外科植入物包括在愈合期间促进骨骼向内生长的骨架部分(section)和旨在让患者更快地行动的承重部分。金属泡沫结构可用许多种方法制造。例如,一种方法是将粉末化金属与造孔剂 (PFA)混合在一起然后将混合物压成所需的形状。用热在“燃尽”过程中去除PFA。然后, 剩下的金属框架可以被烧结以形成多孔的金属泡沫结构。其他相似的常规方法包括向聚氨酯类泡沫施加粘合剂,向粘合剂施加金属粉末, 燃尽聚氨酯类泡沫并将金属粉末烧结在一起以形成“生坯(green)”零件。将粘合剂和金属粉末再施加到生坯零件并再烧结生坯零件直至生坯零件具有所需的支杆粗度(thickness) 和孔隙率。然后将生坯零件机加工到最终形状并再烧结。尽管由这种常规方法形成的金属泡沫提供良好的孔隙率,在许多医疗植入物中它们却不能提供足够的强度以起到承重结构的作用。进一步地,用于形成金属泡沫的工艺会通过金属和PFA之间的反应在金属泡沫中导致形成不希望的金属化合物。常规的金属泡沫制造工艺还消耗大量能量并可能产生有害的烟气。例如直接金属制造(DMF)和固体无泡沫制造(SFF)这样的快速制造技术近来已被用于制造医疗植入物或医疗植入物的一部分内使用的金属泡沫。通常,RMT方法允许从3D CAD模型中建立结构。例如,DMF技术从粉末中一次生成三维结构的一层,该粉末通过用能量源,例如激光或电子束照射一层粉末而固化。该粉末被以光栅扫描方式引导到粉末层的所选部分而被施加的能量源融合、熔化或烧结。在一个粉末层内融合图样之后,分配另一层粉末,重复该过程,在层之间进行融合,直到完成所需的结构。据称用在这种直接制造技术中的金属粉末的例子包括铜焊料、青铜镍系统和铜锡的两相金属粉末。通过DMF形成的金属结构可以相对密集,例如具有相应的模制金属结构的70%到80%的密度,或相反地可以相对多孔,具有接近80%或更大的孔隙率。尽管可用DMF提供坚固到足以充作医疗植入物中的承重结构的密集结构,这样的结构没有足够的孔隙率以促进组织和骨骼向内生长。反过来,可用DMF提供具有足够孔隙率以促进组织和骨骼向内生长的多孔结构,但这样的多孔结构缺少充作承重结构所需的强度。其他激光RMT技术类似地不足以应对整形外科植入物所需的强度、孔隙率及连接性。由于金属泡沫植入物和使用常规DMF方法制造的植入物的不足,一些医疗植入物需要多种结构,每个结构为一种或更多种不同目的而设计。例如,因为一些医疗植入物既需要多孔结构以促进骨骼和组织向内生长,又需要承重结构,多孔插头可以被放在实体结构的凹处并通过烧结将两个结构连接起来。显然,使用单个结构会比使用两个分离的结构并将它们烧结在一起更好。根据以上所述,特别是对于各种整形外科应用,还需要既提供所需强度又提供所需孔隙率的多孔植入物结构。本公开提供改进的多孔结构,所述结构既具有适合于承重结构的强度又具有适合于组织向内生长结构的孔隙率,并提供用于制造这样的改进多孔结构的方法。
本发明的一个目标是提供一种具有改进的强度和孔隙率的适合用作医疗植入物的多孔生物相容结构。本发明的另一个目标是提供一种制造具有改进的强度和孔隙率的适合用作医疗植入物的多孔生物相容结构的方法。为达到上述目标,根据本发明的一个方面,提供一种多孔结构,其包括多个支杆, 每个支杆包括第一端、第二端以及在所述第一和第二端之间的连续拉长主体,其中,所述主体具有粗度和长度;以及多个节点,每个节点包括在第一支杆的一端和第二支杆的主体之间的交点。在优选实施例中,一个或多个支杆的第一和第二端在两个其它支杆的主体之间延伸。在另一优选实施例中,一个或多个支杆的主体包括多个节点。根据本发明的另一方面,提供一种多孔结构,其包括多个支杆,其中,一个或多个支杆包括具有长度和粗度的弯曲部分;在两个所述弯曲部分切向地相交处的多个接头;以及多个改进节点,每个改进节点包括由所述接头中的三个或更多个形成的开口。在优选实施例中,多孔结构包括至少一个支杆,其包括具有长度和粗度的直部分。 在另一优选实施例中,多孔结构包括至少一个支杆,其具有第一端、第二端以及在所述第一和第二端之间的连续拉长主体,其中,所述主体具有粗度和长度;以及至少一个封闭节点,其包括在第一支杆的一端和第二支杆的主体之间的交点,其中,所述支杆可包括直部分、弯曲部分或两者。根据本发明的另一方面,提供一种制造多孔结构的方法。一种这样的方法包括以下步骤生成所述多孔结构的模型,其中,所述生成步骤包括限定多个支杆和多个节点以形成所述多孔结构;以及通过将金属粉末暴露于能量源而制造根据所述模型的所述多孔结构。所述限定步骤包括以下步骤为每个支杆提供第一端、第二端以及在所述第一端和第二端之间的连续拉长主体;为所述主体选择粗度和长度;以及为每个节点提供第一支杆的一端和第二支杆的主体之间的交点。在优选实施例中,所述方法包括限定一个或多个支杆的第一和第二端在另两个支杆的主体之间延伸。在另一优选实施例中,限定一个或多个支杆的主体包括多个节点。根据本发明的另一方面,用于制造多孔结构的第二方法包括以下步骤生成所述多孔结构的模型,所述生成步骤包括为多孔结构的一个或多个单元格选择至少一个框架形状和尺寸,其中所述框架形状包括选自由以下组成的组的几何形状阿基米德形、柏拉图形、严格凸多面体、棱柱、反棱柱及其各种组合;将一个或多个支杆添加到框架中,其中所述支杆包括弯曲部分,所述添加步骤通过将所述一个或多个支杆的弯曲部分内切在所选形状的一个或多个面内或外接在所选形状的一个或多个面周围而进行;为所述框架和所述一个或多个支杆选择粗度;以及通过将金属粉末暴露于能量源而制造根据所述模型的所述多孔结构。在优选实施例中,生成步骤包括从所述模型的一个或多个单元格去除框架的一部分的步骤。在另一优选实施例中,所述制造步骤包括基于所选大小、至少一个单元格形状和至少一个单元格尺寸来为多孔结构确定Να,x)个逐层图样,其中N的范围从多孔结构底部的第一层的1到多孔结构顶部的顶层的χ ;沉积第N层粉末化生物相容材料;在所沉积的第 N层粉末化生物相容材料中融合或烧结第N层图样;以及从N=I到N=X重复该沉积以及融合或烧结步骤。在一个精细改进中,该方法还包括生成多孔结构的模型,其中对于至少一些节点来说,在同一位置不多于两个支杆相交。在另一个精细改进中,所述方法可包括生成多孔结构的模型,其中至少一个支杆或支杆部分是弯曲的。所公开的多孔结构可用如直接金属制造工艺这样的快速制造技术制造。支杆可被烧结、熔化、焊接、粘合、融合或以其他方式连接到其它支杆。支杆和节点可限定多个开窗 (fenestration)。另外,支杆和节点可被烧结、熔化、焊接、粘合、融合或以其他方式相互连接以形成单元格,所述单元格可被融合、熔化、焊接、粘合、烧结或以其他方式连接到其它单元格以形成连续的网状结构。在一些精细改进中,单元格内的至少一个、一些或全部支杆可具有均勻的支杆直径。在一些精细改进中,单元格内的至少一个、一些或全部支杆可具有不均勻的支杆直径。 在一些精细改进中,单元格可具有支杆的组合,该支杆的组合具有均勻和不均勻的支杆直径。在一些精细改进中,单元格的均勻直径支杆中的至少一个、一些或全部可以或可以不共享相似、不同或相同的支杆直径、纵向形状、横截面形状、尺寸、形状轮廓、支杆粗度、材料特性、强度剖面或其它性质。在一些精细改进中,单元格内的一个、一些或全部支杆可沿预定的支杆长度以相似、不同或相同的速率在直径上增长或收缩。在一些精细改进中,单元格内的支杆可在两个节点之间延伸。在这一构思的进一步改进中,支杆可沿支杆长度具有变化的横截面直径,包括位于两个节点之间的中部处的最小直径。在这一构思的进一步精细改进中,支杆可具有两个相对端以及位于这两端之间的中部,每端连接到一节点。支杆可随其从中部朝每个节点延伸而向外张开或渐缩,使得中部的直径基本上小于两个相对端之一或两者的直径。在一些实例中,支杆可按抛物面凹面形张开,或可按截头圆锥形渐缩。在另外的精细改进中,单元格内的至少一个、一些或全部支杆是弯曲的。在该构思的进一步精细改进中,多孔结构内的一个、一些或全部单元格包括至少一个弯曲支杆。在该构思的进一步精细改进中,组成多孔结构的全部支杆是弯曲的。在该构思的进一步精细改进中,弯曲支杆可形成完整的环或环片段。该环或环片段可相互连接以形成多面单元格的开放面或开窗。在一些实例中,单个环可形成连接两个相邻的多面单元格的共享壁部。在一些实例中,一个或多个环片段可独立地或与直支杆部联合地形成连接两个相邻的多面单元格的共享壁部。在另一进一步精细改进中,每个单元格的面的数量可在从大约4到大约对的范围。更优选地,每个单元格的面的数量可在从大约4到大约16的范围。已被发现特别有效的一个几何形状是十二面体或12面单元格。但是,如以下解释和说明的,多孔结构的单独的单元格或多个单元格的几何形状可广泛变化,并且在几何形状上可在多孔结构的单元格之间随机变化。在另一精细改进中,单元格、支杆、节点和/或接头的构造可在整个多孔结构中随机变化以更近似地模拟天然骨骼组织。在另一精细改进中,每个单元格可为多面的,其整体形状可配合在选自由以下组成的组的几何形状中四面体,截角四面体,立方八面体,截角六面体,截角八面体,斜方立方八面体,截角立方八面体,扭棱六面体,扭棱立方八面体,三十二面体,截角十二面体, 截角二十面体,斜方三十二面体,截角三十二面体,扭棱十二面体,扭棱三十二面体,立方体,正八面体,正十二面体和正二十面体,棱柱,拟柱体,均勻棱柱,直角棱柱,平行六面体 (parallelpiped),直平行六面体,多胞形,蜂巢,正四角锥,正五角锥,正三角台塔,正四角台塔,正五角台塔,正五角丸塔,正三角锥柱,正四角锥柱,正五角锥柱,四角锥反角柱,正五角锥反角柱,双三角锥,双五角锥,双三角锥柱,双四角锥柱,双五角锥柱,双四角锥反角柱, 三角台塔柱,四角台塔柱,五角台塔柱,五角丸塔柱,三角台塔反角柱,四角台塔反角柱,五角台塔反角柱,五角丸塔反角柱,异相双三角柱,同相双三角台塔,同相双四角台塔,异相双四角台塔,同相双五角台塔,异相双五角台塔,同相五角台塔丸塔,异相五角台塔丸塔,同相双五角丸塔,同相双三角台塔柱,异相双三角台塔柱,异相双四角台塔柱,同相双五角台塔柱,异相双五角台塔柱,同相五角台塔丸塔柱,异相五角台塔丸塔柱,同相双五角丸塔柱,异相双五角丸塔柱,双三角台塔反角柱,双四角台塔反角柱,双五角台塔反角柱,五角台塔丸塔反角柱,双五角丸塔反角柱,侧锥三角柱,二侧锥三角柱,三侧锥三角柱,侧锥五角柱,二侧锥五角柱,侧锥六角柱,双侧锥六角柱,二侧锥六角柱,三侧锥六角柱,侧锥正十二面体, 双侧锥正十二面体,二侧锥正十二面体,三侧锥正十二面体,正二十面体欠二侧锥,正二十面体欠三侧锥,侧锥正二十面体欠三侧锥,侧台塔截角四面体,侧台塔截角立方体,双侧台塔截角立方体,侧台塔截角十二面体,双侧台塔截角十二面体,二侧台塔截角十二面体,三侧台塔截角十二面体,侧台塔小斜方截半二十面体,双侧台塔小斜方截半二十面体,二侧台塔小斜方截半二十面体,三侧台塔小斜方截半二十面体,小斜方截半二十面体欠一侧台塔, 双侧台塔小斜方截半二十面体欠一侧台塔,侧台塔小斜方截半二十面体欠一侧台塔,二侧台塔小斜方截半二十面体欠一侧台塔,小斜方截半二十面体欠双侧台塔,小斜方截半二十面体欠二侧台塔,侧台塔小斜方截半二十面体欠二侧台塔,以及小斜方截半二十面体欠三侧台塔,扭棱双五角椎,扭棱四方反棱柱,球形屋根,侧锥球形屋根,加长型球形屋根,广底加长型球形屋根,五角锥球形屋根,双新月双丸塔,三角广底球形屋根丸塔,以及其组合。在另一精细改进中,粉末选自由以下组成的组金属、陶瓷、金属陶瓷(含陶合金)、 玻璃、玻璃陶瓷、聚合物、复合物及其组合。在另一精细改进中,金属材料选自由以下组成的组钛、钛合金、锆、锆合金、铌、铌合金、钽、钽合金、镍铬(例如不锈钢)、钴铬合金及其组合。在另一精细改进中,多孔结构形成医疗植入物的至少一部分,医疗植入物例如为整形外科植入物、牙科植入物或脉管植入物。还公开了用于细胞和组织向内生长和承重强度的多孔整形外科植入物结构,其可用近终形制造工艺制造,诸如用于金属性生物材料的直接金属制造(DMF)工艺或者用于聚合物生物材料的立体光刻制造工艺。在采用DMF工艺的实例中,分层提供粉末化的生物相容材料,一层粉末化生物相容材料的单独的颗粒被一次一层地融合或烧结在一起。示例的多孔结构包括多个三维单元格。每个单元格包括多个支杆。每个支杆可在节点处烧结或融合到一个其它支杆。每个节点可包括不多于两个支杆的接头。每个单元格的支杆和节点限定多个开窗。每个单元格包括大约4到大约M个开窗。单元格中的至少一些的至少一个支杆是弯曲的。每个单元格可融合或烧结到至少一个另外的单元格以形成连续网状结构。其它优点和特征将在联系附图阅读以下详细说明时显而易见。前面已概述了本发明较宽泛的特征和技术优点,从而可更好地理解以下本发明的详细说明。本发明的额外特征和优点将在下文说明,这形成本发明的权利要求的主题。本领域技术人员应理解所公开的构思和具体实施例可易用作修改或设计其它结构从而实现本发明相同目的的基础。本领域技术人员还应认识到这样的等同构造不背离如所附权利要求所阐释的本发明的精神和范围。在与附图一起考虑时,相信是本发明特性的新颖特征,无论是其组成还是其方法,与进一步的目的和优点一起将从以下说明中得到更好理解。但是,可明确地了解每个图是为图示和说明的目的而给出,不意味着对本发明的界限的限定。为更全面地理解本发明,联系附图对以下说明进行参考,附图中图1A-1B示出现有技术的多孔结构中节点处支杆示例的3D表示,其中图IA的支杆具有相似的直径而图IB的支杆有不同的直径。图2是现有技术破裂支杆示例的SEM (扫描电子显微镜)显微照片。图3-5示出本发明的支杆和节点的一个实施例的3D表现。图6-8示出本发明支杆和节点的另一实施例的3D表示,其中至少一些支杆包括比节点处横截面直径更小的在支杆主体部分处的横截面直径。图9A和9B示出图6_8中实施例的平面图。图10A-10F示出现有技术的多孔结构中支杆和节点框架的不同构造的2D表示。图11A-11F示出图10A-10F中现有技术由本发明的一个实施例改进的支杆和节点框架的相应构造的2D表示。图12A-12D示出本发明的多孔结构的示范实施例的3D表示,包括图11A-11F中的一个或多个框架构造。图13A-13M示出了形成节点的本发明的两个支杆的框架的不同示范构造的2D表示,包括支杆是直的、弯的或二者组合的框架。图14示出包括图13A-13M中一种或多种框架构造的本发明的多孔结构的示范实施例的2D表示。图15A-15C示出本发明的各种弯曲框架和相交形成节点的相应支杆的示范构造的2D表示。图16示出包括图13A-13M中一个或多个框架构造的本发明的多孔结构的示范实施例的3D表示,包括支杆是直的、弯的或二者组合的框架。图17示出本发明的多孔结构的大致立方体单元格的示范框架的3D表示。图18示出图17中立方体单元格的框架的示例配置的3D表示。图19示出现有技术的多孔结构的立方体单元格配置的3D表示。图20示出本发明的多孔结构的立方体单元格的示例配置的3D表示。图21示出图20中配置的放大图。图22示出本发明的多孔结构的四面体形单元格的示例框架的3D表示。图23示出本发明的多孔结构的方底角锥单元格的示例框架的3D表示。图24A和24B示出基于十二面体形状的现有技术的多孔结构的常规单元格的3D 表示的各种视图。图25A和25B示出也基于十二面体形状的本发明多孔结构的单元格的一个实施例的3D表示的各种视图。图沈-观示出图24A和24B中常规单元格的框架由本发明的一个实施例改进的3D表不。图29A和29B示出从图形成本发明的单元格的3D表示,其中图29B是单元格框架的3D表示的部分视图。图30示出展开成2D表示的图27的框架。图31示出展开成2D表示的截角四面体单元格的框架。图32示出根据本发明的一个实施例用弯曲支杆形成的图31的框架。图33示出展开成2D表示的截角八面体单元格的框架。图34示出根据本发明的一个实施例用弯曲支杆形成的图33的框架。图35A-35E示出根据本发明的一个实施例内切在各种几何形状内的圆或椭圆的例子的2D表示。图36示出展开成2D表示的截角四面体单元格的框架,其中根据本发明的一个实施例,圆外接在单元格的每个面周围。图37A和37B示出基于十二面体形状的本发明的单元格的另一个实施例的3D表示的各种视图。图38示出基于十二面体形状的本发明的单元格的又一个实施例的3D表示。图39A-38C示出基于十二面体形状的本发明的单元格的又一个实施例的3D表示的各种视图。图40示出图M和25的单元格的示例配置的3D表示。图41A和41B示出图24、25和37的单元格的示例配置的3D表示的各种视图。图42示出基于具有一个或多个弯曲支杆的截角四面体形的单元格的示例配置的 3D表示。图43示出基于截角八面体的本发明单元格的示例配置的3D表示。图44示出基于立方体(浅灰)、截角立方八面体(黑)和截角八面体(深灰)的本发明单元格的示例配置的3D表示。
图45示出基于立方八面体(黑)、截角八面体(深灰)和截角四面体(浅灰)的本发明单元格的示例配置的3D表示。图46示出图42的配置的框架图。图47示出图43的配置的框架图。图48-50示出基于由本发明的一个实施例改进的八面体的框架的3D表示。图51A和51B示出从图48_50的框架形成的本发明的单元格的3D表示的各种视图。图52示出基于截角四面体的框架的3D表示。图53A-53D示出从图52的框架形成的由本发明的一个实施例改进的单元格的3D 表示的各种视图。图54A-54E示出图53的单元格的示例配置的3D表示的各种视图。图55A-55E示出从基于六角棱柱的框架形成的由本发明的一个实施例改进的单元格的3D表示的各种视图。图56A-56B和57A-57B示出图55的单元格的示例配置的3D表示。图58-61示出基于由本发明各种实施例改进的十二面体的框架的3D表示。应理解附图不一定是按比例的,并且所公开的实施例有时是示意性地示出,并且是部分视图。在某些例子中,可能已省略对于理解所公开的方法和装置来说不必要的细节, 或者使其它细节难以感知的细节。另外,为简化目的,可能只标记了一个示范实施例而不是全部。当然,应理解,本发明不限于这里所示的具体实施例。
1.一种多孔结构,包括 多个支杆,每个支杆包括笛一雜弟 兄而;第二端;及在所述第一和第二端之间的连续拉长主体,所述主体具有粗度和长度;以及多个节点,每个节点包括在第一支杆的一端和第二支杆的主体之间的交点。
2.如权利要求1所述的多孔结构,其中,一个或多个支杆的第一和第二端在两个其它支杆的主体之间延伸。
3.如权利要求1所述的多孔结构,其中,一个或多个支杆的主体包括多个节点。
4.如权利要求1所述的多孔结构,其中,一个或多个支杆的至少一端的横截面比所述一个或多个支杆的主体的一部分的横截面更大。
5.如权利要求1所述的多孔结构,其中,一个或多个支杆的主体的至少一部分是弯曲的。
6.如权利要求1所述的多孔结构,其中,所述多个支杆能烧结、熔化、焊接、粘合、融合或以其他方式相互连接。
7.如权利要求1所述的多孔结构,其中,多个所述支杆和节点限定至少一个开窗。
8.如权利要求1所述的多孔结构,还包括选自由以下组成的组的材料金属、陶瓷、金属陶瓷(含陶合金)、玻璃、玻璃陶瓷、聚合物、复合物及其组合。
9.如权利要求8所述的多孔结构,其中,所述金属材料选自由以下组成的组钛、钛合金、锆、锆合金、铌、铌合金、钽、钽合金、镍铬(例如不锈钢)、钴铬合金及其组合。
10.如权利要求1所述的多孔结构,其中,一个或多个支杆的横截面包括多边形。
11.如权利要求1所述的多孔结构,其中,所述横截面的至少一部分是弯曲的。
12.一种制造多孔结构的方法,包括以下步骤生成所述多孔结构的模型,其中所述生成步骤包括限定一个或多个支杆,每个支杆具有第一端、第二端以及所述第一端和第二端之间的连续拉长主体,为所述主体选择粗度和长度,以及限定至少一个节点,每个节点具有在第一支杆的一端和第二支杆的主体之间的交点;以及通过将可融材料暴露于能量源而制造根据所述模型的所述多孔结构。
13.如权利要求12所述的方法,还包括步骤限定一个或多个支杆的第一和第二端在两个其他支杆的主体之间延伸。
14.如权利要求12所述的方法,还包括步骤限定一个或多个支杆的主体包括多个节点ο
15.如权利要求12所述的方法,还包括步骤限定一个或多个支杆的至少一端的横截面大于所述一个或多个支杆的主体的一部分的横截面。
16.如权利要求12所述的方法,还包括步骤限定一个或多个支
多孔植入物结构制作方法
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