一种用于骨修复的胞元结构、超材料

本发明涉及超材料，尤其涉及一种用于骨修复的胞元结构、超材料。

背景技术：

1、由于交通意外和骨科疾病等原因，大量的患者也面临骨缺损的问题，同时，人骨不可避免的发生骨老化、骨质疏松甚至坏死造成骨缺损。当骨缺损超过临界阈值时，成骨细胞修复不足，尤其是在严重的骨折、疾病和骨老化的情况下，骨缺损难以自我愈合，骨移植不可避免。采用骨植入物替代患者损伤或者缺失的骨骼，骨植入物植入后不应与人体相斥，还应促进骨质与血管生长，有利于骨缺损修复

2、相关技术中，骨植入物难以应对实际应用中复杂的要求。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种用于骨修复的胞元结构、超材料，以解决骨植入物难以应对实际应用中复杂要求的技术问题。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种用于骨修复的胞元结构，所述胞元结构的轮廓为立方体，所述立方体具有相对的两个表面以及围设在两个表面之间的四个侧面，每个所述表面具有位于所述表面中心的第一节点和位于所述立方体顶点的四个第三节点，每个所述侧面具有位于所述侧面中心的第二节点，所述立方体还具有位于立方体中心的第四节点；

4、所述胞元结构还包括多个半圆弧形的第一梁和圆弧形的第二梁，

5、每个所述侧面由两个所述第一梁形成，同一所述侧面中，两个所述第一梁的弧顶连接于所述第二节点，每个所述第一梁的两端分别连接于同一所述表面的两个所述第三节点；

6、每个所述表面由两个所述第一梁形成，同一所述表面中，两个所述第一梁的弧顶连接于所述第一节点，每个所述第一梁的两端分别形成所述第三节点；

7、每个所述第二节点与所述第一节点之间通过所述第二梁连接；

8、相邻两个所述侧面的第二节点之间通过所述第二梁连接；

9、所述第一梁和所述第二梁均由极小曲面结构形成。

10、根据本发明的至少一个实施方式，所述第二梁的圆弧形为四分之一圆弧形。

11、根据本发明的至少一个实施方式，每个连接于所述第一节点和所述第二节点之间的所述第二梁的弧顶均靠近所述第四节点。

12、根据本发明的至少一个实施方式，每个连接于相邻两个所述侧面的第二节点之间的所述第二梁的弧顶均靠近所述第四节点。

13、根据本发明的至少一个实施方式，所述第一梁和所述第二梁均由gyroid三周期极小曲面结构形成。

14、根据本发明的至少一个实施方式，所述gyroid三周期极小曲面结构的单胞的外轮廓位于子立方体结构内。

15、根据本发明的至少一个实施方式，所述第二梁的横截面为圆形。

16、第二方面，本发明还提供一种用于骨修复的超材料，由多个胞元结构阵列形成，所述胞元结构为第一方面所述的胞元结构；

17、两个贴合的所述胞元结构中，不同所述胞元结构中对应的两个所述第二梁呈半圆形设置。

18、根据本发明的至少一个实施方式，所述超材料的刚度、孔隙率以及孔径解耦合。

19、根据本发明的至少一个实施方式，所述第二梁的直径、gyroid单胞的壁厚与所述超材料的刚度正相关；和/或，

20、所述gyroid单胞的尺寸与所述超材料的刚度负相关。

21、本发明示例性实施例中提供的一个或多个技术方案中，至少可实现如下有益效果之一。

22、本发明示例性实施例的胞元结构整体呈立方体框架结构，包括相对的两个表面以及围设在两个表面之间的四个侧面，每个表面、每个侧面均由两个第一梁形成，同一侧面中，两个第一梁的弧顶连接于第二节点(该侧面的面中心点)，每个第一梁的连段分别连接于同一表面的两个第三节点；同一表面中，两个第一梁的弧顶连接于第一节点(该表面的面中心点)，每个第一梁的两端分别形成第三节点(立方体的顶点)，立方体还具有第四节点(立方体的中心点)。每个第二节点与第一节点之间、相邻两个侧面的第二节点之间均通过第二梁连接。该胞元结构整体呈原子面心立方排列，具有高比强度的特点。相对于将第一梁和第二梁设置为直杆结构，将第一梁设置为半圆弧形结构、第二梁设置为圆弧形结构，该胞元结构的整体刚度和强度进一步提升。

23、进一步地，将第一梁和第二梁均采用极小曲面结构形成，极小曲面结构与宏观的胞元结构相融合，使得该胞元结构刚度、孔隙率、孔径进行解耦合，通过该材料的可调控性，进而使得作为骨修复的植入物可以应对各种植入对象的复杂需求，以提高与骨的融合效果。

技术特征：

1.一种用于骨修复的胞元结构，其特征在于，所述胞元结构的轮廓为立方体，所述立方体具有相对的两个表面以及围设在两个表面之间的四个侧面，每个所述表面具有位于所述表面中心的第一节点和位于所述立方体顶点的四个第三节点，每个所述侧面具有位于所述侧面中心的第二节点，所述立方体还具有位于立方体中心的第四节点；

2.根据权利要求1所述的胞元结构，其特征在于，所述第二梁的圆弧形为四分之一圆弧形。

3.根据权利要求2所述的胞元结构，其特征在于，每个连接于所述第一节点和所述第二节点之间的所述第二梁的弧顶均靠近所述第四节点。

4.根据权利要求2所述的胞元结构，其特征在于，每个连接于相邻两个所述侧面的第二节点之间的所述第二梁的弧顶均靠近所述第四节点。

5.根据权利要求1-4任一项所述的胞元结构，其特征在于，所述第二梁的横截面为圆形。

6.一种用于骨修复的超材料，其特征在于，由多个胞元结构阵列形成，所述胞元结构为权利要求1-5任一项所述的胞元结构；

7.根据权利要求6所述的超材料，其特征在于，所述第二梁的直径、gyroid单胞的壁厚与所述超材料的刚度正相关。

8.根据权利要求7所述的超材料，其特征在于，所述gyroid单胞的尺寸与所述超材料的刚度负相关。

9.根据权利要求6所述的超材料，其特征在于，所述超材料的孔隙率的取值范围为50％～90％。

10.根据权利要求6所述的超材料，其特征在于，所述超材料的微孔的直径的取值范围为150μm～700μm。

技术总结本发明提供了一种用于骨修复的胞元结构、超材料，涉及超材料技术领域。该胞元结构的轮廓为立方体，具有相对的两个表面以及围设在两个表面之间的四个侧面，每个表面具有位于表面中心的第一节点和位于立方体顶点的四个第三节点，每个侧面具有位于侧面中心的第二节点，立方体还具有位于立方体中心的第四节点；每个侧面由两个第一梁形成，同一侧面中，两个第一梁的弧顶连接于第二节点，每个第一梁的两端分别连接于同一表面的两个第三节点；每个表面由两个第一梁形成，同一表面中，两个第一梁的弧顶连接于第一节点，每个第一梁的两端分别形成第三节点；每个第二节点与第一节点之间通过第二梁连接。该超材料可满足复杂要求的骨植入对象的适配。技术研发人员：陶然,韩岳松,周胜,沈千晔,范凌佳受保护的技术使用者：北京理工大学技术研发日：技术公布日：2024/10/10