本技术公开了基于TPMS单元与晶格单元多平面融合设计仿生骨支架的方法,属于仿生骨支架技术领域。本发明通过调节壁厚调节孔隙率使形成目标孔隙率的S和SC均质单元多孔结构,然后使用融合区域或者融合函数tan(x/w)的方式将Schwarz晶胞与简立方晶胞进行平面光滑过度融合,将建立好的融合模型分别导入至力学仿真软件中进行准静态压缩有限元仿真,从而获得与股骨相符合的弹性模量与屈服强度。本发明设计将TPMS单元与传统晶格单元不同类型之间进行异种单元融合,融合而成的新型多孔结构模型有着不同的功能分级表现,为多孔结构作为仿生骨支架的设计提供了一种新思路。
背景技术
骨组织损伤是一种常见的临床问题,而骨组织工程通过设计多孔支架模拟天然骨组织的结构与功能,实现受损骨的修复与重建。与传统治疗方法相比该方法能够精确调控支架的力学性能和生物活性,满足不同患者的个性化需求,并优化支架设计以促进组织再生和功能恢复,因此在骨损伤修复领域具有巨大的潜力和应用前景。
简单立方(SC)结构在仿生股骨支架中具有显著优势,能够提供足够的机械强度和刚度,确保长期稳定性,并减少排斥反应和炎症,促进支架与组织结合。此外,SC结构有助于骨细胞生长和血管形成,优化营养交换,并通过调整力学性能减少应力遮蔽效应。其表面特性还支持骨细胞附着和生长,确保支架的稳定性和功能性。然而,简立方结构存在设计单一和比表面积过低的问题,限制了细胞增殖和营养运输。然而SC结构这类晶格单元也存在一定的局限性,如设计方法单一和比表面积过低等问题,这不利于细胞增殖分化和营养物质的运输。
三周期极小曲面(TPMS)如Schwarz(S)因其参数调节灵活、表面光滑且具有周期性、比表面积大和孔隙互通等优势,非常适合用于骨支架设计。然而,现有的TPMS多孔结构设计多集中于均质结构,而天然骨结构是非均质和各向异性的。这种均质设计在压缩过程中易导致单个支柱失效,进而引起整个结构的坍塌。因此,研究更倾向于设计具有功能梯度变化的多孔结构。但现有的功能梯度TPMS支架设计多集中于单一方向的孔隙率渐变,且使用单一TPMS单元类型可能导致外层皮质骨部分孔隙率过低,整体孔隙率偏低,或过高孔隙率导致结构强度降低。因此,需要进一步优化设计策略,以克服这些局限性。
实现思路