Пористые структуры имплантатов

Пористые структуры имплантатов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

В заявке истребован приоритет по предварительной заявке на патент США №61/235269, зарегистрированной 19 августа 2009 г. под названием «Пористые структуры имплантатов», причем полное содержание указанной заявки включено в данную заявку посредством ссылки.

Область техники

Изобретение, в общем, относится к пористым структурам, пригодным для изготовления имплантатов, а в частности, к структурам, пригодным для изготовления медицинских имплантатов с улучшенными сочетаниями прочности, пористости и соединяемости, а также к способам изготовления аналогичных усовершенствованных пористых структур.

Уровень техники

Структуры из металлопены представляют собой пористые трехмерные структуры, которые находят разные применения, включая изготовление медицинских, и в частности, ортопедических имплантатов. Возможность такого применения в медицине связана с тем, что указанные структуры обладают требуемой прочностью, позволяющей им выдерживать требуемую весовую нагрузку, а также пористостью, способствующей врастанию кости/ткани. В частности, многие ортопедические имплантаты содержат пористые секции, которые обеспечивают трехмерный каркас, способствующий врастанию кости в период заживления, а также несущую секцию, предназначенную для ускорения перехода пациента на амбулаторный режим.

Существуют разные способы изготовления структур из металлопены. Например, один из способов предусматривает перемешивание металлического порошка с порообразующим веществом (ПОВ) с последующим прессованием полученной смеси, обеспечивающим требуемую форму. Удаление ПОВ осуществляют с использованием теплоты в ходе процесса «выжигания». После этого оставшийся металлический остов подвергают, например, спеканию с формированием при этом пористой структуры из металлопены.

Аналогичный предыдущему другой общеизвестный способ содержит этапы нанесения связующего на пенополиуретан, нанесения металлического порошка на связующее, выжигания пенополиуретана и спекания металлического порошка с формированием при этом «полуфабриката». После этого повторно наносят связующее и металлический порошок на полуфабрикат, после чего повторным спеканием полуфабриката обеспечивают требуемые толщину ветвей и пористость полуфабриката. Затем полуфабрикат подвергают станочной обработке, обеспечивающей окончательную форму, и повторному спеканию.

Хотя полученные с использованием описанных известных методов металлопены имеют хорошую пористость, они в ряде случаев не в состоянии обеспечить достаточную прочность несущих конструкций в медицинских имплантатах. Кроме того, при формировании металлических пен такими методами, возможно образование нежелательных металлических соединений в этих металлопенах в результате взаимодействия металла с ПОВ. К тому же при использовании известных технологий изготовления металлических пен потребляется довольно много электроэнергии и могут выделяться ядовитые испарения.

В последнее время для производства металлических пен, используемых в медицинских имплантатах или в частях таких имплантатов, служат технологии быстрого изготовления - RMT (Rapid Manufacturing Technologies), такие как непосредственное выращивание моделей из металла - DMF (Direct Metal Fabrication) и изготовление твердого тела свободной формовкой - SFF (Solid Free-Form Fabrication). Вообще говоря, методы RMT обеспечивают возможность построения структур на основе трехмерных моделей САПР (систем автоматического проектирования). Например, методом DMF получают трехмерные структуры послойно из порошка, отвержденного посредством облучения порошкового слоя энергетическим источником, например, лазером, или электронным лучом. Порошок расплавляют или спекают направлением энергии от источника с использованием растровой развертки на выбранные участки порошкового слоя. После того, как расплавлением получен узор в одном порошковом слое, наносят дополнительный слой порошка, после чего процесс повторяют со сплавлением слоев, до окончательного формирования требуемой структуры.

Примерами металлических порошков, которые используют, согласно имеющимся данным, в таких методах непосредственного выращивания, являются двухфазные металлические порошки в композициях медь-олово, медь-припой и бронза-никель. Металлические структуры, сформированные методом DMF, могут быть относительно плотными, например с плотностью, составляющей от 70 до 80% плотности соответствующей формованной металлической структуры, или, наоборот, относительно пористыми, например со значениями пористости, приближающимися к 80%, и выше.

Хотя технология DMF и обеспечивает получение плотных структур, достаточно прочных для использования в качестве несущих конструкций в медицинских имплантатах, в то же время они не обладают достаточной пористостью для стимулирования врастания ткани и кости. И наоборот, технология DMF обеспечивает получение пористых структур с пористостью, достаточной для стимулирования врастания ткани и кости, но такие пористые структуры не обладают прочностью, которая необходима для их работы в качестве несущих конструкций. Другие лазерные технологии RMT имеют аналогичные недостатки в отношении необходимых ортопедическим имплантатам характеристик прочности, пористости и соединяемости.

Ввиду недостатков имплантатов из металлопены и имплантатов, изготовленных с использованием известных методов DMF, для некоторых медицинских имплантатов требуется выполнять многосоставные структуры, в которых каждая из структур служит для выполнения одной функции или ряда разных функций. Например, когда медицинским имплантатам требуется как пористая структура для стимулирования врастания кости и ткани, так и несущая конструкция, то, в частности, выполняют установку пористой пробки в углубление из сплошной структуры, с последующим соединением обеих структур, например, посредством спекания. Очевидно, что использование одной структуры предпочтительнее использования двух разных структур с их последующим спеканием.

В свете вышеуказанного сохраняется потребность в пористых структурах имплантатов, обеспечивающих требуемые прочность и пористость, в частности, при использовании в ряде случаев в ортопедии. В заявке предложены усовершенствованные пористые структуры, обладающие одновременно и необходимой прочностью для работы в качестве несущих конструкций, и необходимой для врастания ткани пористостью, а также способ изготовления таких усовершенствованных пористых структур.

Краткое изложение сущности изобретения

Одной из задач изобретения является получение пористых биосовместимых структур, пригодных для использования в качестве медицинских имплантатов с улучшенными свойствами прочности и пористости.

Другая задача - разработка способов изготовления пористых биосовместимых структур, пригодных для использования в качестве медицинских имплантатов с улучшенными свойствами прочности и пористости.

В соответствии с указанными выше задачами и в соответствии с одним из аспектов изобретения предложена пористая структура, содержащая ряд ветвей, причем каждая ветвь имеет первый конец, второй конец и непрерывное удлиненное тело между первым и вторым концами, причем указанное тело имеет толщину и длину, а также содержащая ряд узлов, при этом каждый узел имеет пересечение одного из концов первой ветви с телом второй ветви.

В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления, первый и второй концы ветви или ряда ветвей расположены между телами двух других ветвей. В соответствии с другим предпочтительным вариантом, тела ветви или тела ряда ветвей имеют ряд узлов.

В соответствии с другим аспектом изобретения, предложена пористая структура, содержащая ряд ветвей, причем одна ветвь или ряд ветвей содержат изогнутую часть, которая имеет длину и толщину; ряд соединений, причем две из указанных изогнутых частей имеют пересечение по касательной; ряд модифицированных узлов, при этом в каждом модифицированном узле предусмотрено отверстие, образованное тремя или более из указанных соединений.

В соответствии с одним из предпочтительных вариантов, пористая структура содержит по меньшей мере одну ветвь, содержащую прямую часть, имеющую длину и толщину. В соответствии с другим предпочтительным вариантом, пористая структура содержит по меньшей мере одну ветвь, имеющую первый конец и второй конец и непрерывное удлиненное тело между первым и вторым концами, при этом тело имеет толщину и длину и по меньшей мере один замкнутый узел, содержащий пересечение между одним из концов первой ветви и телом второй ветви, причем указанная ветвь имеет либо прямую часть, либо изогнутую часть, либо и ту и другую.

В соответствии с еще одним аспектом изобретения, предложены способы изготовления пористой структуры. Один из таких способов содержит этапы: создают модели пористой структуры, причем этап создания содержит этапы: формируют ряд ветвей и ряд узлов для формирования пористой структуры и изготавливают пористую структуру в соответствии с моделью, воздействуя на металлический порошок источником энергии. Этап формирования содержит этапы: получают первый конец, второй конец и непрерывное удлиненное тело между первым и вторым концами для каждой ветви, выбирая при этом значения толщины и длины для тела; и получают пересечение между одним из концов первой ветви и телом второй ветви для каждого узла.

В соответствии с одним из предпочтительных вариантов, способ содержит этап формирования первого и второго концов ветви или ряда ветвей, расположенных между телами двух других ветвей. В соответствии с другим предпочтительным вариантом, способ содержит этап формирования тел ветви или ряда ветвей, содержащих ряд узлов.

В соответствии со следующим аспектом изобретения второй способ изготовления пористой структуры содержит этапы: создают модели пористой структуры, причем этап создания включает этап выбора формы и размера по меньшей мере одного каркаса для одной ячейки или ряда ячеек пористой структуры, при этом форма каркаса включает в себя геометрическую форму, выбранную из группы, включающей в себя архимедовы тела, Платоновы тела, строго выпуклые полиэдры, призмы, антипризмы и их комбинации; добавляют ветвь или ряд ветвей к каркасу, причем ветви имеют изогнутую часть, а указанный этап добавления выполняют посредством вписывания изогнутой части ветви или ряда ветвей в грань или ряд граней выбранной формы или посредством описывания изогнутой части ветви или ряда ветвей около грани или ряда граней выбранной формы; выбирают толщину для каркаса и ветви или ряда ветвей; и изготавливают пористую структуру в соответствии с моделью, воздействуя на металлический порошок источником энергии.

В соответствии с одним из предпочтительных вариантов этап создания содержит этап удаления части каркаса из одной или нескольких ячеек модели. В соответствии с другим предпочтительным вариантом, этап изготовления содержит этапы: формируют N(1, _Х) послойных узоров для пористой структуры на основе выбранных габаритных размеров по меньшей мере одной формы ячейки и по меньшей мере одного размера ячейки, причем значение N лежит в пределах от 1 для первого слоя в нижней части пористой структуры до х для верхнего слоя в верхней части пористой структуры; наносят N-й слой измельченного в порошок биосовместимого материала; расплавляют или спекают N-й узор в нанесенном N-ом слое измельченного в порошок биосовместимого материала; и повторяют этапы нанесения и расплавления или спекания от N=1 до N=х.

В соответствии с одним из усовершенствованных вариантов, способ дополнительно содержит этап: создают модель пористой структуры, в которой по меньшей мере для ряда узлов предусмотрено, что в одном месте пересекается не более двух ветвей.

В соответствии с другим усовершенствованным вариантом, способ дополнительно содержит этап: создают модель пористой структуры, в которой по меньшей мере одна ветвь или часть ветви изогнута.

Предусмотрена возможность изготовления раскрытых в заявке пористых структур с использованием технологий быстрого изготовления, таких как непосредственное выращивание моделей из металла. Имеется возможность выполнения соединения ветвей друг с другом посредством спекания, сплавления, сваривания, склеивания или иными методом. Имеется возможность формирования ветвями и узлами ряда окон. Кроме того, имеется возможность соединения ветвей друг с другом посредством расплавления, сваривания, склеивания, спекания или иным методом с формированием при этом ячейки и соединения ее с другими ячейками посредством расплавления, сваривания, склеивания, спекания или иным методом с формированием при этом непрерывной сетчатой структуры.

В соответствии с рядом усовершенствованных вариантов по меньшей мере одна ветвь, ряд ветвей или все ветви ячейки имеют равномерный диаметр. В соответствии с рядом усовершенствованных вариантов, одна ветвь, ряд ветвей или все ветви ячейки имеют неравномерные диаметры ветви. В соответствии с рядом усовершенствованных вариантов, ячейка включает в себя комбинации ветвей с равномерными и неравномерными диаметрами ветви. В соответствии с рядом усовершенствованных вариантов по меньшей мере одна ветвь, ряд ветвей или все ветви ячейки с равномерным диаметром имеют или не имеют близкие по значению, разные или одинаковые диаметры ветви, продольные формы, формы поперечного сечения, размеры, профили, толщины ветви, свойства материала, прочностные характеристики или иные свойства. В ряде усовершенствованных вариантов для одной, нескольких или всех ветвей в ячейке предусмотрено возрастание либо уменьшение в диаметре, вдоль заданной длины ветви, с близкими по значению, разными или одинаковыми коэффициентами.

В соответствии с рядом усовершенствованных вариантов ветви в ячейке проходят между двумя узлами. В соответствии с дополнительным усовершенствованием этого признака, ветви имеют переменные диаметры поперечного сечения вдоль длины ветви, включая минимальный диаметр в средней части, находящейся между двумя узлами. В соответствии с еще одним усовершенствованием этого признака, ветви имеют два противоположных конца, каждый из которых соединен с узлом, и среднюю часть, находящуюся между двумя концами. Ветви имеют расширяющуюся или сужающуюся в наружном направлении форму вдоль их протяжения от средней части в направлении каждого узла, так что диаметр средней части по существу меньше диаметра любого из двух противоположных концов. В ряде случаев ветви имеют расширяющуюся параболическую желобчатую или сужающуюся усеченно-коническую форму.

В соответствии с другими усовершенствованными вариантами по меньшей мере одна ветвь, ряд ветвей или все ветви в ячейке являются изогнутыми. В соответствии с дополнительным усовершенствованием этого признака, одна ячейка, ряд ячеек или все ячейки в пористой конструкции содержат по меньшей мере одну изогнутую ветвь. В соответствии с еще одним усовершенствованием этого признака, все ветви, образующие пористую структуру, являются изогнутыми. В соответствии со следующим усовершенствованием этого признака, изогнутые ветви образуют целые кольца или сегменты колец. Предусмотрена возможность соединения указанных колец или сегментов колец друг с другом, с образованием при этом открытых сторон или окон многосторонних ячеек. В ряде случаев одиночное кольцо образует часть общей стенки, соединяющей две смежные многосторонние ячейки. В ряде случаев один сегмент или ряд сегментов, по отдельности или в сочетании с прямыми частями ветвей, образуют часть общей стенки, соединяющей две смежных многосторонних ячейки. В соответствии с еще одним усовершенствованным вариантом, количество сторон каждой ячейки лежит в пределах от приблизительно 4 до приблизительно 24. Предпочтительнее, количество сторон каждой ячейки лежит в пределах от приблизительно 4 до приблизительно 16. Одной из наиболее предпочтительных геометрических форм является додекаэдр, или 12-сторонняя ячейка. Однако, как раскрыто и проиллюстрировано далее, предусмотрена возможность варьирования геометрической формы отдельных ячеек или ячеек пористой структуры в широких пределах и случайным образом от одной ячейки пористой структуры к другой.

В соответствии с другим усовершенствованным вариантом, предусмотрена возможность варьирования конфигурации ячеек, ветвей, узлов и/или соединений случайным образом по всей пористой структуре, что обеспечивает более точную имитацию естественной костной ткани.

В соответствии с другим усовершенствованным вариантом каждая ячейка является многосторонней и имеет полную форму, которую можно вписать в геометрическую форму, выбранную из группы, включающей в себя тетраэдры, усеченные тетраэдры, кубооктаэдры, усеченные гексаэдры, усеченные октаэдры, ромбокубоктаэдры, усеченные кубооктаэдры, плосконосые гексаэдры, плосконосые кубооктаэдры, икосододекаэдры, усеченные додекаэдры, усеченные икосаэдры, ромбоикосидодекаэдры, усеченные икосододекаэдры, плосконосые додекаэдры, плосконосые икосододекаэдры, кубы, октаэдры, додекаэдры, икосаэдры, призмы, призматоиды, антипризмы, однородные призмы, прямые призмы, параллелепипеды, кубоиды, политопы, соты, квадратные пирамиды, пятиугольные пирамиды, треугольные куполы, квадратные куполы, пятиугольные куполы, пентагональные ротонды, вытянутые треугольные пирамиды, вытянутые квадратные пирамиды, вытянутые пятиугольные пирамиды, гировытянутые квадратные пирамиды, гировытянутые пятиугольные пирамиды, треугольные пирамиды, пятиугольные бипирамиды, вытянутые треугольные бипирамиды, вытянутые квадратные бипирамиды, вытянутые пятиугольные бипирамиды, гировытянутые квадратные бипирамиды, вытянутые треугольные куполы, вытянутые квадратные куполы, вытянутые пятиугольные куполы, вытянутые пентагональные ротонды, гировытянутые трехугольные куполы, гировытянутые квадратные куполы, гировытянутые пятиугольные куполы, гировытянутые пентагональные ротонды, гиробифастигиумы, треугольные ортобикуполы, квадратные ортобикуполы, пятиугольные ортобикуполы, пятиугольные гиробикуполы, пентагональные ортокуполоротонды, пентагональные гирокуполоротонды, пентагональные ортобиротонды, вытянутые треугольные ортобикуполы, вытянутые треугольные гиробикуполы, вытянутые квадратные гиробикуполы, вытянутые пятиугольные ортобикуполы, вытянутые пятиугольные гиробикуполы, вытянутые пентагональные ортокуполоротонды, вытянутые пентагональные гирокуполоротонды, вытянутые пентагональные ортобиротонды, вытянутые пентагональные гиробиротонды, гировытянутые треугольные бикуполы, гировытянутые квадратные бикуполы, гировытянутые пятиугольные бикуполы, гировытянутые пентагональные куполоротонды, гировытянутые пентагональные биротонды, пополненные треугольные призмы, бипополненные треугольные призмы, трипополненные треугольные призмы, пополненные пятиугольные призмы, бипополненные пятиугольные призмы, пополненные шестиугольные призмы, парабипополненные шестиугольные призмы, метабипополненные шестиугольные призмы, трипополненные шестиугольные призмы, пополненные додекаэдры, парабипополненные додекаэдры, метабипополненные додекаэдры, трипополненные додекаэдры, метабиуменьшенные икосаэдры, триуменьшенные икосаэдры, пополненные триуменьшенные икосаэдры, пополненные усеченные тетраэдры, пополненные усеченные кубы, бипополненные усеченные кубы, пополненные усеченные додекаэдры, парабипополненные усеченные додекаэдры, метабипополненные усеченные додекаэдры, трипополненные усеченные додекаэдры, скрученные ромбоикосидодекаэдры, парабискрученные ромбоикосидодекаэдры, метабискрученные ромбоикосидодекаэдры, трискрученные ромбоикосидодекаэдры, уменьшенные ромбоикосидодекаэдры, параскрученные уменьшенные ромбоикосидодекаэдры, метаскрученные уменьшенные ромбоикосидодекаэдры, бискрученные уменьшенные ромбоикосидодекаэдры, парабиуменьшенные ромбоикосидодекаэдры, метабиуменьшенные ромбоикосидодекаэдры, скрученные биуменьшенные ромбоикосидодекаэдры и триуменьшенные ромбоикосидодекаэдры, снаб дисфеноиды, плосконосые квадратные антипризмы, сфенокороны, пополненные сфенокороны, сфеномегакороны, гебесфеномегакороны, дисфеноцингулум или джонсоново тело, билунабиротонды, треугольные гебесфеноротонды и их комбинации.

В соответствии с другим усовершенствованным вариантом, порошок выбран из группы, включающей металл, керамику, металлокерамику или кермет, стекло, стеклокерамику, полимер, композит и их комбинации.

В соответствии с другим усовершенствованным вариантом, металлический материал выбран из группы, включающей титан, титановый сплав, цирконий, циркониевый сплав, ниобий, ниобиевый сплав, тантал, танталовый сплав, никель-хромовый, например, нержавеющую сталь, кобальт-хромовый сплав и их комбинации.

В соответствии с другим усовершенствованным вариантом из пористой структуры образована по меньшей мере часть медицинского имплантата, в частности, ортопедического имплантата, зубного имплантата или сосудистого имплантата.

В заявке раскрыты также пористые структуры ортопедических имплантатов, обеспечивающие надежное врастание клеток и тканей, а также прочность, необходимую для выдерживания веса. Предусмотрено их изготовление с использованием технологии получения профиля, близкого к заданному, например, с использованием процесса непосредственного выращивания моделей из металла (DMF) при работе с металлическими биоматериалами, или стереолитографического процесса в случае работы с полимерными биоматериалами. В процессе DMF порошкообразный биосовместимый материал подают слоями, и отдельные частицы слоя этого материала подвергают сплавлению или спеканию послойно. Предложенные в качестве примера типовые пористые структуры содержат ряд трехмерных ячеек. В каждой ячейке содержится ряд ветвей. Предусмотрена возможность спекания или сплавления каждой из ветвей с одной из других ветвей в узле. В каждом узле предусмотрено соединение не более чем двух ветвей. Ветви и узлы каждой ячейки формируют ряд окон. В каждой ячейке имеется от приблизительно 4 до приблизительно 24 окон. По меньшей мере одна ветвь по меньшей мере в некоторых из ячеек является изогнутой. Предусмотрена возможность сплавления или спекания каждой ячейки по меньшей мере с еще одной ячейкой с формированием при этом сплошной сетчатой структуры.

Остальные преимущества и признаки изобретения подробно изложены далее в описании, приведенном со ссылками на приложенные чертежи. В изложенном выше обзоре признаков и преимуществ изобретения описаны самые общие черты, с тем чтобы облегчить понимание следующего далее подробного описания. Ниже раскрыты дополнительные признаки и преимущества изобретения, заявленные в пунктах формулы. Специалистам в данной области следует понимать, что общие принципы и конкретные варианты осуществления легко использовать как основу для выполнения модификаций или для разработки иных структур, служащих достижению тех же целей, что и указанные в изобретении. Специалистам в данной области следует также иметь в виду, что такие эквивалентные конструкции не выходят за рамки объема изобретения, изложенного в приведенной формуле изобретения. Новые признаки, которые считаются отражающими суть изобретения как в отношении его построения, так и в технологическом плане, в сочетании с дополнительными целями и преимуществами, более четко представлены в нижеследующем описании, приведенном со ссылками на приложенные чертежи. Вместе с тем необходимо понимать, что все чертежи приведены только для пояснения и в качестве иллюстраций, и их не следует трактовать как ограничивающие каким бы то ни было образом пределы объема изобретения.

Краткое описание чертежей

Ниже в целях более полного раскрытия сущности изобретения приведено его подробное описание со ссылками на приложенные чертежи:

Фиг.1А и 1В - трехмерные изображения варианта выполнения ветвей в узле пористой структуры, известной из предшествующего уровня техники, где ветви, показанные на Фиг.1А имеют одинаковые диаметры, а ветви, показанные на Фиг.1В, имеют разные диаметры;

Фиг.2 - выполненный на растровом электронном микроскопе (РЭМ) микрофотоснимок, на котором продемонстрирован пример известных ветвей с переломами;

Фиг.3-5 - трехмерные изображения, иллюстрирующие один из вариантов выполнения ветвей и узлов согласно изобретению;

Фиг.6-8 - трехмерные изображения, иллюстрирующие другой вариант выполнения ветвей и узлов согласно изобретению, в котором по меньшей мере ряд ветвей имеют меньший диаметр поперечного сечения на участке ветви, соответствующем телу, по сравнению с диаметром поперечного сечения в узле;

Фиг.9А и 9В - вид сверху показанных на Фиг.6-8 вариантов исполнения;

Фиг.10A-10F - двухмерные изображения разных конфигураций каркаса из ветвей и узлов в известной пористой структуре;

Фиг.11A-11F - двухмерные изображения соответствующих известных конфигураций каркаса из показанных на Фиг.10A-10F ветвей и узлов, модифицированных согласно одному из вариантов осуществления изобретения;

Фиг.12A-12D - трехмерные изображения, демонстрирующие примеры разных вариантов выполнения предложенной пористой структуры, содержащей одну конфигурацию или ряд конфигураций каркаса в соответствии с Фиг.11A-11F;

Фиг.13А-13М - двухмерные изображения, демонстрирующие примеры вариантов конфигураций каркаса двух образующих узел ветвей согласно изобретению, включая каркасы для ветвей, которые являются прямыми, изогнутыми или сочетают прямую и изогнутую формы;

Фиг.14 - двухмерное изображение, демонстрирующее пример выполнения предложенной пористой структуры, содержащей одну конфигурацию или ряд конфигураций каркаса в соответствии с Фиг.13А-13М;

Фиг.15А-15С - двухмерные изображения, демонстрирующие примеры конфигураций разных изогнутых каркасов и соответствующих ветвей согласно изобретению, пересекающихся с формированием при этом узла;

Фиг.16 - трехмерное изображение, демонстрирующее пример выполнения предложенной пористой структуры, содержащей одну конфигурацию или ряд конфигураций каркаса в соответствии с Фиг.13А-13М, включая каркасы для ветвей, которые являются прямыми, изогнутыми или сочетают прямую и изогнутую формы;

Фиг.17 - трехмерное изображение, демонстрирующее пример каркаса для по существу кубической ячейки пористой структуры согласно изобретению;

Фиг.18 - трехмерное изображение, демонстрирующее пример расположения каркасов для кубических ячеек в соответствии с Фиг.17;

Фиг.19 - трехмерное изображение, иллюстрирующее расположение кубических ячеек пористой структуры, известное из уровня техники;

Фиг.20 - трехмерное изображение, демонстрирующее пример расположения кубических ячеек пористой структуры согласно изобретению;

Фиг.21 - изображение в увеличенном масштабе, иллюстрирующее расположение в соответствии с Фиг.20;

Фиг.22 - трехмерное изображение, демонстрирующее пример каркаса для ячейки пористой структуры согласно изобретению, в форме тетраэдра;

Фиг.23 - трехмерное изображение, демонстрирующее пример каркаса в форме пирамиды с квадратным основанием для ячейки пористой структуры согласно изобретению;

Фиг.24А и 24В - разные виды трехмерных изображений основанной на додекаэдральной форме известной из уровня техники ячейки пористой структуры;

Фиг.25А и 25В - разные виды трехмерных изображений одного из вариантов выполнения ячейки пористой структуры согласно изобретению, также основанной на додекаэдральной форме;

Фиг.26-28 - трехмерные изображения каркаса известной ячейки в соответствии с Фиг.24А и 24В, модифицированной в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения;

Фиг.29А и 29В - трехмерные изображения ячейки согласно изобретению, форма которой выполнена так, как показано на Фиг.26-28, при этом на Фиг.29 В представлен местный вид каркаса ячейки в трехмерном изображении;

Фиг.30 - развертка представленного на Фиг.27 каркаса на плоскости;

Фиг.31 - развертка каркаса ячейки в форме усеченного тетраэдра на плоскости;

Фиг.32 - представленный на Фиг.31 каркас, образованный изогнутыми ветвями в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения;

Фиг.33 - развертка каркаса ячейки в форме усеченного октаэдра на плоскости;

Фиг.34 - показанный на Фиг.33 каркас, образованный изогнутыми ветвями в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения;

Фиг.35А-35Е - двухмерные изображения с примерами круга и эллипса, вписанными в разные геометрические формы, в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения;

Фиг.36 - развертка каркаса ячейки в форме усеченного тетраэдра на плоскости, с описанными около каждой грани ячейки кругами, в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения;

Фиг.37А и 37В - разные виды трехмерных изображений основанной на додекаэдральной форме ячейки согласно другому варианту осуществления изобретения;

Фиг.38 - трехмерное изображение еще одного варианта выполнения основанной на додекаэдральной форме ячейки согласно изобретению;

Фиг.39А-39С - разные виды трехмерных изображений основанной на додекаэдральной форме ячейки согласно изобретению в соответствии с еще одним вариантом выполнения;

Фиг.40 - трехмерное изображение, демонстрирующее пример расположения ячеек в соответствии с Фиг.24 и 25;

Фиг.41А и 41В - разные виды трехмерных изображений, на которых продемонстрированы примеры расположения ячеек в соответствии с Фиг.24, 25 и 37;

Фиг.42 - трехмерное изображение, демонстрирующее пример расположения ячеек, сформированных на основе усеченного тетраэдра с одной изогнутой ветвью или рядом изогнутых ветвей;

Фиг.43 - трехмерное изображение, демонстрирующее пример предложенного расположения ячеек, сформированных на основе усеченных тетраэдров;

Фиг.44 - трехмерное изображение, демонстрирующее пример предложенного расположения ячеек, сформированных на основе кубов - они выделены светло-серым цветом, усеченных кубооктаэдров - они выделены черным цветом и усеченных октаэдров - они выделены темно-серым цветом;

Фиг.45 - трехмерное изображение, демонстрирующее пример предложенного расположения ячеек, сформированных на основе кубооктаэдров - они выделены черным цветом, усеченных октаэдров - они выделены темно-серым цветом и усеченных тетраэдров - они выделены светло-серым цветом;

Фиг.46 - изображение каркаса в соответствии с показанным на Фиг.42 расположением;

Фиг.47 - изображение каркаса в соответствии с показанным на Фиг.43 расположением;

Фиг.48-50 - трехмерные изображения выполненного на основе октаэдра каркаса, модифицированного в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения;

Фиг.51А и 51В - разные виды трехмерных изображений предложенной ячейки, выполненной из каркасов в соответствии с Фиг.48-50;

Фиг.52 - трехмерное изображение каркаса на основе усеченного тетраэдра;

Фиг.53A-53D - разные виды трехмерных изображений ячейки, образованной из каркаса, показанного на Фиг.52 и модифицированного в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения;

Фиг.54А-54Е - разные виды трехмерных изображений, демонстрирующих примеры расположения ячеек в соответствии с Фиг.53;

Фиг.55А-55Е - трехмерные изображения ячейки, образованной из каркаса на основе шестиугольной призмы и модифицированной в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения;

Фиг.56А, 56В и 57А, 57В - трехмерные изображения, демонстрирующие примеры расположения ячеек в соответствии с Фиг.55;

Фиг.58-61 - трехмерные изображения основанных на додекаэдре каркасов, модифицированных в соответствии с вариантами осуществления изобретения.

Следует иметь в виду, что чертежи приведены без строгого соблюдения масштаба и иллюстрируют варианты осуществления в ряде случаев условно и частично. В отдельных случаях опущены несущественные для понимания описываемых методов и средств детали, а также детали, затрудняющие восприятие. Кроме того, в целях упрощения в ряде случаев приведен только один иллюстративный пример, а не все возможные. Следует иметь в виду, что описание изобретения не ограничено только проиллюстрированными в нем вариантами осуществления.

Подробное изложение сущности изобретения

Как уже упомянуто выше, при изготовлении пористых структур для медицинских имплантатов используют разные технологии быстрого изготовления (RMT), такие как непосредственное выращивание моделей из металла (DMF). Однако использование DMF или других технологий RMT для изготовления пористых структур не исключают возможности возникновения ослабленных зон между окнами трехмерной пористой структуры. Это явление обусловлено, главным образом, формой и конфигурацией известных из предыдущего уровня техники ячеек, формирующих указанные пористые структуры. В частности, изломы возникают в зонах соединения ветвей в узел. В известных пористых структурах изломы происходят по той причине, что площадь поперечного сечения ветви в месте ее соединения с узлом меньше площади поперечного сечения полученного узла. Зоны соединения ветвей со своим узлом, которые называют обычно «концентраторами напряжений», являются узловыми точками отказа конструкции. Такой отказ в местах расположения концентраторов напряжений может также произойти, если расплав частиц не полностью завершен и происходит их сплавление, или когда близлежащие поверхности основы слишком холодны, вследствие чего происходит вспучивание горячего порошкообразного материала в процессе DMF. Вне зависимости от конкретной причины излома ветвей, приводящего к ухудшению эксплуатационных характеристик известных пористых структур, назрела потребность в разработке усовершенствованных структур, изготовление которых возможно посредством RMT, в частности DMF, а также других технологий изготовления свободной формовкой или изготовления профилей, близких к заданному, например, посредством селективного лазерного спекания, электронно-лучевой плавки или стереолитографии.

На Фиг.1А и 1В приведены изображения мест вероятного возникновения изломов. На Фиг.1А и 1В приведен пример пористой структуры, соответственно, с тремя или четырьмя ветвями, которые соединены в узел, причем ветви на Фиг.1А имеют одинаковые диаметры, а на Фиг.1В - разные диаметры. В частности, в конструкции, показанной на Фиг.1А, три ветви 102 по существу равных диаметров соединены в узле 104. В местах соединения трех ветвей 102 сформированы три концентратора напряжений 106. Поскольку диаметры поперечного сечения ветвей 102 в местах расположения концентраторов напряжений 106 меньше, чем диаметр поперечного сечения узла 104, указанные концентраторы являются точками типового отказа ветвей. Как показано на Фиг.1 В, с более крупной ветвью 110 в узле 112 соединены три меньших ветви 108. Позициями 114 обозначены три из четырех сформированных концентраторов напряжений, которые имеют, по существу, меньшие диаметры поперечного сечения по сравнению с узлом 112. На Фиг.2 приведен сделанный на растровом электронном микроскопе (РЭМ) микрофотоснимок структуры 200, изготовленной с использованием технологии RMT, на котором проиллюстрирован пример поверхностей 202 излома ветвей. Показанная на Фиг.2 проба окклюдирована в зонах вокруг этих поверхностей 202 использованным в процессе изготовления порошком 204.

На Фиг.3-5 представлены разные варианты осуществления изобретения. Здесь ветви 302, 402 и 502 соединены в различных комбинациях в соответствующих узлах 304, 404 и 504. Каждый из узлов 304, 404 и 504 является местом соединения только для двух ветвей. Например, как показано на Фиг.5, узел 504а представляет собой соединение ветвей 502а и 502b, узел 504b - соединение ветвей 502b и 502с, а узел 504с - ветвей 502b и 502d. В результате уменьшения количества ветвей 302, 402 и 502, сходящихся или соединенных в своих соответствующих узлах 304, 404 и 504, диаметр или площадь поперечного сечения в местах, где соединены ветви 302, 402 и 502, по существу, равен площади поперечного сечения в соответствующих узлах 304, 404 и 504. Таким образом, в структурах, показанных на Фиг.3-5, обеспечено ослабление воздействия концентраторов напряжений, не показанных на чертеже, на прочность конструкции. След