Пористые структуры с управляемой рандомизацией и способы их изготовления

Пористые структуры с управляемой рандомизацией и способы их изготовления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

[0001] В настоящей заявке истребован приоритет по предварительной заявке США 61/260811, поданной 12 ноября 2009 г. под названием "Управляемая рандомизация пористых структур для медицинских имплантатов", содержание которой полностью включено в данное описание посредством ссылки.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0002] Изобретение относится к пористым структурам для медицинских имплантатов, частности к пористым структурам для медицинских имплантатов, обладающих улучшенным сочетанием прочности, пористости и связностью, а также к способам изготовления таких усовершенствованных пористых структур.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0003] От некоторых медицинских и ортопедических имплантатов требуется прочность, позволяющая выдерживать весовую нагрузку, а также пористость, способствующая врастанию кости/ткани. К примеру, многие ортопедические имплантаты содержат пористые части, образующие каркас, что способствует врастанию кости в процессе заживления, и несущую часть, позволяющую скорее перейти к амбулаторному лечению. К примеру, в медицинских, в частности ортопедических имплантатах используются трехмерные пористые структуры из вспененного металла, поскольку такие структуры обладают достаточной прочностью для выдерживания весовой нагрузки, а также достаточной пористостью.

[0004] Известны различные способы изготовления структур из вспененного металла или других пористых структур. В качестве примера можно назвать способ, предусматривающий смешивание металлического порошка и порообразующей присадки, с последующим прессованием полученной смеси до получения нужной формы. Затем порообразующую присадку удаляют нагреванием в процессе "выжигания", после чего остающийся металлический остов можно подвергнуть спеканию, получив тем самым пористую структуру из вспененного металла.

[0005] Одним из сходных традиционных методов предусмотрено добавление к пенополиуретану связующего элемента, добавление к связующему элементу металлического порошка, выжигание пенополиуретана и спекание металлического порошка с получением "зеленой" части. Затем связующий элемент и металлический порошок добавляют уже к зеленой части и подвергают зеленую часть повторному спеканию до получения требуемой толщины перекладины и пористости. Затем зеленую часть подвергают машинной обработке до получения готовой формы, после чего снова спекают.

[0006] Хотя металлические пены, получаемые такими традиционными способами, обладают удовлетворительной пористостью, они не в состоянии обеспечить прочность, которая была бы достаточной, чтобы выдержать весовую нагрузку во многих медицинских имплантатах. Кроме того, процессы, применяемые для получения металлических пен, могут стать причиной образования в металлических пенах нежелательных соединений металлов за счет реакции между металлом и порообразующей присадкой. Кроме того, традиционные способы изготовления металлической пены потребляют рачительное количество энергии и могут сопровождаться выделением вредных газов.

[0007] В последнее время для получения металлической пены для использования в медицинских имплантатах или их компонентах, применялись технологии ускоренного производства (RM-технологии), такие как непосредственное выращивание из металла (DMF-технологии) и изготовление твердого тела свободной формовкой (SFF-технологии). В общем случае RM-технологии позволяют создавать структуры по трехмерным моделям САПР. Например, DMF-технология предусматривает послойное получение трехмерных структур из порошка, затвердевающего при облучении слоя порошка источником энергии, таким как лазер или электронный луч. Порошок плавят, обжигают или спекают посредством источника энергии, направляемого растровым сканированием на выбранные участки слоя порошка. После проплавления рисунка в одном порошковом слое наносят следующий слой порошка и повторяют процесс, причем плавление происходит между слоями, пока не будет получена требуемая структура.

[0008] В качестве примеров металлических порошков, известных своим использованием в указанных технологиях непосредственного выращивания, можно назвать двухфазные металлические порошки таких композиций, как медь-олово, медь-припой и бронза-никель. Посредством DMF-технологии можно получать относительно плотные металлические структуры, например имеющие плотность от 70 до 80% плотности соответствующей формованной металлической структуры, или, наоборот, относительно пористые структуры со значениями пористости, приближающимися к 80% или превышающие 80%.

[0009] Хотя DMF-технология позволяет получать плотные структуры, достаточно прочные для использования в качестве несущих конструкций медицинских имплантатов, в традиционно используемых пористых структурах применяют конфигурации с однородными, упорядоченными и регулярными элементами, образующими слабые зоны, в которых пересекаются перекладины трехмерной пористой структуры. То есть, конструкциям традиционных структур не достает направленной прочности, что компенсируют за счет увеличения толщины перекладин, уменьшая тем самым пористость; и наоборот, из-за более тонких перекладин традиционная структура с требуемой пористостью зачастую не обладает необходимой прочностью. Другими словами, известные решения позволяют получить необходимую прочность за счет пористости, или наоборот. На настоящий момент не существует способов и/или материалов, которые бы одновременно обеспечивали увеличение прочности, пористости и связности.

[0010] При этом внешний вид структур трабекулярной кости в микромасштабе не однороден и случаен. Кроме того, известно, что помимо обеспечения требуемой прочности, пористости и связности эффективно, эффективные медицинские имплантаты должны иметь физиологическую совместимость с окружающей средой. Однако традиционные пористые структуры с однородными, упорядоченными и регулярными элементами не похожи на структуры трабекулярной кости. Так, например, в документах США №№2006/0147332 и 2010/0010638 приведены примеры таких известных решений по созданию пористых структур, которые страдают указанными выше недостатками, например наличием слабых зон на пересечениях перекладин, увеличением прочности за счет уменьшения пористости, а также отсутствием трабекулярных свойств.

[0011] Одним из решений, позволяющих повысить эффективность ортопедического имплантата, может стать рандомизация пористой структуры имплантата, обеспечивающая лучшую имитацию трабекулярных структур, в которые его имплантируют. То есть предполагается, что функциональные характеристики имплантата с пористой структурой можно улучшить, если в дополнение к обеспечению требуемой прочности, пористости и связности рандомизировать пористую структуру имплантата с получением в результате рандомизированной структуры каркаса, в противоположность однородной структуре с открытыми ячейками. Известные способы получения рандомизированных структур обычно предполагают рандомизацию уже существующей однородной структуры. Однако возможности таких способов довольно ограничены, поскольку при их осуществлении, как правилоЮ, требуется ручная манипуляция перекладинами, то есть для построения каркаса с нужными размерам необходимо согласовать телесное пространство одного элемента с другим элементом. Если перекладины элементов не согласованы, то при наличии в структуре слишком большого количества свободных перекладин может произойти нарушение целостности структуры. Точно также, рандомизированная структура с неверно ориентированными перекладинами может иметь неправильное распределение остаточных напряжений, обусловленных способом изготовления, что приведет к появлению деформированных или неточно изготовленных частей. Соответственно, структура из исходных элементов, известных из уровня техники, вне зависимости, идентичны они или нет, обычно позволяет без труда управлять процессом сложения или построения. Построение же каркаса из сложных рандомизированных исходных элементов займет слишком много времени и потребует значительных затрат, в частности в части расходов на проведение вычислений. Другим недостатком рандомизации существующей однородной структуры является опасность ослабления структуры вследствие непредвиденных изменений ее свойств в результате изменений эластичности и направленности в процессе рандомизации. Следовательно, оригинальная рандомизированная структура, в отличие от рандомизированной существующей структуры, обеспечивает улучшение прочности одновременно с улучшением пористости и повышением сложности, например, за счет наличия трабекулярных свойств. Как указано выше, программные приложения известного уровня техники в общем случае позволяют получать преимущественно однородные и регулярные пористые структуры. Для обеспечения эффективности они повторяют небольшую одиночную ячейку по осям координат, заполняя объем без промежутков между ячейками. При этом, вследствие сложности согласования между собой ячеек, внутри одиночной ячейки используют лишь относительно небольшое количество относительно простых форм.

[0012] Также следует отметить, что с учетом указанных недостатков имплантатов из металлической пены и имплантатов, изготавливаемых с использованием традиционных DMF-технологий, некоторым медицинским имплантатам требуется нескольких структур, предназначенных каждая для выполнения одной или нескольких разных функций. Например, поскольку для некоторых медицинских имплантатов требуется наличие как пористой структуры, способствующей врастанию кости и ткани, так и несущей структуры, в выемке твердотельной структуры могут размещать пористую вставку, а затем соединять указанные две структуры путем спекания. Очевидно, что использовать одну единую структуру предпочтительнее, чем две отдельных спекаемых вместе структуры.

[0013] Из вышесказанного следует, что сохраняется потребность как в эффективных способах изготовления трехмерных пористых структур, так и в самих структурах с использованием рандомизированных каркасов, обеспечивающих улучшение пористости без ухудшения прочности, улучшение прочности, в том числе за счет бесшовных стыков между элементами, улучшение связности и имеющих трабекулярные свойства.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0014] Одной из задач изобретения является создание пористых биосовместимых структур для использования в качестве медицинских имплантатов, обладающих повышенной прочностью, позволяющей выдерживать весовые нагрузки, а также пористостью, обеспечивающей врастание ткани.

[0015] Другая задача состоит в создании пористых биосовместимых структур для использования в качестве медицинских имплантатов, обладающих повышенной связностью, уподобляющей их свойства свойствам трабекулярных костей.

[0016] Другая задача состоит в создании пористых биосовместимых структур, облегчающих врастание костной и мягкой ткани.

[0017] Еще одна задача состоит в создании пористых биосовместимых структур для использования в качестве медицинских имплантатов, обладающих управляемым и при этом случайным расположением перекладин и узлов, позволяющим улучшить их функциональные характеристики.

[0018] Еще одной задачей изобретении является создание способов изготовления таких усовершенствованных пористых биосовместимых структур.

[0019] Другая задача - создание эффективных способов

изготовления рандомизированных пористых структур за счет манипуляций с пространством между перекладинами.

[0020] Еще одна задача состоит в создании способов получения бесшовного стыка между соединяемыми вместе структурами, вне зависимости оттого, являются структуры идентичными или нет.

[0021] Еще одной задачей изобретения является создание эффективных способов изготовления рандомизированной пористой структуры, адаптированной под конкретные требования, например, с соответствующим распределением и размерами пор, пористостью и прочностью в зависимости от индивидуальных особенностей пациентов или применения.

[0022] Другой задачей изобретения является создание способов управления рандомизацией каркаса для структуры.

[0023] В соответствии с одним из аспектов изобретения для решения указанных задач предлагается способ изготовления пористой структуры, содержащий следующие этапы: этап создания модели пористой структуры, на котором задают трехмерное пространство, имеющее внешнюю границу и внутренний объем, размещают вдоль указанной границы набор внешних пространственных координат, размещают во внутреннем объеме набор внутренних пространственных координат, смещают одну или более внутренних пространственных координат на конечное расстояние в случайном направлении, смещают одну или более внешних пространственных координат на конечное расстояние в случайном направлении. При этом на этапе создания модели пористой структуры выполняют также следующие действия: разделяют объем трехмерного пространства поровну между рандомизированными внешними и внутренними пространственными координатами, задают границу одного или более разделенных объемов посредством одной или более перекладин и одного или более узлов, причем каждая перекладина имеет первый конец, второй конец и непрерывное вытянутое тело между указанными первым и вторым концами каждой перекладины, причем каждый узел представляет собой пересечение по меньшей мере двух перекладин, выбирают толщину и форму одной или более перекладин. Дополнительно указанный способ содержит этап изготовления по созданной модели пористой структуры путем воздействия на плавкий материал источником энергии.

[0024] В соответствии с другим аспектом изобретения способ дополнительно содержит этап получения второго трехмерного пространства, представляющего собой копию первого трехмерного пространства с уже рандомизированными внутренними и внешними пространственными координатами.

[0025] В одном из вариантов осуществления изобретения смещение внутренних пространственных координат на конечное расстояние в случайном направлении осуществляют с соблюдением заранее выбранного или заданного предела рандомизации, который позволяет предотвратить любое совпадение внутренних пространственных координат. В соответствии с другим вариантом смещение внешних пространственных координат на конечное расстояние в случайном направлении осуществляют с соблюдением заданного предела рандомизации таким образом, чтобы рандомизированные внешние пространственные координаты одного трехмерного пространства согласовывались или отвечали соответствующим внешним пространственным координатам второго, по существу идентичного трехмерного пространства. В альтернативном варианте второе трехмерное пространство не является по существу идентичным первому трехмерному пространству.

[0026] В одном из вариантов, с целью удаления лишних перекладин, в отношении рандомизированных пространственных координат и перекладин применяют тесселяцию Вороного. В другом варианте способ содержит этап изготовления пористой структуры с двумя или более идентичными трехмерными пространствами с рандомизированными пространственными координатами и соответствующими перекладинами. В некоторых вариантах, в которых совпадение внутренних и внешних пространственных координат после рандомизации или дислокации не является проблемой, можно полностью обойтись без пределов рандомизации или же использовать их лишь в умеренной степени.

[0027] В соответствии с некоторыми вариантами дислокацию или рандомизацию выполняют лишь в отношении выбранных внутренних и/или внешних пространственных координат. В других вариантах осуществления изобретения подвергают рандомизации или дислокации все или по существу все внутренние и/или внешние пространственные координаты.

[0028] Дислокацию или рандомизацию можно осуществлять в отношении каждой внутренней и каждой внешней пространственной координаты, либо в отношении некоторых внешних пространственных координат и некоторых внутренних пространственных координат, либо в отношении некоторых внешних пространственных координат и ни одной из внутренних пространственных координат, либо в отношении лишь одной области внешних пространственных координат. Полная рандомизация всех пространственных координат не является обязательной.

[0029] В некоторых вариантах заранее заданную рандомизацию выполняют таким образом, чтобы предотвратить совпадение по меньшей мере одной внутренней пространственной координаты по меньшей мере с одной другой внутренней пространственной координатой. В других вариантах способ дополнительно содержит выбор заданного предела рандомизации для по меньшей мере одной внутренней пространственной координаты, причем при осуществлении выбора выполняют следующие действия: задают вокруг указанной по меньшей мере одной внутренней пространственной координаты объем, основанный по меньшей мере на близости одной другой соседней внутренней пространственной координаты; и ограничивают рандомизируемое смещение указанной по меньшей мере одной внутренней пространственной координаты границами заданного объема.

[0030] В других вариантах осуществления изобретения заданный объем содержит геометрическую форму, выбранную из группы, включающей в себя сферы, архимедовы тела, Платоновы тела, многоугольники, призмы, антипризмы, а также сочетания перечисленных форм. В некоторых вариантах по меньшей мере одно измерение указанного заданного объема имеет радиус менее 50% от расстояния между указанной по меньшей мере одной внутренней пространственной координатой и другой соседней внутренней пространственной координатой.

[0031] В соответствии с некоторыми вариантами согласование выполняют путем смещения по меньшей мере двух соответствующих внешних пространственных координат на одно конечное расстояние и в одном направлении. В некоторых вариантах трехмерное пространство содержит геометрическую форму, выбранную из группы, включающую в себя пространственные многоугольники, пространственные выпуклые многоугольники с правильными гранями и пространственные выпуклые многоугольники с неправильными гранями.

[0032] В других вариантах осуществления изобретения выбраны перекладины многоугольной формы. В некоторых модификациях форма, выбранная для одной перекладины, отличается от формы другой перекладины, причем формы подобраны таким образом, чтобы способствовать врастанию ткани.

[0033] В некоторых вариантах на этапе изготовления также выбирают материал для изготовления одной или более перекладин из группы, в которую входят металл, керамика, металлокерамика (кермет), стекло, стеклокерамика, полимер, композит и сочетания перечисленных материалов. В других вариантах способ дополнительно предусматривает выбор металлического материала из группы, в которую входят титан, титановый сплав, цирконий, циркониевый сплав, ниобий, ниобиевый сплав, тантал, танталовый сплав, никель-хромовый (например, нержавеющая сталь), кобальт-хромовый сплав и сочетания перечисленных материалов.

[0034] В соответствии с другим аспектом изобретения предлагается пористая структура, содержащая: набор перекладин, у каждой из которых имеется первый конец, второй конец и непрерывное вытянутое тело, расположенное между указанными первым и вторым концами и имеющее толщину и длину; набор узлов, каждый из которых содержит пересечение по меньшей мере двух перекладин; причем указанный набор перекладин и узлов образован из модели, созданной путем разделения пространства между набором пространственных координат заданного объема; причем указанная группа пространственных координат смещена в случайном направлении и на случайное конечное расстояние в соответствии с заданным пределом рандомизации.

[0035] В некоторых вариантах осуществления изобретения заданную рандомизацию выполняют таким образом, чтобы предотвратить совпадение по меньшей мере одной внутренней пространственной координаты с по меньшей мере одной другой внутренней пространственной координатой. В других вариантах измерение указанного заданного пространства, соседнего с указанной одной или более пространственных координат, основано по меньшей мере на близости одной другой соседней пространственной координаты. В некоторых модификациях указанная другая пространственная координата является ближайшей соседней к указанным одной или более пространственным координатам.

[0036] В других вариантах заданное пространство содержит геометрическую форму, выбранную из группы, в которую входят сферы, архимедовы тела, Платоновы тела, многоугольники, призмы, антипризмы и сочетания перечисленных форм. В других модификациях по меньшей мере одно измерение указанного заданного объема имеет радиус, составляющий менее 50% от расстояния между указанной одной или более внутренней пространственной координатой и указанной другой соседней пространственной координатой. В некоторых модификациях трехмерное пространство содержит геометрическую форму, выбранную из группы, в которую входят пространственные многоугольники, пространственные выпуклые многоугольники с правильными гранями и пространственные выпуклые многоугольники с неправильными гранями.

0037] В некоторых вариантах осуществления изобретения, с целью разделения пространства между всеми пространственными координатами, в отношении рандомизированной группы пространственных координат применяют тесселяцию Вороного. В некоторых модификациях форма поперечного сечения указанных перекладин содержит многоугольник. В некоторых модификациях форма, выбранная для одной перекладины, сличается от формы другой перекладины, причем формы подобраны таким образом, чтобы способствовать врастанию ткани.

[0038] В соответствии с некоторыми вариантами пористая структура дополнительно содержит материал, выбранный из группы, в которую входят металл, керамика, металлокерамика (кермет), стекло, стеклокерамика, полимер, композит и сочетания перечисленных материалов. В других модификациях металлический материал выбран из группы, в которую входят титан, титановый сплав, цирконий, циркониевый сплав, ниобий, ниобиевый сплав, тантал, танталовый сплав, никель-хромовый (например, нержавеющая сталь), кобальт-хромовый сплав и сочетания перечисленных материалов.

[0039] В соответствии с еще одним аспектом изобретения предлагается способ получения бесшовного соединения между по меньшей мере двумя каркасами, содержащий следующие этапы: получение по меньшей мере двух трехмерных пространств, каждое из которых имеет внешнюю границу и внутренний объем; получение общего объема, включающего в себя указанные по меньшей мере два пространства; размещение набора пространственных координат вдоль внешней границы каждого из указанных трехмерных пространств; размещение набора внутренних пространственных координат во внутреннем объеме каждого из указанных трехмерных пространств; образование указанного каркаса путем разделения объема трехмерного пространства между внешними и внутренними пространственными координатами и задания границы части указанного разделенного объема посредством одной или более перекладин, каждая из которых имеет первый конец, второй конец и непрерывное вытянутое тело между первым и вторым концами; выбор по меньшей мере одной толщины и по меньшей мере одной формы для одной или более перекладин; и изготовление пористой структуры в соответствии с каркасом с одной или более перекладинами, имеющими по меньшей мере одну толщину и по меньшей мере одну форму, путем воздействия на плавкий материал источником энергии. В некоторых вариантах способа дополнительно предусмотрено смещение по меньшей мере одной пространственной координаты из одного из указанных наборов внешних пространственных координат и внутренних пространственных координат; причем указанное смещение выполняют таким образом, чтобы получить каркас с бесшовным соединением между указанными по меньшей мере двумя пространствами.

[0040] В соответствии с еще одним аспектом изобретения

предлагается пористая структура, содержащая: набор перекладин, у каждой из которых имеется первый конец, второй конец и непрерывное вытянутое тело, расположенное между указанными первым и вторым концами и имеющее толщину и длину; набор узлов, каждый из которых содержит пересечение по меньшей мере двух перекладин; причем указанный набор перекладин и узлов образован из модели, созданной путем разделения пространства между набором пространственных координат двух или более заданных объемов. В некоторых вариантах с целью разделения пространства в отношении пространственных координат применяют тесселяцию Вороного.

[0041] Другие преимущества и признаки изобретения раскрыты в подробном описании, приводимом ниже со ссылками на сопроводительные чертежи. Приведенное выше достаточно широкое изложение признаков и технических преимуществ изобретения позволяет лучше понять нижеследующее подробное описание, в котором раскрыты также некоторые дополнительные преимущества и признаки, представляющие собой объект формулы изобретения. Специалистам в данной области будет очевидно, что изложенные здесь принципы и конкретные варианты осуществления могут быть легко использованы как основа для модифицирования или конструирования других структур, решающих те же задачи, что и предлагаемое техническое решение. При этом следует понимать, что подобные эквивалентные конструкции не выходят за рамки сущности и объема изобретения, определяемых совокупностью признаков, изложенной в прилагаемой формуле изобретения. Отличительные признаки, характеризующие данное изобретение как в отношении его устройства, так и в отношении принципа работы, в сочетании с дополнительными задачами и преимуществами, более подробно раскрыты в последующем описании, приводимом на основе сопроводительных чертежей. Разумеется, что каждый из чертежей используется исключительно в иллюстративных и описательных целях, и никоим образом не ограничивает объем притязаний настоящего изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0042] Для более полного понимания предложенных способов и устройств следует обратиться к отдельным вариантам их осуществления, подробно проиллюстрированных сопроводительными чертежами, на которых:

[0043] фиг.1 - вид в аксонометрии исходного кубического объема с иллюстрацией части внешних исходных точек или внешних пространственных координат, согласно одному из аспектов настоящего изобретения;

[0044] фиг.2 - вид в аксонометрии исходного кубического объема с фиг.1 с внутренними исходными точками согласно одному из аспектов изобретения;

[0045] фиг.3 - вид в аксонометрии, иллюстрирующий рандомизацию внутренних исходных точек или пространственных координат согласно одному из аспектов изобретения;

[0046] фиг.4 - вид в аксонометрии, иллюстрирующий один из вариантов подтверждения совместимости внутренних исходных точек согласно одному из аспектов изобретения;

[0047] фиг.5А и 5В - виды в аксонометрии, иллюстрирующие один из вариантов рандомизации некоторых внешних исходных точек согласно одному из аспектов изобретения;

[0048] фиг.6А и 6В - виды в аксонометрии, иллюстрирующие один из вариантов рандомизации других внешних исходных точек согласно одному из аспектов изобретения;

[0049] фиг.7А и 7В - виды в аксонометрии, иллюстрирующие один из вариантов осуществления рандомизации еще некоторых внешних исходных точек согласно одному из аспектов изобретения;

[0050] фиг.8 - иллюстрация одного из вариантов осуществления объема облаков исходных точек, образованного рандомизированными внутренними исходными точками и рандомизированными внешними исходными точками согласно одному из аспектов изобретения;

[0051] фиг.9 - иллюстрация одного из вариантов осуществления группы из семи ячеек с облаками исходных точек с фиг.8 согласно одному из аспектов изобретения;

[0052] фиг.10 - иллюстрация одного из вариантов осуществления сетчатой конструкции или каркаса из рандомизированных перекладин согласно одному из аспектов изобретения;

[0053] фиг.11 - иллюстрация сетчатой конструкции или каркаса из рандомизированных перекладин с фиг.10, помещенного в качестве центральной ячейки в группу согласно одному из аспектов изобретения;

[0054] фиг.12 - иллюстрация различных линий выпуклой оболочки согласно одному из аспектов изобретения;

[0055] фиг.13 - иллюстрация одного из вариантов удаления некоторых избыточных линий из выпуклой оболочки с фиг.12 согласно одному из аспектов изобретения;

[0056] фиг.14 и 15 - иллюстрация бесшовного соединения двух расположенных бок о бок идентичных объемов рандомизированных перекладин согласно одному из аспектов изобретения;

[0057] фиг.16 - иллюстрация одной из модификаций по использованию некоторых форм и толщин в перекладинах объема рандомизированных перекладин с фиг.11;

[0058] фиг.17 - иллюстрация одного из вариантов осуществления пористой структуры с 4 (четырьмя) объемами рандомизированных перекладин с пределом рандомизации 10% согласно одному из аспектов изобретения;

[0059] фиг.18 - иллюстрация одного из вариантов осуществления пористой структуры с 4 (четырьмя) объемами рандомизированных перекладин с пределом рандомизации 20% согласно одному из аспектов изобретения;

[0060] фиг.19 - иллюстрация одного из вариантов осуществления пористой структуры с 4 (четырьмя) объемами рандомизированных перекладин с пределом рандомизации 30% согласно одному из аспектов изобретения;

[0061] фиг.20 - частичный вид пористой структуры с фиг.19, иллюстрирующий один из вариантов осуществления пористой структуры с бесшовным соединением между двумя или более рандомизированных перекладин согласно одному из аспектов изобретения;

[0062] фиг.21 - полученная с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) фотография неупорядоченной пористой структуры из нержавеющей стали, изготовленной согласно одному из аспектов изобретения (фотография сделана с 50-кратным увеличением);

[0063] фиг.22 - полученная с помощью СЭМ другая фотография неупорядоченной пористой структуры из нержавеющей стали, изготовленной согласно одному из аспектов изобретения (фотография сделана с 50-кратным увеличением);

[0064] фиг.23-25 - фотографии структур, изготовленных на установке для лазерного спекания металлов EOS™ с использованием предела рандомизации 30% согласно одному из аспектов изобретения;

[0065] фиг.26А - 26С - иллюстрации одного из вариантов осуществления пористого покрытия, образованного из объемов рандомизированных перекладин согласно одному из аспектов изобретения;

[0066] фиг.27 - иллюстрация одного из вариантов осуществления объема с булевым пересечением согласно одному из аспектов изобретения;

[0067] фиг.28А и 28В - иллюстрации пористой структуры согласно одному из аспектов изобретения с двумя разными рандомизированными ячейками, соединенными друг с другом бесшовным образом.

[0068] Следует иметь в виду, что в чертежах не обязательно соблюден масштаб, и некоторые рассматриваемые варианты проиллюстрированы схематично и частичными видами. В некоторых случаях могли быть опущены детали, не являющимися существенными для понимания описываемых способов и конструкций, или же затрудняющие восприятие других деталей. Разумеется, что предлагаемое изобретение не ограничивается приведенными здесь частными вариантами осуществления.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0069] Предлагаемое изобретение относится к способам изготовления пористых структур с улучшенной прочностью, пористостью и связностью. В предпочтительном варианте усовершенствованные пористые структуры получают, используя способ свободной формовки, в том числе технологии ускоренного производства (RM-технологии), такие как непосредственное выращивание из металла (DMF-технология). При использовании RM-технологий или метода свободной формовки модель или расчеты, определяющие заданную структуру, или машиночитаемый файл с описанием заданной структуры, подают на компьютеризованную установку или устройство с источником энергии, таким как лазерный луч, обеспечивающим расплавление или спекание порошка для послойного построения структуры в соответствии с полученной моделью.

[0070] Например, RM-технология может представлять собой аддитивную технологию производства изделий путем последовательной подачи энергии и/или материала в определенные точки в пространстве с целью изготовления данной детали. В частности, изделия можно изготавливать из подаваемых послойно расплавляемых лазером порошков. Порошок расплавляют, плавят, переплавляют или спекают путем подачи лазерной энергии, направляемой посредством растрового сканирования на участки порошкового слоя, соответствующие поперечному сечению изделия. После расплавления порошка в одном отдельном слое подают дополнительный слой порошка, после чего процесс повторяют до получения готового изделия.

[0071] Подробное описание технологий селективного лазерного спекания можно найти в патентах США №№4863538, 5017753, 5076869 и 4944817, полностью включенных в материалы данной заявки посредством ссылки. В настоящее время управление процессом изготовления обычно осуществляют посредством компьютера с использованием компьютерной математической модели. В результате RM-технологии, такие как селективная лазерная переплавки или технологии спекания, позволяют выполнять непосредственное изготовление твердотельных или трехмерных структур с высоким разрешением и размерной точностью из множества материалов.

[0072] В одном из вариантов пористую структуру образуют из порошка, выбранного из группы, в которую входят металл, керамика, металлокерамика (кермет), стекло, стеклокерамика, полимер, композит и сочетания перечисленных материалов. В другом варианте используемый порошок выбран из группы, в которую входят титан, титановый сплав, цирконий, циркониевый сплав, ниобий, ниобиевый сплав, тантал, танталовый сплав, никель-хромовый (например, нержавеющая сталь), кобальт-хромовый сплав и сочетания перечисленных материалов.

[0073] В еще одном варианте предлагаемые способы изготовления позволяют получить законченный ортопедический имплантат или основание или заготовке, представляющую собой часть имплантата. Раскрытые в данном описании способы позволяют изготавливать пористые структуры с требуемой пористостью, размерами пор, прочностью и связностью за счет управления рандомизацией каркаса пористой структуры. Использование рандомизированных структур каркаса, полученных предложенными способами, позволяют улучшить скрепление ячеек, врастание кости и начальную фиксацию - поскольку в указанных структурах каркаса лучше воспроизведены естественные трабекулярные структуры. Дополнительное преимущество имплантатов, напоминающих по внешнему виду естественные трабекулярные структуры, состоит в большей эстетической привлекательности для врача и пациента.

[0074] В предпочтительном варианте рандомизированный каркас можно создать путем разделения заданного объема поровну между группой исходных точек, которые были рандомизированы на границе объема и внутри объема. Исходные точки рандомизируют в соответствии с заданным пределом рандомизации, который предпочтительно выбрать с учетом предотвращения любого совпадения исходных точек внутри объема. Если для создания рандомизированного каркаса используют более одного идентичного объема, заданный предел рандомизации можно использовать для обеспечения согласования исходных точек на границе объема ("внешние исходные точки") с внешними исходными точками других идентичных объемов. Как описано выше, объем уже разделен на неупорядоченные участки за счет случайного размещения исходных точек, однако такое случайное разделение является управляемым - благодаря тому, что на случайное размещение исходных точек наложен предел. Границы разделенных участков выполняют функцию перекладин рандомизированного каркаса, причем из самого рандомизированного каркаса можно построить пористую структуру после выбора толщины и формы перекладин.

[0075] Ниже приведено подробное описание отдельных вариантов осуществления и модификаций предлагаемого изобретения. На фиг.1 и 2 показано, что исходная геометрическую форма может предст