用于骨向内生长的三维多孔结构及其制备方法与流程

用于骨向内生长的三维多孔结构及其制备方法
1.相关申请的交叉引用
2.本专利申请要求2019年9月25日提交的美国专利申请序列号62/906,004的优先权，其公开内容据此以引用方式并入，如同全文示出于本文中一样。
技术领域
3.本文所公开的实施方案整体涉及多孔金属结构及其制造方法，更具体地讲，涉及医疗装置中的多孔金属结构，该医疗装置具有适于允许精确控制多孔金属结构中的孔隙率和孔尺寸的几何栅格配置。


背景技术：

4.本文所公开的实施方案整体涉及用于骨向内生长的三维多孔结构以及用于制备所述结构的方法。
5.这些年来，快速成型和增材制造领域已取得许多进展，尤其是对于诸如原型部件和模制模具的制品的快速成型而言。与常规机加工工艺诸如其中材料(例如金属)开始作为材料块然后因此被机加工成成品的那些相比，这些进展降低了制造成本和时间，同时提高了成品的精度。
6.然而，快速成型三维结构的主要焦点在于快速成型结构的密度增加。现代快速成型/增材制造技术的示例包括片材层合、粘附粘结、激光烧结(或选择性激光烧结)、激光熔融(或选择性激光烧结)、光聚合、液滴沉积、立体光刻、3d打印、熔融沉积建模和3d绘图。特别是在选择性激光烧结、选择性激光熔融和3d打印的领域中，高密度部件的生产的改进使得那些技术可用于设计和精确地生产诸如高密度金属部件的制品。
7.在过去几年中，增材制造领域的一些人已尝试制作解决方案，该解决方案在多孔结构中提供所需的机械强度、互连通道设计、孔隙率和孔尺寸，以适用于促进哺乳动物细胞生长和再生。然而，现有的方法和几何形状对孔尺寸分布具有有限的控制，这对哺乳动物细胞诸如骨的向内生长行为产生强烈影响。此外，现有的方法和几何形状通常不足以制备具有单元格几何形状的多孔结构，该单元格几何形状具有同时介于以下范围内的孔尺寸和孔隙率，该范围据信有利于向内生长同时在制造工艺(例如，3d打印)期间保持结构完整性。因此，现有的单元格几何结构必须具有非常大的孔尺寸或非常低的孔隙率。此外，现有的方法和几何形状通常妨碍结构的几何形状内的单元格的所选撑条长度和直径与多孔结构中所需的所得几何特征之间的紧密相关性。
8.制造用于骨向内生长的多孔金属材料的现有方法对孔尺寸分布具有有限的控制，这对骨的向内生长行为产生强烈影响。较好地同时控制最大孔尺寸、最小孔尺寸和孔隙率将允许较好的骨向内生长。增材制造技术在概念上允许在完美控制几何形状的情况下来制备栅格结构，但实际上受限于机器可构建的最小外撑条直径以及任何栅格结构能够自支撑的需要。现有3d打印机的最小撑条直径为大约200-250微米，这意味着许多几何结构必须具有非常大的孔尺寸或非常低的孔隙率。


技术实现要素：

9.根据本公开的一个方面，可植入设备包括被成形为植入患者体内的多孔三维结构。所述多孔三维结构包括多个互连的有机单元格。每个有机单元格包括多个外撑条和多个内部撑条。三个外撑条的相应组相交，以便限定相应多个外节点。每个内部撑条从所述外节点中的一个不同相应外节点延伸，并且所述内部撑条相交，以便限定内部节点。所述多个外节点包括由第一组三个外撑条的交点限定的第一外节点和由第二组三个外撑条的交点限定的第二外节点。沿所述撑条从所述第一外节点到所述第二外节点的最短路径仅包括所述多个外节点中的三个中间外节点。直线假想线延伸穿过所述第一外节点和所述第二外节点，并且所述内部节点从所述直线假想线偏移。
10.在一个示例中，外撑条中的每个外撑条沿其整个长度具有恒定厚度。
11.在另一个示例中，内部撑条中的每个内部撑条沿其整个长度具有恒定厚度。
12.在另一个示例中，外撑条中的至少一个外撑条沿其长度弯曲。
13.在另一个示例中，内部撑条中的至少一个内部撑条沿其长度弯曲。
14.在另一个示例中，全部所述外撑条沿相应长度从相应的一对所述外节点延伸以及延伸至相应的一对所述外节点，并且所述外撑条中的至少一些外撑条的长度彼此不同。
15.在另一个示例中，外撑条中的至少一个外撑条弯曲。
16.在另一个示例中，全部外撑条沿其整个相应长度基本上为直线。
17.在另一个示例中，多个外撑条包括最长外撑条和最短外撑条，最短外撑条的长度不小于最长外撑条的长度的大约60％。
18.在另一个示例中，多个外撑条包括最长外撑条和最短外撑条，最短外撑条的长度不小于最长外撑条的长度的大约1/3。
19.在另一个示例中，内部撑条中的至少一个内部撑条弯曲。
20.在另一个示例中，全部内部撑条沿其整个相应长度基本上为直线。
21.在另一个示例中，可植入设备具有介于约50％和约75％之间的孔隙率。
22.在另一个示例中，可植入设备包括分别由单元格限定的多个孔，其中少于14.3％的孔具有小于0.1mm的孔尺寸。
23.50％的所述孔可具有大约0.2mm至大约0.7mm范围内的孔尺寸。
24.在另一个示例中，所述外撑条配合以限定多个外开口，所述内部撑条与多个所述外撑条配合以形成多个内部开口，所述多孔三维结构限定窗尺寸，所述窗尺寸被定义为定位在所述对应外开口和内开口中的圆的直径，使得分别限定所述外开口和内开口的所述撑条中的每个撑条定位在所述圆的切线上，并且所述可植入设备包括分别由所述单元格限定的多个孔，所述孔限定其相应孔尺寸与其窗尺寸中的任何窗尺寸的比率，所述比率在1.00至2.90的范围内。
25.所述内部节点是相对于所述外节点位于内部的所述多孔三维结构的唯一内部节点。
26.在另一个示例中，全部内部撑条在内部节点处相交。
27.在另一个示例中，可植入设备包括有机菱形三角形偏面体，所述有机菱形三角形偏面体具有大于对应几何菱形三角形偏面体的延展性。
28.在另一个示例中，每个有机单元格通过平面限定第一半部和与所述第一半部分隔
的第二半部，所述平面等分所述有机单元格结构，并且对于所述平面的全部取向，1)所述有机单元格结构的所述第一半部的所述外节点中的至少一些外节点相对于对应外节点重新定位，对应几何单元格结构处于第一取向上，并且2)所述有机单元格结构的所述第二半部的外节点中的至少一些外节点相对于对应外节点重新定位，所述对应几何单元格结构处于不同于所述第一方向的第二方向上。
29.在另一个示例中，整形外科植入物包括多孔三维结构和固体基座，其中多孔三维结构附接到固体基座。
30.根据本公开的另一个方面，可植入设备包括被成形为植入患者体内的多孔三维结构。所述多孔三维结构包括多个互连的有机单元格结构。每个有机单元格结构包括多个外撑条。所述多个外撑条中的至少三个外撑条相交，以便限定相应的多个外节点。外撑条和节点组合以基本上限定几何结构，所述几何结构在几何菱形十二面体的50％内。外撑条沿其整个相应长度具有恒定厚度。外节点包括第一外节点和与第一外节点相对的第二外节点，以便限定第一对相对节点。外节点进一步包括第三外节点和与第三外节点相对的第四外节点，以便限定第二对相对节点。外节点进一步包括第五外节点和与第五外节点相对的第六外节点，以便限定第三对相对节点。全部相对外节点通过多个外节点中的三个中间外节点沿外撑条沿最短路径彼此分隔。第一直线假想线延伸穿过第一外节点和第二外节点，第二直线假想线从第三外节点延伸至第四外节点，并且第三直线假想线从第五外节点延伸至第六外节点。所述第一直线假想线和所述第二直线假想线相对于所述多孔三维结构的选择视图在第一交点处彼此相交，并且所述第三直线假想线在相应第二交点处与所述第一直线假想线相交，所述相应第二交点相对于所述多孔三维结构的所述选择视图从第一交点偏移。
31.在一个示例中，有机单元格结构中的每个有机单元格结构通过平面限定第一半部和与所述第一半部分隔的第二半部，所述平面等分所述有机单元格结构。对于所述平面的全部取向，1)所述有机单元格结构的所述第一半部的所述外节点中的至少一些外节点相对于对应外节点重新定位，对应几何单元格结构处于第一取向上，并且2)所述有机单元格结构的所述第二半部的外节点中的至少一些外节点相对于对应外节点重新定位，所述对应几何单元格结构处于不同于所述第一方向的第二方向上。
32.在另一个示例中，外撑条限定第一几何结构，并且多孔三维结构进一步包括多个内部撑条，所述多个内部撑条与外撑条组合，在第一几何形状内限定多个第二几何结构。
33.在另一个示例中，多个内部撑条由四个内部撑条组成，所述四个内部撑条彼此相交，以便限定内部节点。
34.在另一个示例中，多个内部撑条由八个内部撑条组成，其中全部多个内部撑条与内部撑条中的至少一个其它内部撑条相交。
35.在另一个示例中，可植入设备包括有机菱形十二面体，所述有机菱形十二面体具有大于对应几何菱形十二面体的延展性。
36.根据本公开的又一个方面，可植入设备包括被成形为植入患者体内的多孔三维结构。所述多孔三维结构包括多个互连的单元格。每个单元格包括多个撑条。所述多个撑条中的至少三个撑条相交，以便限定相应的多个节点，并且所述多个撑条中的所述撑条中的至少一个撑条在所述多个节点中的第一节点与所述多个节点中的第二节点之间沿其长度弯曲。
37.在一个示例中，撑条限定彼此相交的三个撑条的组，以便限定第一节点和第二节点。
38.根据另一个方面，多孔三维结构被成形为植入患者体内。所述多孔三维结构包括多个互连的单元格。每个单元格包括多个撑条。所述多个撑条中的至少三个撑条相交，以便限定相应的多个节点，并且所述多个撑条中的所述撑条中的至少一个撑条在所述多个节点中的第一节点与所述多个节点中的第二节点之间沿其长度弯曲。
39.在另一个示例中，整形外科植入物包括多孔三维结构和固体基座，其中多孔三维结构附接到固体基座。
附图说明
40.为了更完整地理解本文所公开的原理及其优点，现在结合附图来参考以下描述，其中：
41.图1为整形外科假体构件的简化正视图；
42.图2为图1的整形外科假体构件的简化透视图；
43.图3为图1-2的整形外科假体构件的多孔结构的单元格的透视图；
44.图4为图3的单元格的一个几何结构的透视图；
45.图5为图3的单元格的另一个几何结构的简化透视图；
46.图6为用于图1-2的整形外科假体构件的多孔结构的单元格的另一个实施方案的透视图；
47.图7为图3的单元格的另一个几何结构的简化透视图；
48.图8示出了根据各种实施方案的各种单元格几何形状的孔隙率百分比相对于撑条长度/直径的图表；
49.图9示出了根据各种实施方案的各种单元格几何形状的孔尺寸和最小孔窗开口尺寸相对于孔隙率百分比的图表；
50.图10示出了根据各种实施方案的窗尺寸与单元格结构的关联性；
51.图11示出了根据各种实施方案的用于制备多孔三维结构的工作流程。
52.图12a为图4的单元格的几何结构的另一个透视图；
53.图12b为相对于图12a中所示的几何结构25％修改的有机结构的透视图；
54.图12c为相对于图12a中所示的几何结构50％修改的有机结构的透视图；
55.图13a为图3的单元格的几何结构的另一个透视图；
56.图13b为相对于图13a中所示的几何结构25％修改的有机结构的透视图，示出了直线外撑条和弯曲外撑条；
57.图13c为图13b的有机结构的透视图，示出了全部直线外撑条；
58.图13d为相对于图13a中所示的几何结构50％修改的有机结构的透视图，示出了直线外撑条和弯曲外撑条；
59.图13e为图13d的有机结构的透视图，示出了全部直线外撑条；
60.图14示出了绘出多孔三维结构的作为孔径的函数的孔百分比的图表，所述多孔三维结构具有图13c中所示的单元格几何形状和大约55％的孔隙率；并且
61.图15示出了绘出多孔三维结构的作为孔径的函数的孔百分比的图表，所述多孔三
维结构具有图13c中所示的单元格几何形状和大约65％的孔隙率。
具体实施方式
62.本说明书描述了本公开的示例性实施方案和应用。然而，本公开不限于这些示例性实施方案和应用，也不限于在本文中操作或描述的示例性实施方案和应用的方式。此外，附图可能显示简化视图或局部视图，并且附图中元件的尺寸可能被放大或以其他方式不是成比例的。此外，在本文中使用术语“在......上”、“附接到......”、“连接到......”、“联接到......”或类似词语时，一个元件(例如，材料、层、基部等)可“在另一个元件上”、“附接到另一个元件”、“连接到另一个元件”或“联接到另一个元件”，而不论一个元件是直接在另一个元件上、附接到另一个元件、连接到另一个元件、还是联接到另一个元件，在一个元件与另一个元件之间存在一个或多个居间元件，或者两个元件被集成为单件。另外，除非上下文另有规定，否则方向(例如，之上、之下、顶部、底部、侧面、向上、向下、下方、上方、上部、下部、水平、竖直、“x”、“y”、“z”等)(如果提供的话)是相对的，并且仅以举例的方式和为了便于说明和讨论而非限制的方式提供。此外，在提及要素列表(例如，要素a、b、c)的情况下，此类提及旨在包括单独所列要素中的任一个、少于所列要素中的全部的任何组合和/或所列要素中的全部的组合。本说明书中的章节划分只是为了便于查看，并不限制所讨论的元素的任何组合。
63.如本文所用，“结合到”或“结合”表示由于多种物理化学机制(包括但不限于金属键合、静电吸引和/或粘合力)而导致的金属与金属的附接。
64.除非另有定义，否则结合本文所述的本教导内容使用的科学和技术术语应具有本领域普通技术人员通常理解的含义。
65.本公开涉及多孔三维金属结构及其针对医学应用的制造方法。如下文更详细的描述，多孔金属结构促进植入患者体内的假体部件与患者的周围硬组织或软组织之间的硬组织或软组织互锁。例如，当包括在被配置成植入患者体内的整形外科假体部件上时，多孔三维金属结构可用于提供整形外科假体部件的多孔外层以形成骨向内生长结构。另选地，多孔三维金属结构可用作具有所需结构完整性的植入物，以实现植入物的预期功能和为与周围组织形成组织互锁(例如骨向内生长)提供互连的孔隙率两者。在各种实施方案中，可用于形成多孔三维金属结构的金属的类型可包括但不限于钛、钛合金、不锈钢、钴铬合金、钽或铌。
66.现在参见图1和图2，其示出了可植入设备诸如整形外科植入物或假体构件100。假体构件100包括基底110、多孔三维结构或层120、以及远离基底110延伸的锥体或杆130。在例示性实施方案中，多孔结构120围绕基底110的一部分和杆130的一部分。应当理解，多孔结构120可被提供为与基底110和/或杆130分隔的层。多孔结构120也可被提供为围绕基底110的全部和/或杆130的全部的涂层。如下文更详细所述，多孔结构包括多个单元格，该多个单元格限定允许骨向内生长的空隙或空间，从而促进假体构件100固定到患者的骨。
67.整形外科植入物100可植入胫骨内。例如，可将杆130插入胫骨内，其中植入物100的凸缘部分140抵靠胫骨的近侧部分。应当理解，本文所述的各种多孔结构可结合到各种整形外科植入物设计中，包括例如类似于美国专利8,470,047中所示的胫骨构件和股骨构件的胫骨假体构件或股骨假体构件，该专利明确地以引用方式并入本文。多孔结构也可包括
在其他整形外科植入物设计中，包括被成形为接合股骨假体构件的髌骨构件以及用于髋关节或肩关节成形术中的假体构件。
68.还应当指出的是，对于上述内容和下述内容，基底110可为能够例如接触本文的各种实施方案的构件、支撑这些构件、连接到这些构件或与这些构件连接在一起、或者锚固到这些构件或与这些构件锚固在一起的任何类型的结构。基底110可包括例如金属托或非金属托、金属基板或非金属基板、安置在托上的金属结构或非金属结构等。可用于形成基底110的金属的类型包括但不限于钛、钛合金、不锈钢、钴铬合金、钽或铌。
69.在例示性实施方案中，杆130包括固体区域150，该固体区域由多孔结构120的多孔区域160涂覆。杆130的固体区域150锚固到基底110并且从多孔结构120向外延伸，使得多孔结构120围绕邻近基底110的杆130的区域。在其他实施方案中，杆130可锚固到多孔结构120。可用于形成杆130的金属的类型包括但不限于钛、钛合金、不锈钢、钴铬合金、钽或铌。
70.现在参见图4，植入物100的多孔结构120包括多个连接的单元格，并且单元格中的至少一些单元格至多全部单元格例示性地具有图4中所示的几何单元格结构200。可用于形成所示单元格结构的金属的类型包括但不限于钛、钛合金、不锈钢、钴铬合金、钽或铌。如图4中所示，每个几何单元结构包括多个撑条208，所述多个撑条包括多个外撑条210。外撑条210组合以限定栅格结构。外撑条210配合以形成几何外结构230。在例示性实施方案中，外几何形状为几何菱形十二面体215。如下文相对于图12a-14c所述，单元格可以包括与几何结构不同的有机结构。在一些示例中，有机结构相对于几何结构来修改。
71.如本文所用，当相对于大小、形状、尺寸、方向、取向等使用时，术语“基本”、“约”、“近似”、类似导入的词及其衍生词包括所陈述的大小、形状、尺寸、方向、取向等以及与典型制造公差(诸如正和负2％)相关联的范围。
72.参考图4，外撑条210进一步彼此相交，以便限定多个外顶点或外节点212。外撑条210中的至少三个外撑条的相应组彼此相交，以便限定相应的多个外节点212。例如，在一个示例中，外节点212中的每个外节点由外撑条210中的三个外撑条的交点限定。因此，外撑条210中的每个外撑条沿相应长度从外节点212的相应第一节点延伸至外节点212的相应第二节点。此外，多个外节点212中的每个外节点在三维空间中具有相对于限定几何菱形十二面体215的节点212的多个外节点212中的剩余外节点212的位置(例如，沿全部彼此垂直取向的x方向、y方向和z方向)。当外撑条210限定几何菱形十二面体215时，撑条210组合以限定十四个外节点212。
73.如图3中所示，撑条208包括多个外撑条210和多个内部撑条220。因此，图3中示出的每个几何单元格结构200包括多个外撑条210和多个内部撑条220，该多个外撑条和多个内部撑条形成第一几何结构230和位于第一几何结构230内的多个第二几何结构240。在例示性实施方案中，第一几何结构230包括多个外撑条210。如上文相对于图4所述，图3的多个外撑条210配合以形成几何菱形十二面体。因此，第一几何结构230限定几何菱形十二面体。内部撑条220彼此相交，以便限定内部节点232。在例示的实施方案中，全部内部撑条220彼此相交，以便限定内部节点232。在例示的实施方案中，内部撑条220彼此相交，以便仅限定单个内部节点232并且没有其它内部节点。植入物100的多孔结构120的连接的单元格中的至少一些单元格至多全部单元格可以具有图3中所示的单元格结构200。因此，单元格结构200仅限定相对于外节点212位于内部的一个单个内部节点232。
74.多个第二几何结构240中的每个第二几何结构具有内部体积250，该内部体积基本上等于其他第二几何结构240的内部体积250。如图5中所示，每个第二几何结构230由多个内部撑条220和多个外撑条210形成。每个第二几何结构230例示性地为几何三方偏方面体。如图3中所示，第一几何结构230内的多个第二几何结构240包括四个几何三方偏方面体，使得单元格结构200为几何菱形三方偏方面体(grtt)。如将从以下描述中理解的，菱形三角形偏面体(rtt)可以被配置为几何rtt(grtt)，并且可另选地被配置为有机rtt(ortt)。
75.应当理解，每个单元格结构可包括其他类型的第二几何结构。例如，如图6中所示，单元格结构300包括多个外撑条310和多个内部撑条320，该多个外撑条和多个内部撑条形成第一几何结构330和位于第一几何结构330内的多个第二几何结构340。在例示性实施方案中，第一几何结构330(类似于第一几何结构230)包括多个外撑条310并且为几何菱形十二面体。外撑条310可以沿其整个相应长度限定恒定厚度。此外，外撑条310可以具有相等的厚度。内部撑条320还可以沿其整个相应长度限定恒定厚度。此外，内部撑条320可以具有相等的厚度。此外，内部撑条320和外撑条310可以具有相等的厚度。另选地，内部撑条320和外撑条310可以具有不同的厚度。在其中外撑条310和内部撑条320是圆柱形的示例中，相应厚度分别限定外撑条310和内部撑条320的直径。
76.如图7中所示，每个第二几何结构340由多个内部撑条320和多个外撑条310形成。每个第二几何结构340例示性地为几何八面体(例如，菱形结构)。如图6中所示，第一几何结构330内的多个第二几何结构340包括六个几何八面体，使得单元格结构300为几何菱形八面体(gro)。
77.在上述多孔三维结构的单元格结构内，每个单元格内的至少一个撑条的长度和直径中的至少一者可被配置成满足单元格结构的预定的或期望的几何特性。在一些示例中，有机结构的每个单元格内的至少一个撑条的长度和直径中的至少一者可以相对于几何结构的对应至少一个撑条来修改。这些几何特性可选自由孔隙率、孔尺寸、最小窗尺寸、以及它们的组合组成的组。有利地发现，单元格结构的某些几何结构(下文所讨论的)可优化这些几何特性中的一个或多个几何特性，以提供较稳固和较均一的几何形状。所得的几何形状提供增强的骨向内生长，同时保持所需的多孔结构稳定性。
78.转到孔隙率，多孔结构120具有介于约50％和约75％之间的孔隙率。如上所讨论的，术语“约”是指与典型制造公差相关联的范围。这样，
[0079]“约50％”的孔隙率可为50％
±
典型制造公差诸如例如2％(即，48％至52％范围)的孔隙率。在其他实施方案中，多孔三维结构的孔隙率介于约20％和约95％之间。在其他实施方案中，孔隙率在约35％和约85％之间的范围内。在几何学上，单元格结构的孔隙率取决于撑条长度(a)相对于撑条直径(d)的比率。例如，图8提供了根据各种实施方案的各种单元格几何形状的孔隙率百分比相对于撑条长度/直径的图表800。如图表800中所示，检验了三个特定的单元格几何形状/结构，即几何菱形十二面体(grd)(参见例如图4)、提供有四个内部撑条的几何菱形十二面体(grd 4)(或几何菱形三方偏方面体)(参见例如图3)和提供有八个内部撑条的几何菱形十二面体(grd 8)(或几何菱形八面体)(参见例如图6)。对于这些结构中的每个结构，若干a/d比率下的孔隙率得自每个单元格结构的设计文件并且每个单元格结构的关系通过将数据拟合成如下形式的四阶多项式公式来进行建模：
[0080]
孔隙率＝a*(a/d)4 b*(a/d)3 c*(a/d)2 d*(a/d) e(1)其中a、b、c、d和e为常数。在
该比较结果中，从每个单元格结构的撑条长度和直径几何地推导出结构尺寸。
[0081]
如在图8的图表800中所观察到的，几何rd结构通常在给定a/d比率下具有较大的孔隙率，这鉴于其相比于几何rd 4结构和几何rd 8结构缺乏内部撑条而为能够预期到的。几何rd结构的孔隙率由线802示出。然而，分别由线804、806示出的几何rd 4结构和几何rd 8结构中的孔隙率的这种降低使得利用它们制成的设计能够在恒定撑条直径(由打印机的构造分辨率固定)下达到几何rd不可能实现的相对较低孔隙率、较小孔尺寸和相对较大窗尺寸的组合，如下文更详细所述。
[0082]
现在参见图9，其提供了根据各种实施方案的各种单元格几何形状/结构的孔尺寸和最小窗尺寸相对于孔隙率百分比的图表900。如图8中一样，检验了三个特定的单元格结构，即菱形十二面体(grd)(参见例如图4)、提供有四个内部撑条的几何菱形十二面体(grd 4)(或几何菱形三方偏方面体)(参见例如图3)和提供有八个内部撑条的几何菱形十二面体(grd 8)(或几何菱形八面体)(参见例如图6)。几何菱形十二面体的孔尺寸例如取为几何菱形十二面体单元格内界定的体积内的球体的当量直径，并且体积通过取撑条长度(a)的几何菱形十二面体的体积并减去几何菱形十二面体内或界定的每个撑条的体积来计算。本文提供用于计算孔尺寸(ps)的公式取决于撑条长度(a)、直径(d)和以小数单位表示的孔隙率(p)。
[0083]
公式如下：
[0084]
对于srd结构：
[0085][0086]
对于srd 4结构：
[0087][0088]
对于srd 8结构：
[0089][0090]
图表900中的线902示出了几何菱形十二面体(srd)的孔尺寸与孔隙率百分比之间的关系。线904示出了几何菱形三方偏方面体(srd 4)的孔尺寸与孔隙率百分比之间的关系，并且线906示出了几何菱形八面体(srd 8)的孔尺寸与孔隙率百分比之间的关系。
[0091]
如在图9的图表900中所观察到的，在较低的孔隙率百分比下，三个结构通常提供类似的所需孔尺寸。然而，随着给定孔隙率百分比的增加(并且假定撑条直径保持基本上相同)，srd结构中的用于适应孔隙率百分比的所需孔尺寸变得显著大于其他结构，这样随着所需孔隙率的增加而使得孔尺寸增加到超过可有效用于骨向内生长的孔尺寸，从而对srd结构施加较严格的要求。换句话讲，随着所需孔隙率百分比的增加，srd结构变得不太有效，这在设计多孔三维结构诸如本文所讨论的多孔三维结构时为值得注意的。
[0092]
现在参见图10，每个单元格结构200具有多个外表面1002，并且外撑条210配合以限定外表面1002中的多个开口1004。单元格结构200的内部撑条220与多个外撑条210配合以形成多个内部开口1006。开口1004、1006中的每个开口的最小窗开口或尺寸可被定义为
定位在对应开口(图10中例示性地为开口1004中的一个开口)中的圆1010的直径1008，使得每个撑条210(或撑条220)定位在圆1010的切线上。撑条的长度和直径由此决定开口1004、1006中的每个开口的尺寸，并且引申而言决定可配合在其中的最大球体的直径。例如，对于给定的撑条长度，随着撑条直径的增加，最小窗开口将减小。
[0093]
这些关联性由以下公式提供，该公式用于计算全部结构(例如，srd、srd 4、srd 8等)的最小窗开口并且生成图9中的线908、910、912：
[0094][0095]
出于图表900的目的，最小窗开口为可配合在每个开口中的最大圆1010的直径。换句话讲，它为内切圆的直径，并且因此取决于撑条长度(a)和直径(d)。该图表示出了各种单元格几何形状的窗尺寸与孔隙率百分比之间的关系。图表900中的线908示出了几何菱形十二面体(grd)的最小窗开口与孔隙率之间的关系。线910示出了几何菱形三方偏方面体(grd 4)的最小窗开口与孔隙率之间的关系，并且线912示出了几何菱形八面体(grd 8)的最小窗开口与孔隙率之间的关系。
[0096]
如在图9中的图表900上所观察到的，在大致全部孔隙率百分比下，每个单元格结构的最小窗开口之间存在大致均一的间隙。因此，对于具有基本上恒定的撑条直径的给定多孔三维结构，无论所需孔隙率百分比如何，srd 8结构将具有比srd 4结构和srd结构更大的最小窗开口，并且srd 8结构和srd 4结构将具有比srd结构更大的最小窗开口，以实现给定的孔隙率百分比。
[0097]
图9中的结果证明，具有内部撑条的结构(即srd 4以及在较小程度上srd 8)优于srd结构。srd 4和srd 8在给定的孔隙率和撑条直径下允许较小的孔尺寸。srd结构似乎具有的任何优点在于随a/d比率变化的孔隙率几乎完全随着所需a/d比率的增加而减小。最后，srd 4结构和srd 8结构(或具有内部撑条的结构)通过相比于srd结构提供孔尺寸与窗尺寸之间的较小差值来提供最均一的结构。
[0098]
在多孔结构120中，单元格的孔尺寸相对于其任何对应的窗尺寸的比率在1.50至1.60的范围内。在其他实施方案中，该比率可在1.00至1.10的范围内。在其他实施方案中，该比率可为1.00至2.90。如图9中所示，相比于图4的srd结构，图3的srtt结构和图6的sro结构的孔尺寸与窗尺寸之间的差值显著较小。因此，srtt结构有利地提供较均一的结构，其中在孔窗尺寸与总体孔尺寸之间具有较小的差值，尤其为在高孔隙率水平下，这通过提供与孔尺寸具有相当比例的窗尺寸来促进骨向内生长。尽管在图9中仅参考srtt，但该结论将适用于包括内部撑条的各种结构，例如具有四倍内部撑条的结构。
[0099]
根据各种实施方案，提供了一种整形外科植入物。植入物可包括具有连接的单元格的栅格的多孔三维结构，如例如图3-5的单元格结构所示。该至少一个单元格可包括多个外撑条。该至少一个单元格还可包括第一几何结构和第二几何结构，该第一几何结构包括多个外撑条，该第二几何结构共用第一几何结构的多个外撑条的子集并且具有不同于第一几何结构的几何形状(参见图3和图6)。此外，第二几何结构中的多个外撑条的子集的至少一部分可相交以形成角度，该角度基本上等于由第一几何结构的多个外撑条的交点形成的角度。
[0100]
如上所讨论的，第一几何结构可为几何菱形十二面体，如例如图4中所示。第二几
何结构可为几何三方偏方面体(参见图5)。可通过将四个撑条插入第一几何结构内来形成几何三方偏方面体，如例如图3中所示。此外，该至少一个单元格可包括位于第一几何结构内的四个几何三方偏方面体结构，如例如图3中所示。
[0101]
在多孔三维结构内，栅格内的至少一个撑条的长度和直径中的至少一者可被配置成满足栅格的预定几何特性。在一个示例中，有机结构的至少一个撑条的长度和直径中的至少一者可以相对于几何结构的至少一个撑条的长度和直径中的至少一者来修改。如上所讨论的，这些几何特性可选自由孔隙率、孔尺寸、最小开口尺寸、以及它们的组合组成的组。例如，孔隙率可介于约20％和约95％之间。孔隙率也可介于约35％和约85％之间。孔隙率也可介于约50％和约75％之间。此外，各个撑条长度可为例如多个撑条的平均撑条长度的约25％至约175％。如将在下文更详细地描述的，上述几何结构中的每个几何结构可以被修改，以便产生有机结构。在一个示例中，几何结构中的每个几何结构的各个外撑条长度也可以被修改为例如几何结构的多个外撑条的平均撑条长度的至多约75％至约125％，以便产生有机结构。在另一个示例中，几何结构中的每个几何结构的各个外撑条长度也可以被修改为例如几何结构的多个外撑条的平均撑条长度的至多约50％至约150％。
[0102]
根据各种实施方案，提供了一种整形外科植入物。植入物可包括具有多个重复单元格的多孔三维结构。每个单元格可包括基底几何结构和第二几何结构，该第二几何结构由基底几何结构的一部分形成并且具有与基底几何结构不同的几何形状。此外，对于给定的多孔三维结构孔隙率，至少一个单元格可具有不同于多孔三维结构的平均几何结构孔尺寸的孔尺寸以及不同于多孔三维结构的平均几何结构窗尺寸的窗尺寸。
[0103]
现在参考图12a-13e，通常，有机单元格结构400可以相对于上述几何单元格结构200来修改。例如，图12a和图13a示出了第一几何结构或外几何结构230。图12b-12c和图13b-13e示出了具有与对应第一几何结构230的节点位置不同的节点位置的第一外结构或有机外结构。在图12a中所示的一个示例中，第一几何结构230被示出为如上所述的几何菱形十二面体215。如图12b-c中所示，有机结构430可以被配置为相对于上述几何菱形十二面体修改的有机菱形十二面体415。例如，有机结构430的节点中的一个或多个节点至多全部节点相对于几何结构230的对应节点重新定位。
[0104]
如图12a中所示，多个外节点212中的每个外节点在三维空间中具有相对于限定几何菱形十二面体215的外节点212的多个外节点212中的剩余外节点212的位置(例如，沿全部彼此垂直取向的x方向、y方向和z方向)。
[0105]
此外，外节点212包括相应的多对相对节点。作为一个示例，外节点212中的第一外节点212a和第二外节点212b限定第一对相对的外节点。一对相对的外节点的节点可以彼此间隔得更远，而不是与任何其它节点间隔得更远。就这一点而言，没有外节点212与第一外节点212a间隔得比第二外节点212b更远。此外，没有外节点212与第二外节点212b间隔得比第一外节点212a更远。另外，一对相对的外节点的节点可以由多个外节点212的三个中间外节点沿外撑条210沿从该对相对外节点的节点以及到该对相对外节点的节点的最短路径彼此间隔。因此，第二外节点212b由多个外节点212的三个中间外节点沿外撑条210沿从第一外节点212a到第二外节点212b的最短路径与第一外节点212a间隔。即，当沿最短路径从第一外节点212a沿外撑条210行进至第二外节点212b时，路径包括三个中间外节点217a、217b和217c(应认识到多个此类最短路径被限定)。
[0106]
外节点212中的第三外节点212c和第四外节点212d限定第二对相对节点。外节点212中的第五外节点212e和第六外节点212f限定第三对相对节点。应认识到，第一直线假想线235延伸穿过第一外节点212a和第二外节点212b。第二直线假想线237延伸穿过第三外节点212c和第四外节点212d。第三直线假想线239延伸穿过第五外节点212e和第六外节点212f。第一直线假想线235、第二直线假想线237和第三直线假想线239在交点241处基本上彼此相交。
[0107]
现在参考图1和图12b，植入物100的多孔结构120的单元格中的至少一些单元格至多全部单元格具有图12b中所示的有机单元格结构400。在一些示例中，有机单元格结构400相对于图4中所示的几何菱形十二面体215来修改。在其它示例中，有机单元格结构400在不借助于先前设计的几何单元格结构200的情况下来设计，诸如上述几何菱形十二面体。因此，如图12b中所示，每个有机单元结构包括多个撑条408，所述多个撑条包括多个外撑条410。外撑条410组合以限定栅格结构。外撑条410配合以形成相对于图4的几何外结构230修改的有机外结构430。在例示性实施方案中，有机外结构430为有机菱形十二面体415。外撑条410可以沿其整个相应长度限定恒定厚度。此外，外撑条410可以具有相等的厚度。内部撑条420还可以沿其整个相应长度限定恒定厚度。此外，内部撑条420可以具有相等的厚度。此外，内部撑条420和外撑条410可以具有相等的厚度。另选地，内部撑条420和外撑条410可以具有不同的厚度。在其中外撑条410和内部撑条420是圆柱形的示例中，相应厚度分别限定外撑条410和内部撑条420的直径。
[0108]
因此，外撑条410彼此相交，以便限定多个外顶点或外节点412。外节点412中的每个外节点由外撑条410中的三个外撑条的交点限定。因此，外撑条410中的每个外撑条沿相应长度从外节点412的相应第一节点延伸至外节点412的相应第二节点。当外撑条410限定有机菱形十二面体415时，撑条410组合以限定十四个外节点412。此外，多个外节点412中的每个外节点在三维空间中具有相对于限定有机菱形十二面体415的节点412的多个外节点412中的剩余外节点412的位置(例如，沿全部彼此垂直取向的x方向、y方向和z方向)。
[0109]
如上所讨论的，有机菱形十二面体415的至少一个外节点412的位置(包括多个外节点412至多全部外节点)与几何菱形十二面体的相应至少一个外节点212不同。参考图12b，外撑条410和外节点412组合以基本上限定几何结构430，所述几何结构在几何菱形十二面体215的25％内。例如，有机菱形十二面体415的至少一个外节点412的位置相对于图12a中所示的几何菱形十二面体215的对应至少一个外节点212的位置修改至多25％。例如，有机菱形十二面体415的多个外节点412的位置相对于几何菱形十二面体215的对应多个外节点212的位置修改至多25％。因此，外撑条410和外节点412组合以基本上限定几何结构，所述几何结构在几何菱形十二面体215的25％内。此外，图12b中所示的有机菱形十二面体415的外节点412中的至少一个外节点至多多个外节点412的位置可以与图12a中所示的几何菱形十二面体215的外节点212中的对应至少一个外节点至多对应多个外节点212的位置相同。本文参考百分比使用的术语“内”包括所述百分比。
[0110]
有机菱形十二面体415的外节点412的位置可以由以下公式表示：
[0111]
修改的位置ni
p％
＝ni p％ f(xi,yi,zi) (6)
[0112]
其中n标识节点，“i”标识几何形状的特定节点，p是表示为几何结构的节点的位置的百分比的位置的变化，并且x、y和z是几何结构的节点“i”的位置坐标。有机结构430的节
点的修改位置可以与几何结构230的对应节点沿x方向、y方向和z方向中的任何一个或多个方向至多全部方向的位置不同。
[0113]
在另一个实施方案中，参考图12c，外撑条410和外节点412组合以基本上限定几何结构430，所述几何结构在几何菱形十二面体215的50％内。例如，有机菱形十二面体415的至少一个外节点412的位置相对于图12a中所示的几何菱形十二面体215的对应至少一个外节点212的位置修改至多50％。例如，有机菱形十二面体415的多个外节点412的位置相对于几何菱形十二面体215的对应多个外节点212的位置修改至多50％。因此，外撑条410和外节点412组合以基本上限定几何结构，所述几何结构在几何菱形十二面体215的50％内并且包括50％。此外，图12c中所示的有机菱形十二面体415的外节点412中的至少一个外节点至多多个外节点412的位置可以与图12a中所示的几何菱形十二面体215的外节点212中的对应至少一个外节点至多对应多个外节点212的位置相同。
[0114]
因此，如图12a-12c中所示，有机菱形十二面体的外节点412中的至少一些外节点相对于几何菱形十二面体215的外节点212重新定位。因此，当包括有机外结构430的第一多孔三维结构叠加到在相同位置和取向处包括几何结构230的第二多孔三维结构上时，第一多孔三维结构的外节点412中的至少一些外节点相对于第二多孔三维结构的节点212中的对应一些节点偏移。在一些示例中，第一多孔三维结构的多个外节点412的其它外节点412与第二多孔三维结构的多个节点212中的对应其它外节点212重合。有机外结构430以其它方式与几何外结构230基本上相同，但是对于重新定位的外节点412以及所得对相应撑条410的变化如现在将描述的。例如，有机外几何形状430和所得多孔三维结构分别具有相等数量的撑条和节点，作为几何外结构230和所得多孔三维结构。
[0115]
已经发现，具有有机结构430的多孔三维结构具有比包括几何外结构230的多孔三维结构的延展性大的延展性。此外，当植入人类解剖结构中时，包括有机外结构430的多孔三维结构具有合适的结构完整性。
[0116]
具体地，由于重新定位的外节点412，有机外结构430的撑条410中的至少一个或多个撑条至多全部撑条具有至少一个几何特性，所述几何特性不同于几何外结构230的对应撑条210。如上所述，几何特性可以包括撑条210的长度、取向和路径类型(例如，直线或弯曲)中的至少一者。例如，部分限定重新定位的外节点412的外撑条410中的至少一个或多个外撑条可比对应几何菱形十二面体的对应外撑条210更长或更短。就这一点而言，外撑条410沿相应长度从相应的一对所述外节点412延伸以及延伸至相应的一对所述外节点412，并且所述外撑条410中的至少一些外撑条的长度彼此不同。例如，也可将各个外撑条410的长度修改为例如多个外撑条410的平均撑条长度的约75％至约125％。
[0117]
此外，外撑条410可沿其长度沿任何合适的路径从由外撑条410限定的相邻节点412延伸以及延伸至由外撑条410限定的相邻节点412。例如，部分地限定重新定位的外节点412的撑条410中的一个或多个撑条可以沿其整个相应长度沿直线和线性路径延伸，并且可以具有与对应几何结构230的外撑条210不同的取向。另选地，部分限定重新定位的外节点412的外撑条410中的至少一个或多个外撑条的至少一部分可以在多个节点中的相应第一外节点412与多个节点中的相应第二外节点412之间沿其长度弯曲。因此，至少一个弯曲撑条410与两对不同的其他撑条410相交，以便限定相应的第一外节点和第二外节点412。在一个示例中，外撑条410的至少一部分沿弯曲路径延伸。另选地或除此之外，外撑条410中的至
少一个或多个外撑条的至少一部分可为成角度的，并且因此弯曲。应当理解，图12b-12c中所示的全部外撑条410可以是直线(参见图13c和图13e)。另选地，全部外撑条410可以弯曲。
[0118]
继续参考图12b，外撑条410包括最长外撑条和最短外撑条。没有外撑条410沿比最长外撑条的路径更长的路径在相应的相邻外节点412之间延伸。相反，没有外撑条410沿比最长外撑条的路径更短的路径在相应的相邻外节点412之间延伸。当有机结构430的外节点412的位置相对于对应几何外结构230的位置修改25％时，最短外撑条410的长度不小于最长外撑条410的长度的大约60％。
[0119]
如图12c中所示，外撑条410包括最长外撑条和最短外撑条。没有外撑条410沿比最长外撑条的路径更长的路径在相应的相邻外节点412之间延伸。相反，没有外撑条410沿比最长外撑条的路径更短的路径在相应的相邻外节点412之间延伸。当外节点412的位置相对于对应几何外结构230的外节点212的位置修改50％时，最短外撑条410的长度不小于最长外撑条410的长度的大约1/3。
[0120]
继续参考图12b-12c，外节点412包括第一外节点412a和与第一外节点412a相对的第二外节点412b，以便限定第一对相对节点。外节点412进一步包括第三外节点412c和与第三外节点412c相对的第四外节点412d，以便限定第二对相对节点。外节点412进一步包括第五外节点412e和与第五外节点412e相对的第六外节点412f，以便限定第三对相对节点。
[0121]
如上文相对于图12a所述，一对相对的外节点412的节点可以彼此间隔得更远，而不是与任何其它节点间隔得更远。就这一点而言，没有外节点412与第一外节点412a间隔得比第二外节点412b更远。此外，没有外节点412与第二外节点412b间隔得比第一外节点412a更远。另外，一对相对的外节点的节点可以由多个外节点412的三个中间外节点沿外撑条410沿从该对相对外节点的节点以及到该对相对外节点的节点的最短路径彼此间隔。因此，第二外节点412b由多个外节点412的三个中间外节点沿外撑条410沿从第一外节点412a到第二外节点412b的最短路径与第一外节点412a间隔。即，当沿最短路径从第一外节点412a沿外撑条410行进至第二外节点412b时，路径包括三个中间外节点417a、417b和417c(其被认识到限定多个此类最短路径)。
[0122]
第一直线假想线419几何延伸第一外节点412a和第二外节点412b。第二直线假想线421延伸穿过第三外节点412c和第四外节点412d。第三直线假想线423延伸穿过第五外节点412e和第六外节点412f。第一直线假想线419和第二直线假想线421相对于多孔三维结构的选择视图在第一交点424a处彼此相交。第三直线423线在第二交点处与第一直线假想线419相交，所述第二交点相对于多孔三维结构的选择视图从第一交点偏移。第三直线假想线423还可以在第三交点处与第二直线假想线421相交，所述第三交点相对于多孔三维结构的选择视图从第一交点和第二交点中的任一者或两者偏移。
[0123]
图12b-12c的有机单元格结构400可以相对于几何单元格结构200来修改，使得有机单元格结构400的外节点412在任何合适的方向上相对于几何单元格结构200的对应外节点212重新定位。因此，有机单元格结构400的第一半部的外节点412可以在第一方向上相对于几何单元格结构200的对应外节点212重新定位。有机单元格结构400的第二半部的外节点412可以在不同于第一方向的第二方向上相对于几何单元格结构200的对应外节点212重新定位。第一方向和第二方向可以彼此相对，彼此垂直，或者彼此倾斜。有机单元格结构400的第一半部和第二半部通过等分有机单元格结构400的平面彼此分隔。因此，在一些示例
中，无论平面的取向如何(即，对于平面的全部取向)，情况是有机单元格结构400的第一半部的至少一些外节点412或全部外节点412相对于几何单元格结构200的对应外节点212在不同方向上重新定位，并且有机单元格结构400的第二半部的至少一些外节点412或全部外节点412相对于几何单元格结构200的对应外节点212在不同方向上重新定位。
[0124]
现在参考图13a，并且如上文相对于图3所述，撑条208包括限定第一几何结构230的多个外撑条210。撑条208进一步包括多个内部撑条220，所述多个内部撑条与外撑条210组合形成位于第一几何结构230内的多个第二几何结构240。在例示性实施方案中，第一几何结构230包括多个外撑条210。如上所述，图3的多个外撑条210配合以形成几何菱形十二面体。因此，第一几何结构230限定几何菱形十二面体。内部撑条220彼此相交，以便限定内部节点232。具体地，全部内部撑条220彼此相交，以限定内部节点232。此外，内部撑条220中的每个内部撑条从相应外节点212延伸至内部节点232。在例示的实施方案中，内部撑条220彼此相交，以便仅限定单个内部节点232并且没有其它内部节点。因此，几何单元格200仅限定相对于外节点212位于内部的一个单个内部节点232。
[0125]
外撑条210可以沿其整个相应长度限定恒定厚度。此外，外撑条210可以具有相等的厚度。内部撑条220还可以沿其整个相应长度限定恒定厚度。此外，内部撑条220可以具有相等的厚度。此外，内部撑条220和外撑条210可以具有相等的厚度。另选地，内部撑条220和外撑条210可以具有不同的厚度。在其中外撑条210和内部撑条220是圆柱形的示例中，相应厚度分别限定外撑条210和内部撑条220的直径。
[0126]
如图13a中所示，多个第二几何结构240中的每个第二几何结构具有内部体积，该内部体积基本上等于其他第二几何结构240的内部体积。每个第二几何结构230由多个内部撑条220和多个外撑条210形成。每个第二几何结构230例示性地为几何三方偏方面体。如图3中所示，第一几何结构230内的多个第二几何结构240包括四个几何三方偏方面体，使得单元格结构200为几何菱形三方偏方面体(grtt)。
[0127]
第一几何结构230包括如上文相对于图12a所述的第一、第二和第三对外节点212。因此，第一直线假想线235延伸穿过第一外节点212a和第二外节点212b。第二直线假想线237延伸穿过第三外节点212c和第四外节点212d。第三直线假想线239延伸穿过第五外节点212e和第六外节点212f。第一直线假想线235、第二直线假想线237和第三直线假想线239在内部节点232处基本上彼此相交。
[0128]
参考图13b-13c，有机菱形十二面体415的给定外节点412的位置相对于如上所述的几何菱形十二面体215的对应外节点212的位置修改至多25％。在图13d-13e中所示的另一个实施方案中，有机菱形十二面体415的给定外节点412的位置相对于如上所述的几何菱形十二面体215的对应外节点212的位置修改至多50％。此外，在图13b和图13c两者中，第一有机结构430的撑条408可以包括多个内部撑条420，所述多个内部撑条与外撑条410组合，形成位于第一有机结构430内的多个第二有机结构440。内部撑条420彼此相交，以便在内部撑条的交点处限定内部节点432。具体地，在例示性实施方案中，全部内部撑条420彼此相交，以限定内部节点432。此外，内部撑条420中的每个内部撑条从多个外节点412中的相应不同外节点延伸至内部节点432。在例示的实施方案中，内部撑条420彼此相交，以便仅限定单个内部节点432并且没有其它内部节点。因此，单元格结构400仅限定相对于外节点412位于内部的一个单个内部节点432。
[0129]
在例示性实施方案中，第一有机结构430包括多个外撑条410。如上所述，多个外撑条410配合以形成有机菱形十二面体。每个第二有机结构440例示性地为有机三方偏方面体。有机第一结构430内的多个有机第二结构440包括四个有机三角形偏面体，使得单元格结构400是有机菱形三角形偏面体(ortt)。有机三角形偏面体相对于上述几何三角形偏面体来修改。例如，内部节点432中的至少一个内部节点和外节点412中的至少一个外节点(包括多个外节点412至多全部外节点412)分别相对于上述几何三角形偏面体的所述内部节点中的对应至少一个内部节点和所述外节点中的至少一个外节点(包括多个外节点至多全部外节点)重新定位。因此，应当理解，所得有机菱形三角形偏面体相对于上述几何菱形三角形偏面体来修改。例如，内部节点432中的至少一个内部节点和外节点412中的至少一个外节点(包括多个外节点412至多全部外节点412)分别相对于上述几何菱形三角形偏面体的所述内部节点中的对应至少一个内部节点和所述外节点中的至少一个外节点(包括多个外节点至多全部外节点)重新定位。
[0130]
每个第二有机结构440由多个内部撑条420和多个外撑条410形成。每个第二有机结构440例示性地为有机三方偏方面体。如上所述，有机结构430的外节点412中的至少一个或多个外节点至多全部外节点412的位置相对于第二几何结构240的外节点212来修改。此外，第二有机结构440的内部节点432的位置相对于第二几何结构240的内部节点232的位置来修改。在图13b-13c中所示的一个例示性实施方案中，内部节点432中的至少一个内部节点和外节点412中的至少一个外节点的位置相对于如图3b-3c中所示的内部节点232的位置修改至多25％。在图13d-13e中所示的另一个例示性实施方案中，内部节点432中的至少一个内部节点和外节点412中的至少一个外节点的位置相对于如图3b-3c中所示的内部节点232的位置修改至多50％。如上文相对于图13b-13c所述，第一有机结构430、图13d-13e的第二有机结构440的内部撑条420彼此相交，以便仅限定单个内部节点432并且不限定其它内部节点。因此，单元格结构400仅限定相对于外节点412位于内部的一个单个内部节点432。
[0131]
继续参考图13b-13e，第一有机结构430包括如上文相对于图12b-12c所述的第一、第二和第三对外节点412。因此，第一直线假想线419延伸穿过第一外节点412a和第二外节点412b。第二直线假想线421延伸穿过第三外节点412c和第四外节点412d。第三直线假想线423延伸穿过第五外节点412e和第六外节点412f。第一直线假想线419、第二直线假想线421和第三直线假想线423中的至少一者或多者至多全部从内部节点232偏移。
[0132]
图13b-13e的有机单元格结构400可以相对于几何单元格结构200来修改，使得有机单元格结构400的外节点412在任何合适的方向上相对于几何单元格结构200的对应外节点212重新定位。因此，有机单元格结构400的第一半部的外节点412可以在不同方向上相对于几何单元格结构200的对应外节点212重新定位。类似地，有机单元格结构400的第二半部的外节点412可以在不同方向上相对于几何单元格结构200的对应外节点212重新定位。有机单元格结构400的第一半部和第二半部通过等分有机单元格结构400的平面彼此分隔，并且内部节点432位于平面上。因此，在一些示例中，无论平面的取向如何(即，对于平面的全部取向)，情况是有机单元格结构400的第一半部的至少一些外节点412或全部外节点412相对于几何单元格结构200的对应外节点212在不同方向上重新定位，并且有机单元格结构400的第二半部的至少一些外节点412或全部外节点412相对于几何单元格结构200的对应外节点212在不同方向上重新定位。
[0133]
由于重新定位有机结构430的至少一个节点，有机结构430的至少一个或多个内部撑条420至多全部内部撑条420具有与几何结构230的对应内部撑条220不同的至少一个特性。特性可以包括内部撑条420的长度、取向和路径类型(例如，直线或弯曲)中的至少一者。例如，部分限定重新定位的内部节点432的内部撑条420中的至少一个或多个内部撑条可比对应几何结构230的对应内部撑条220更长或更短。就这一点而言，内部撑条420沿相应长度从相应外节点412延伸至内部节点432，并且内部撑条420中的至少一些内部撑条的长度彼此不同。有机外结构430的至少一个或多个外撑条410至多全部外撑条410还具有至少一个几何特性，如上文相对于图12b-c所述，所述几何特性不同于几何外结构230的对应撑条210。
[0134]
此外，图13b-13e中所示的内部撑条420可以沿其长度沿任何合适的路径从相应外节点412延伸至内部节点432。例如，第二有机结构440的内部撑条420中的一个或多个内部撑条可以沿其整个相应长度沿直线和线性路径延伸，并且可以具有与第二几何结构240的对应内部撑条220不同的取向。应当理解，图13b-13e中所示的全部内部撑条420可以沿相应的直线路径从相应外节点412延伸至内部节点432。另选地，至少一个或多个内部撑条420至多全部内部撑条420的至少一部分可以是沿其长度从相应外节点412到内部节点432的弯曲内部撑条。在一个示例中，内部撑条420的至少一部分可以沿弯曲路径延伸。另选地或除此之外，内部撑条420中的至少一个或多个内部撑条的至少一部分可为成角度的，并且因此弯曲。另选地，全部内部撑条420可以弯曲。
[0135]
已经发现，具有第一有机结构430和第二有机结构440的多孔三维结构具有比包括第一几何结构230和第二几何结构240的多孔三维结构的延展性大的延展性。此外，当植入人类解剖结构中时，包括第一有机结构430和第二有机结构440的多孔三维结构具有合适的结构完整性。
[0136]
应当理解，每个单元格结构可包括其他类型的第二有机结构。例如，有机单元格结构可以包括多个外撑条410，所述外撑条限定如上所述的第一有机结构430。修改的单元格结构可以进一步包括多个内部撑条420，所述多个内部撑条与外撑条410组合，限定多个有机第二结构或内结构。有机内结构中的每个有机内结构可以被配置为修改的八面体。因此，在一个示例中，有机单元格结构可以包括八个内部撑条420，如上文相对于图6所述。因此，位于第一有机结构内的多个第二有机结构可以包括六个几何八面体，使得有机单元格结构是修改的菱形八面体或有机菱形八面体，由此第一有机结构的节点中的至少一些节点和第二有机结构的至少一些节点的位置相对于第一几何结构的节点和第二几何结构的节点来重新定位。
[0137]
在一个实施方案中，具有有机外结构430和有机内结构440的多孔三维结构具有约50％至约75％的孔隙率。例如，具有有机外结构430和有机内结构440的多孔三维结构可以具有约55％至约65％的孔隙率。此外，如上文相对于几何外结构230和几何内部结构240所述，外撑条410和内部撑条420在有机多孔三维结构中限定多个开口，所述多个开口中的每个开口具有窗尺寸，并且每个有机结构430和440的内部体积具有孔尺寸。如上所述，孔尺寸可以被视为在具有有机结构430的单元格内界定的体积内的球体的当量直径。
[0138]
参考图14，包括图13c的单元格的多孔三维结构的孔的百分比(例如，其中全部撑条410和420为直线和线性的ortt)，其中多孔三维结构具有约55％的孔隙率，并且节点的位
置相对于grtt修改25％。如图所示，具有小于0.1mm孔径的三维结构的孔的百分比小于约14.3％。例如，少于约2％的孔具有小于0.1mm的孔尺寸。此外，图14示出三维结构的大约50％的孔具有大于0.2mm的孔径。例如，三维结构的大约50％的孔具有介于大约0.2mm和大约0.36mm之间的孔径。
[0139]
参考图15，包括图13c的单元格的多孔三维结构的孔的百分比(例如，其中全部撑条410和420为直线和线性的ortt)，其中多孔三维结构具有约65％的孔隙率，并且节点中的至少一个节点的位置相对于grtt修改25％。如上文相对于图14所述，具有小于0.1mm孔径的三维结构的孔的百分比小于约14.3％。例如，少于约1.5％的孔具有如图15中所示的小于0.1mm的孔尺寸。此外，图15示出了三维结构的大约50％的孔具有大于0.3mm的孔径。例如，三维结构的大约50％的孔具有介于大约0.3mm与大约0.7mm之间的孔径。具体地，三维结构的大约50％的孔具有介于大约0.3mm与大约0.5mm之间的孔径。可以进一步从图14-15确定，具有ortt单元格的三维结构的大约50％的孔可以具有在大约0.2mm至大约0.7mm范围内的孔径。例如，具有ortt单元格的三维结构的大约50％的孔可以具有在大约0.2mm至大约0.5mm范围内的孔径。
[0140]
此外，如上文相对于几何结构所述，有机结构的孔尺寸与多孔三维结构的有机结构的每个开口的窗尺寸的比率可以在1.00至2.90的范围内。在一些示例中认识到，至少90％的有机结构具有在1.00至2.90范围内的孔尺寸与每个开口的窗尺寸的比率。例如，如上文相对于几何结构所述，在一个实施方案中，每个有机结构的孔尺寸与有机结构的每个开口的窗尺寸的比率在1.00至1.10的范围内。在一些示例中认识到，至少90％的有机结构具有在1.00至2.90范围内的孔尺寸与每个开口的窗尺寸的比率。在另一个示例中，如上文相对于具有几何单元格的多孔三维结构所述，有机单元格的孔尺寸与其对应窗尺寸中的任一者的比率在1.50至1.60的范围内。在一些示例中认识到，至少90％的有机单元格可以具有在1.50至2.60范围内的孔尺寸与其对应窗尺寸中的任何窗尺寸的比率。
[0141]
再次参考图12a-13e，通常提供用于设计本文所述的单元格的方法，该方法具有被配置成在植入人体时促进骨向内生长的第一多孔有机三维结构和第二多孔有机三维结构中的一者或两者。所述方法可以包括将修改因子应用于第一几何单元格设计的步骤。第一几何单元格设计包括多个第一撑条或外撑条210，诸如彼此相交的三个外撑条210，以便限定多个第一节点或外节点212，其中第一撑条210中的每个撑条具有相应的第一长度，并且第一节点212相对于彼此限定第一相对位置。在一个实施方案中，第一撑条210的相应第一长度全部基本上彼此相等。在另一个实施方案中，第一撑条中的一些撑条的相应第一长度不同于第一撑条210中的至少一些其它撑条的相应第一长度。第一单元格设计可以上述方式提供。以上述方式的修饰因子可为至多50％，诸如至多25％。在一个示例中，应用步骤可以使用可商购自在比利时鲁汶市(leuven,belgium)具有营业地点的materialise的3-matic软件包来执行。
[0142]
应用步骤产生具有彼此相交的多个第二撑条或外撑条410的第二单元格设计，以便限定多个第二节点或外节点412。外节点412的数量等于外节点212的数量，并且外撑条410的数量等于外撑条210的数量。外撑条410中的每个外撑条具有相应的第一长度，并且外节点412限定相对于彼此的第二相对位置，所述第二相对位置不同于第一相对位置。外撑条410中的至少一些外撑条的相应第一长度不同于外撑条410中的至少一些其它外撑条的相
应第一长度。此外，外撑条410中的至少一些外撑条的相应第一长度不同于对应外撑条210中的至少一些外撑条的相应第一长度。另选地，有机三维结构430和440可以分别在不借助于先前设计的几何结构230和240的情况下来设计。应认识到，制造公差可以导致不同的撑条长度。然而，如本文所述的不同撑条长度是指制造公差之外的不同长度。
[0143]
一旦产生了第二单元格设计，就可以生成制造指令以制作包括多个互连单元格的多孔三维结构，所述多个互连单元格各自具有第二单元格设计。多孔三维结构可以在现场制造。另选地，可以将制造指令发送到第三方制造商以制作多孔三维结构。
[0144]
根据各种实施方案，提供了一种整形外科植入物。植入物可包括具有多个单元格的多孔三维结构。每个单元格可包括外几何结构，该外几何结构具有第一几何形状并且包括多个第一撑条。每个单元格还可包括内部几何结构，该内部几何结构具有第二几何形状并且还包括多个第二撑条，该多个第二撑条连接到多个第一撑条的一部分以在外几何结构内形成内部几何结构。
[0145]
根据各种实施方案，外几何结构可为菱形十二面体。内部几何结构可为三方偏方面体。可通过将四个撑条插入外几何结构内来形成三方偏方面体。此外，该至少一个单元格可包括位于外几何结构内的四个三方偏方面体几何结构。
[0146]
如上所述，整形外科植入物可以包括多孔三维结构，所述多孔三维结构包括具有单元格结构的多个重复单元格。单元格结构可以限定几何结构或有机几何结构。因此，应认识到，多孔三维结构可以包括限定相应第一几何结构或有机结构的多个组的外撑条。此外，单元格结构中的一些单元格结构可以被整形外科植入物的多孔三维结构的其它单元格结构包围或者以其它方式相对于整形外科植入物的多孔三维结构的其它单元格结构向内设置。因此，当组合单元格结构以限定多孔三维结构时，某些单元格结构的外撑条可以限定相邻单元格结构的外撑条。此外，当单元格结构包括限定第二几何结构或有机结构的内撑条时，认识到某些单元格结构的内撑条可以限定相邻单元格结构的外撑条。相反，某些单元格结构的外撑条可以限定相邻单元格结构的内部撑条。因此，整形外科植入物的多孔三维结构中的撑条的任何合适的组合可以限定本文所述类型的外撑条，而不管是否存在从外撑条向外设置或从外撑条延伸的其他撑条。类似地，整形外科植入物的多孔三维结构中的撑条的任何合适的组合可以限定本文所述类型的内撑条，所述内撑条从相应外撑条延伸至内节点。在一些示例中，单元格结构可以由限定外节点的外撑条组成或者基本上由其组成。在其它示例中，单元格结构可以由限定外节点的外撑条和限定内节点的内撑条组成或者基本上由其组成。
[0147]
制造工艺
[0148]
上文公开的多孔三维金属结构可以使用多种不同的增材制造技术而制成。例如，根据各种实施方案，一种用于产生多孔三维结构120的方法包括利用射束沉积和扫描连续的金属粉末层。光束(或扫描光束)可为电子束。光束(或扫描光束)可为激光束。
[0149]
就本文所述的各种方法而言，可烧结金属粉末以形成多孔三维结构。另选地，金属粉末可被熔融以形成多孔三维结构。可将连续的金属粉末层沉积到固体基底上(参见上文关于基底的讨论)。在各种实施方案中，可使用的金属粉末的类型包括但不限于钛、钛合金、不锈钢、钴铬合金、钽或铌粉末。
[0150]
就本文所述的各种方法而言，几何特性可选自由孔隙率、孔尺寸、最小开口尺寸、
以及它们的组合组成的组。孔隙率可介于约20％和约95％之间。孔隙率也可介于约40％和约80％之间。孔隙率也可介于约50％和约75％之间。此外，可将撑条长度修改为多个撑条的平均撑条长度的约25％至约175％。也可将各个外撑条长度修改为例如多个外撑条的平均撑条长度的约50％至约150％。也可将各个外撑条长度修改为例如多个外撑条的平均撑条长度的约75％至约125％。此外，单元格可具有小于第一几何结构孔尺寸的孔尺寸。此外，单元格的窗尺寸可大于多个第二几何结构中的每个第二几何结构的窗尺寸。
[0151]
就所述的各种方法而言，第一几何结构可为菱形十二面体。第二几何结构中的每个第二几何结构可为三方偏方面体。可通过将四个撑条插入第一几何结构内来形成三方偏方面体。此外，该至少一个单元格可包括位于第一几何结构内的四个三方偏方面体几何结构。
[0152]
在各种实施方案中，提供了一种用于制备多孔三维结构的方法，该方法包括将金属粒子流以预定速度施加到基底上以形成多孔三维结构，该多孔三维结构包括多个单元格并且具有预定的几何特性，每个单元格包括多个外撑条和多个内部撑条。每个单元格可包括第一几何结构和多个第二几何结构，该第一几何结构包括多个外撑条，该多个第二几何结构由第一几何结构内的多个内部撑条形成。在各种实施方案中，可使用的金属粒子的类型包括但不限于钛、钛合金、不锈钢、钴铬合金、钽或铌粒子。
[0153]
预定速度可为在嵌插基部时金属粒子粘结所需的临界速度。临界速度大于340m/s。
[0154]
该方法还可包括将预定功率设置的激光施加到其中金属粒子流正冲击的基底的区域上。
[0155]
第一几何结构可为菱形十二面体。在一些实施方案中，第二几何结构中的每个第二几何结构可为三方偏方面体。即，可通过将四个撑条插入第一几何结构内来形成四个三方偏方面体。在一些实施方案中，可例如通过将八个内部撑条插入第一几何结构内来形成八面体。在这种情况下，可在第一几何结构内提供六个八面体几何结构。
[0156]
根据各种实施方案，提供了一种用于制备多孔三维结构的方法，该方法包括将金属丝的连续进料引入到基底表面上并且将预定功率设置的射束施加到其中金属丝接触基底表面的区域以形成包括多个单元格且具有预定几何特性的多孔三维结构。每个单元格可包括多个外撑条和多个内部撑条，每个单元格包括第一几何结构和多个第二几何结构，该第一几何结构包括多个外撑条，该多个第二几何结构由第一几何结构内的多个内部撑条形成。光束(或扫描光束)可为电子束。光束(或扫描光束)可为激光束。在各种实施方案中，可使用的金属线材的类型包括但不限于钛、钛合金、不锈钢、钴铬合金、钽或铌线材。
[0157]
第一几何结构可为菱形十二面体。在一些实施方案中，第二几何结构中的每个第二几何结构可为三方偏方面体。即，可通过将四个撑条插入第一几何结构内来形成四个三方偏方面体。在一些实施方案中，可例如通过将八个内部撑条插入第一几何结构内来形成八面体。即，可在第一几何结构内提供六个八面体几何结构。
[0158]
根据各种实施方案，提供了一种用于制备多孔三维结构的方法，该方法包括将嵌入有金属元素的聚合物材料的连续进料引入到基底表面上。该方法还可包括将热施加到其中聚合物材料接触基底表面的区域以形成包括多个单元格并且具有预定几何特性的多孔三维结构。每个单元格可包括多个外撑条和多个内部撑条。每个单元格包括第一几何结构
和多个第二几何结构，该第一几何结构包括多个外撑条，该多个第二几何结构由多个外撑条和第一几何结构内的多个内部撑条形成。金属元件可为金属粉末。在各种实施方案中，可通过加热喷嘴来供应聚合物材料的连续进料，从而无需加热其中聚合物材料接触基底表面的区域来形成多孔三维结构。在各种实施方案中，可用于嵌入聚合物材料的金属元素的类型可包括但不限于钛、钛合金、不锈钢、钴铬合金、钽或铌。
[0159]
该方法还可包括利用射束扫描多孔三维结构以烧掉聚合物材料。光束(或扫描光束)可为电子束。光束(或扫描光束)可为激光束。
[0160]
第一几何结构可为菱形十二面体。在各种实施方案中，第二几何结构中的每个第二几何结构可为三方偏方面体。即，可通过将四个撑条插入第一几何结构内来形成四个三方偏方面体。在各种实施方案中，可例如通过将八个内部撑条插入第一几何结构内来形成八面体。即，可在第一几何结构内提供六个八面体几何结构。
[0161]
根据各种实施方案，提供了一种用于制备多孔三维结构的方法，该方法包括通过喷嘴将金属浆料引到基底表面上以形成包括多个单元格并且具有预定几何特性的多孔三维结构。每个单元格可包括多个外撑条和多个内部撑条。每个单元格可包括第一几何结构和多个第二几何结构，该第一几何结构包括多个外撑条，该多个第二几何结构由多个外撑条和第一几何结构内的多个内部撑条形成。在各种实施方案中，喷嘴以将金属浆料的金属元素粘结到基底表面所需的温度进行加热。在各种实施方案中，金属浆料为水性悬浮液，该水性悬浮液包含金属粒子以及一种或多种添加剂(液体或固体)以改善制造工艺或多孔三维结构的性能。在各种实施方案中，金属浆料为有机溶剂悬浮液，该有机溶剂悬浮液包含金属粒子以及一种或多种添加剂(液体或固体)以改善制造工艺或多孔三维结构的性能。在各种实施方案中，可在金属浆料中使用的金属粒子的类型包括但不限于钛、钛合金、不锈钢、钴铬合金、钽或铌粒子。
[0162]
第一几何结构可为菱形十二面体。在一些实施方案中，第二几何结构中的每个第二几何结构可为三方偏方面体。即，可通过将四个撑条插入第一几何结构内来形成四个三方偏方面体。在各种实施方案中，可例如通过将八个内部撑条插入第一几何结构内来形成八面体。即，可在第一几何结构内提供六个八面体几何结构。
[0163]
根据各种实施方案，提供了一种用于制备多孔三维结构的方法，该方法包括将连续的熔融金属层引入到基底表面上以形成包括多个单元格并且具有预定几何特性的多孔三维结构。每个单元格可包括多个外撑条和多个内部撑条。每个单元格可包括第一几何结构和多个第二几何结构，该第一几何结构包括多个外撑条，该多个第二几何结构由多个外撑条和第一几何结构内的多个内部撑条形成。此外，可将熔融金属以连续流引入到基底表面上。也可将熔融金属以离散熔融金属小滴的流引入到基底表面上。在各种实施方案中，可使用的熔融金属的类型包括但不限于钛、钛合金、不锈钢、钴铬合金、钽或铌。
[0164]
第一几何结构可为菱形十二面体。在各种实施方案中，第二几何结构中的每个第二几何结构可为三方偏方面体。即，可通过将四个撑条插入第一几何结构内来形成四个三方偏方面体。在各种实施方案中，可例如通过将八个内部撑条插入第一几何结构内来形成八面体。即，可在第一几何结构内提供六个八面体几何结构。
[0165]
根据各种实施方案，提供了一种用于制备多孔三维结构的方法，该方法包括将嵌入有金属元素的连续的光敏聚合物层施加到基底表面上并且进行光活化以形成包括多个
单元格并且具有预定几何特性的多孔三维结构。每个单元格可包括多个外撑条和多个内部撑条。每个单元格可包括第一几何结构和多个第二几何结构，该第一几何结构包括多个外撑条，该多个第二几何结构由多个外撑条和第一几何结构内的多个内部撑条形成。在各种实施方案中，可用于嵌入聚合物材料的金属元素的类型可包括但不限于钛、钛合金、不锈钢、钴铬合金、钽或铌。
[0166]
第一几何结构可为菱形十二面体。在一些实施方案中，第二几何结构中的每个第二几何结构可为三方偏方面体。即，可通过将四个撑条插入第一几何结构内来形成四个三方偏方面体。在一些实施方案中，可例如通过将八个内部撑条插入第一几何结构内来形成八面体。即，可在第一几何结构内提供六个八面体几何结构。
[0167]
根据各种实施方案，提供了一种用于制备多孔三维结构的方法，该方法包括利用粘结剂材料沉积和粘结连续的金属粉末层以形成包括多个单元格并且具有预定几何特性的多孔三维结构。每个单元格可包括多个外撑条和多个内部撑条。每个单元格可包括第一几何结构和多个第二几何结构，该第一几何结构包括多个外撑条，该多个第二几何结构由多个外撑条和第一几何结构内的多个内部撑条形成。在各种实施方案中，可使用的金属粉末的类型包括但不限于钛、钛合金、不锈钢、钴铬合金、钽或铌粉末。
[0168]
该方法还可包括利用射束烧结粘结的金属粉末。光束(或扫描光束)可为电子束。光束(或扫描光束)可为激光束。
[0169]
该方法还可包括利用射束熔融粘结的金属粉末。光束(或扫描光束)可为电子束。光束(或扫描光束)可为激光束。
[0170]
第一几何结构可为菱形十二面体。在一些实施方案中，第二几何结构中的每个第二几何结构可为三方偏方面体。即，可通过将四个撑条插入第一几何结构内来形成四个三方偏方面体。在一些实施方案中，也可例如通过将八个内部撑条插入第一几何结构内来形成八面体。即，可在第一几何结构内提供六个八面体几何结构。
[0171]
根据各种实施方案，提供了一种用于制备多孔三维结构的方法，该方法包括将金属材料的小滴沉积到基底表面上并且将热施加到其中金属材料接触基底表面的区域以形成包括多个单元格并且具有预定几何特性的多孔三维结构。每个单元格可包括多个外撑条和多个内部撑条。每个单元格可包括第一几何结构和多个第二几何结构，该第一几何结构包括多个外撑条，该多个第二几何结构由多个外撑条和第一几何结构内的多个内部撑条形成。光束(或扫描光束)可为电子束。光束(或扫描光束)可为激光束。在各种实施方案中，可使用的金属材料的类型包括但不限于钛、钛合金、不锈钢、钴铬合金、钽或铌。
[0172]
沉积的金属材料小滴可为嵌入有金属元素的金属浆料。金属材料可为金属粉末。
[0173]
第一几何结构可为菱形十二面体。在一些实施方案中，第二几何结构中的每个第二几何结构可为三方偏方面体。即，可通过将四个撑条插入第一几何结构内来形成四个三方偏方面体。在一些实施方案中，可例如通过将八个内部撑条插入第一几何结构内来形成八面体。即，可在第一几何结构内提供六个八面体几何结构。
[0174]
虽然在本说明书中已经描述了具体实施方案及其应用，但这些实施方案和应用仅是示例性的，并且许多变型是可能的。
[0175]
虽然结合各种实施方案描述了本教导内容，但并不旨在将本教导内容限于此类实施方案。相反，本教导内容涵盖各种另选形式、修改形式和等同形式，如本领域的技术人员
将理解的那样。
[0176]
此外，在描述各种实施方案时，本说明书可能将方法和/或过程呈现为特定步骤顺序。然而，在该方法或过程不依赖于本文示出的特定步骤顺序的程度下，该方法或过程不应限于所述的特定步骤顺序。本领域的普通技术人员将会知道，其他步骤顺序也是可能的。因此，本说明书中示出的特定步骤顺序不应理解为对权利要求书的限制。此外，涉及该方法和/或过程的权利要求不应限于以书写的顺序执行其步骤，并且本领域的技术人员可容易地认识到这些顺序可以变化并仍保持在各种实施方案的实质和范围内。