CN106521216A - 一种生物多孔镁合金的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种生物多孔镁合金的制备方法，包括以下步骤：S1、根据所需制备的多孔镁合金的尺寸数据，建立几何模型及加工轨迹；S2、对镁合金块体进行表面处理；S3、设定激光器激光加工参数；S4、激光器按照S1设定的加工轨迹对镁合金块体进行表面加工，得到镁合金块体一个方向上所需的多孔；S5、将镁合金块体旋转90°，重复步骤S4，直至镁合金块体上各个方向的多孔均完成；S6、对步骤S5所得多孔镁合金进行干燥处理并储存。本发明采用激光直接熔化镁合金，从而制得生物多孔镁合金，摒弃传统利用粉末添加造孔剂进行烧结或气相沉积的方法，解决了镁合金废料回收再利用的问题，同时也解决了传统方法制备带来的环境污染和有害物质残留的问题。

Description

一种生物多孔镁合金的制备方法

技术领域

本发明涉及生物材料制备技术领域，具体涉及一种生物多孔镁合金的制备方法。

背景技术

随着社会经济的迅猛发展，交通事故、工伤及各种意外事故所致的骨折越来越多，损伤能量也越来越高。为了取得满意的复位和有效的固定，减少骨折所致的致残率，最大限度的恢复肢体的功能，切开或闭合复位内固定手术成为治疗骨折的重要方法，在临床上应用越来越广泛。为了配合手术，采用金属内固定材料作为置入物，这些金属内固定材料可以协助修复和替换已经患病或受损的骨组织，扮演着举足轻重和不可替代的作用。

常用的骨科置入物采用材料包括不锈钢、钛、钴-铬合金等。但是，这些金属生物材料在腐蚀或磨损过程中，会释放有毒金属离子和/或颗粒，引起炎症级联反应、降低生物相容性，使得骨溶解，从而导致置入物失败。而且这些金属生物材料的弹性模量与天然骨组织不能很好匹配，形成应力遮挡效应，抑制了新骨形成和重建，降低了置入物的稳定性。若在体内永久存在，则需通过二次手术去除，增加了患者的痛苦及医疗费用。另外，其降解速度难以控制，降解产物易引起无菌性炎症。

镁是一种轻金属，密度约为1.74g/cm3(密度仅为铝合金的2/3，钢的1/4)，抗断裂韧性比陶瓷大的多，与其他常用的金属置入物相比，弹性模量和比强度更接近天然骨。镁离子还能够刺激骨折端硬骨痂的生成、诱导成骨，促进骨折愈合，并刺激软骨生成。另外，镁是许多酶的辅助因子，可稳定DNA和RNA的结构。

因此，镁及其合金作为可降解、承载负重的骨科置入物，经过12～18周骨愈合期，仍能保持力学完整性，最终被自然组织所取代。

镁合金良好的骨诱导性、可降解性、生物相容性，使其具有成为骨科内固定材料的潜力。多孔镁合金是一种类似于泡沫状的金属，其具有高容积孔隙率、低弹性模量及高表面摩擦系数的特性，是一种较好的骨替代材料。在力学性能方面，多孔镁合金的弹性模量、抗疲劳特性、摩擦系数与正常骨组织相近；在生物特性方面，多孔镁合金表现出良好的生物相容性、抗腐蚀性、骨诱导和再生能力，有望赶超正在应用的其它金属材料，从而成为骨组织工程新的发展方向。

但是，镁合金的熔点为650℃，沸点为1107℃，同时镁合金的密度低，与氧的亲和力比较强，非常容易燃烧和氧化，镁合金同氮气也能发生剧烈反应，以上这些特性导致生物多孔镁合金的制备比较困难。在《多孔泡沫镁合金的研究进展》(刘忠斌，陈乐平，张铭显，《中国材料科技与设备》,2012(3):1-3)中也综述了多种制备多孔镁合金的方法，但均很难满足医疗用多孔镁合金的使用要求。

因此，为了解决上述技术问题，有必要提出一种更为简单、易行的多孔镁合金制备方法，以扩大镁合金的应用范围。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种生物多孔镁合金的制备方法，采用激光直接融化制备，摒弃了传统利用粉末添加造孔剂进行烧结或者气相沉积的方法，解决了镁合金废料回收再利用的问题，同时也进一步解决了传统方法制备时所带来的环境污染和有害物质残留的问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种生物多孔镁合金的制备方法，包括以下步骤：

S1、根据所需制备的多孔镁合金的尺寸数据，建立几何模型及加工轨迹；

S2、对镁合金块体进行表面处理；

S3、设定激光器激光加工参数；

S4、激光器按照S1设定的加工轨迹对镁合金块体进行表面加工，得到镁合金块体一个方向上所需的多孔；

S5、将镁合金块体旋转90°，重复步骤S4，直至镁合金块体上各个方向的多孔均完成；

S6、对步骤S5所得的多孔镁合金进行清洁、干燥处理并储存。

优选的，所述步骤S1中，尺寸数据包括多孔镁合金所需的孔径大小、空间排布规律以及孔与孔之间所留的间隙大小。

优选的，所述多孔镁合金的孔径为φ20～500μm。

优选的，所述步骤S2中的镁合金块体为生物医用镁合金块体；所述表面处理步骤为利用氢氧化钠溶液作为清洁剂对生物医用镁合金块体进行表面清洗，然后经过清水清洗，使用冷风吹干。

优选的，所述步骤S3中的激光器采用波长范围为800～1070nm的固体激光器。

优选的，所述步骤S3中的激光加工参数为：激光光斑φ20～500μm，激光能量130～190W，扫描间距0.2mm、0.4mm、0.6mm，脉宽0.4～1.7ms，频率20～100Hz。

优选的，所述步骤S4具体包括激光器的激光头按照步骤S1中设定的加工轨迹，不断进行升降对镁合金块体一个方向上的表面进行激光加工，直至加工得到镁合金块体该方向的多孔。

优选的，所述激光器每加工一层，激光器激光头就上升一个高度，该高度为激光头每加工一层的厚度。

优选的，所述步骤S5具体包括，旋转镁合金块体90°，旋转后的激光器加工轨迹按照步骤S1设定好的加工轨迹，继续重复步骤S4进行加工，直至镁合金块体每个方向上的多孔均完成，形成具有贯通多孔的镁合金块体。

优选的，所述步骤S6中，将步骤S5所得的多孔镁合金块体放置在蒸馏水中施加超声波进行震荡、进行清洗，冷风吹干后放置在干燥皿中进行储藏。

与现有技术相比，本发明的多孔镁合金的制备方法，可以通过优化工艺参数、精确控制镁合金孔洞的尺寸，进行间距的控制，通过层层选择性熔化，得到具有一定形状的多孔镁合金块体。

该方法采用激光直接熔化制备多孔镁合金，而不是直接采用传统的镁合金粉末添加造孔剂进行烧结或者气相沉积，解决了使用粉末进行层层堆积时的环境污染、废料无法回收的问题和其它烧结法、气相沉积法带来的有害残留物质的问题，也解决了铸造法孔隙尺寸和形状不易控制的弊端。具有可控性高、加工效率高的优点，有利于质量控制，生产得到的多孔镁合金符合应用于医疗行业的高标准质量要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的生物多孔镁合金制备方法的流程图；

图2a为实施例3所得的多孔镁合金a方向上的多孔分布金相图；

图2b为实施例3所得的多孔镁合金b方向上的多孔分布金相图；

图2c为实施例3所得的多孔镁合金c方向上的多孔分布金相图；

图3a为实施例3所得的多孔镁合金的不均匀圆形的单个孔的金相图；

图3b为实施例3所得的多孔镁合金的均匀圆形的单个孔的金相图；

图4a为实施例3中所得的多孔镁合金的a方向上两个相邻孔之间的金相图；

图4b为实施例3中所得的多孔镁合金的b方向上两个相邻孔之间的金相图。

具体实施方式

镁合金的熔点为650℃，沸点为1107℃，同时镁合金的密度低，与氧的亲和力比较强，非常容易燃烧和氧化，镁合金同氮气也能发生剧烈反应，以上这些特性导致生物多孔镁合金的制备比较困难。传统制备多孔镁合金采用粉末进行层层堆积或者使用烧结法、气相沉积法，这些方法都会不同程度带来环境污染、存在有害物质残留的不良影响，也进一步影响了多孔镁合金的质量。

本发明针对现有技术中的不足，参见图1所示，提供了一种生物多孔镁合金的制备方法，通过使用激光器进行层层融化得到生物多孔镁合金，避免了以上不良情况的发生。具体包括如下步骤：

S1、根据所需制备的多孔镁合金的形状，建立多层结构形成的多孔镁合金的几何模型，并利用计算机对建立的几何模型进行计算，获得尺寸数据和所需加工的层数及加工轨迹。尺寸数据包括多孔镁合金所需的孔径大小、空间排布规律以及孔与孔之间所留的间隙大小，在本发明中制备的多孔镁合金的孔径为φ20～500μm。

S2、对镁合金块体进行表面处理。本发明制备所得多孔镁合金主要用于医疗行业，因此镁合金块体的原始原料采用生物医用镁合金。表面处理步骤具体为利用氢氧化钠溶液作为清洁剂对生物医用镁合金块体进行表面清洗，然后经过清水清洗，使用冷风吹干。

S3、设定激光器激光加工参数。本制备方法采用的激光器为波长范围在

800～1070nm内的固体激光器，根据本方法制备的多孔镁合金的孔径大小及镁合金的自身属性，设定激光加工参数为：激光光斑φ20～500μm，激光能量130～190W，扫描间距0.2mm、0.4mm、0.6mm，脉宽0.4～1.7ms，频率20～100Hz。

S4、激光器按照S1设定的加工轨迹对镁合金块体进行表面加工，激光器每加工一层，激光器激光头就上升一个高度，如此不间断升降对镁合金块体一个方向上的表面进行激光加工，直至加工得到镁合金块体该方向的多孔。其中升高高度为激光头每加工一层的厚度。

S5、旋转镁合金块体90°，旋转后的激光器加工轨迹按照步骤S1设定好的加工轨迹，继续重复步骤S4进行加工，直至镁合金块体每个方向上的多孔均完成，形成具有贯通多孔的镁合金块体。

S6、将步骤S5所得的多孔镁合金块体放置在蒸馏水中施加超声波进行震荡进行清洗，冷风吹干后放置在干燥皿中进行储藏。

下面将通过具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

S1、根据所需制备的多孔镁合金的形状，建立多层结构形成的多孔镁合金的几何模型，并利用计算机对建立的几何模型进行计算，获得尺寸数据和所需加工的层数及加工轨迹。尺寸数据包括多孔镁合金所需的孔径大小、空间排布规律以及孔与孔之间所留的间隙大小，在本实施例中制备的多孔镁合金的孔径为φ20μm。

S2、对镁合金块体进行表面处理。本发明制备所得多孔镁合金主要用于医疗行业，因此镁合金块体的原始原料采用生物医用镁合金。表面处理步骤具体为利用氢氧化钠溶液作为清洁剂对生物医用镁合金块体进行表面清洗，然后经过清水清洗，使用冷风吹干。

S3、设定激光器激光加工参数。本实施例中采用的激光器为波长为800nm的固体激光器，根据本实施例制备的多孔镁合金的孔径大小及镁合金的自身属性，设定激光加工参数为：激光光斑φ20μm，激光能量130W，扫描间距0.6mm，脉宽0.4ms，频率20Hz。

S4、激光器按照S1设定的加工轨迹对镁合金块体进行表面加工，激光器每加工一层，激光器激光头就上升一个高度，如此不间断升降对镁合金块体一个方向上的表面进行激光加工，直至加工得到镁合金块体该方向的多孔。其中升高高度为激光头每加工一层的厚度。

S5、旋转镁合金块体90°，旋转后的激光器加工轨迹按照步骤S1设定好的加工轨迹，继续重复步骤S4进行加工，直至镁合金块体每个方向上的多孔均完成，形成具有贯通多孔的镁合金块体。

S6、将步骤S5所得的多孔镁合金块体放置在蒸馏水中施加超声波进行震荡进行清洗，冷风吹干后得到所需的多孔镁合金。

实施例二：

本实施例与实施例一中不同之处在于，制备的多孔镁合金的孔径为φ100μm，采用的激光器为波长为900nm的固体激光器，激光加工参数设定为：激光光斑φ100μm，激光能量150W，扫描间距0.4mm，脉宽0.6ms，频率40Hz。

实施例三：

本实施例与实施例一中不同之处在于，制备的多孔镁合金的孔径为φ300μm，用的激光器为波长为900nm的固体激光器，激光加工参数设定为：激光光斑φ300μm，激光能量170W，扫描间距0.2mm，脉宽0.8ms，频率60Hz。

制备所得的多孔镁合金的多个方向上的多孔分布金相参见图2a、图2b和图2c所示。图3a、图3b为多孔镁合金的单个孔的金相图，图3a中的单个孔形状为不均匀的圆形，而图3b中的单个孔形状为均匀的圆形，产生如此现象差异的原因为：激光器所产生的激光具有较高能量，而镁合金的熔点为650℃，在高温的激光作用下容易发生燃烧和氧化，因此激光照射的周围容易产生裂纹和缺陷，较易形成与光斑形状不一致的孔形状。图4a、图4b为本实施例中所制得的多孔镁合金不同方向上的孔与孔之间的间隙的金相图，从图中可以看出不同方向上的孔与孔之间的间隙还是基本相同的。

实施例四：

本实施例与实施例一中不同之处在于，制备的多孔镁合金的孔径为φ400μm，采用的激光器为波长为1070nm的固体激光器，激光加工参数设定为：激光光斑φ400μm，激光能量190W，扫描间距0.6mm，脉宽1.7ms，频率80Hz。

综上所述，本发明提供的制备多孔镁合金的方法通过优化工艺参数、精确控制激光光斑大小和激光加工的加工参数，经过层层熔化得到生物多孔镁合金。本方法不同于传统的镁合金粉末进行烧结或者铸造，会带来环境污染问题和有害物残留的困扰，而是直接采用激光进行加工，加工后的镁合金废料可以直接回收利用，有利用二次循环使用，符合绿色环保的生产加工要求。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种生物多孔镁合金的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、根据所需制备的多孔镁合金的尺寸数据，建立几何模型及加工轨迹；

S2、对镁合金块体进行表面处理；

S3、设定激光器激光加工参数；

S4、激光器按照S1设定的加工轨迹对镁合金块体进行表面加工，得到镁合金块体一个方向上所需的多孔；

S5、将镁合金块体旋转90°，重复步骤S4，直至镁合金块体上各个方向的多孔均完成；

S6、对步骤S5所得的多孔镁合金进行清洁、干燥处理并储存。

2.根据权利要求1所述的一种生物多孔镁合金的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中，尺寸数据包括多孔镁合金所需的孔径大小、空间排布规律以及孔与孔之间所留的间隙大小。

3.根据权利要求2所述的一种生物多孔镁合金的制备方法，其特征在于：所述多孔镁合金的孔径为φ20～500μm。

4.根据权利要求1所述的一种生物多孔镁合金的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中的镁合金块体为生物医用镁合金块体；所述表面处理步骤为利用氢氧化钠溶液作为清洁剂对生物医用镁合金块体进行表面清洗，然后经过清水清洗，使用冷风吹干。

5.根据权利要求1所述的一种生物多孔镁合金的制备方法，其特征在于：所述步骤S3中的激光器采用波长范围为800～1070nm的固体激光器。

6.根据权利要求1所述的一种生物多孔镁合金的制备方法，其特征在于：所述步骤S3中的激光加工参数为：激光光斑φ20～500μm，激光能量130～190W，扫描间距0.2mm、0.4mm、0.6mm，脉宽0.4～1.7ms，频率20～100Hz。

7.根据权利要求1所述的一种生物多孔镁合金的制备方法，其特征在于：所述步骤S4具体包括激光器的激光头按照步骤S1中设定的加工轨迹，不断进行升降对镁合金块体一个方向上的表面进行激光加工，直至加工得到镁合金块体该方向的多孔。

8.根据权利要求6所述的一种生物多孔镁合金的制备方法，其特征在于：所述激光器每加工一层，激光器激光头就上升一个高度，该高度为激光头每加工一层的厚度。

9.根据权利要求1所述的一种生物多孔镁合金的制备方法，其特征在于：所述步骤S5具体包括，旋转镁合金块体90°，旋转后的激光器加工轨迹按照步骤S1设定好的加工轨迹，继续重复步骤S4进行加工，直至镁合金块体每个方向上的多孔均完成，形成具有贯通多孔的镁合金块体。

10.根据权利要求1所述的一种生物多孔镁合金的制备方法，其特征在于：所述步骤S6中，将步骤S5所得的多孔镁合金块体放置在蒸馏水中施加超声波进行震荡进行清洗，冷风吹干后放置在干燥皿中进行储藏。