CN107641749A - 一种骨移植材料镁铋锰铝锌合金的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种骨移植材料镁铋锰铝锌合金的制备方法，是针对医用骨组织修复材料的特性，采用镁、铋、锰、铝、锌化学物质，经熔炼、铸锭、热挤压，制成医用可降解镁铋锰铝锌合金，此制备方法工艺先进，数据精确翔实，制成的镁铋锰铝锌合金纯度达99.8％，屈服强度201.5MPa，拉伸强度246.8MPa，伸长率达29.4％，可用于医学骨质移植修复材料，在模拟人体体液下降解速率为0.344mm/年，是先进的医用可降解微合金化镁铋锰铝锌合金的制备方法。

Description

一种骨移植材料镁铋锰铝锌合金的制备方法
技术领域
本发明涉及一种骨移植材料镁铋锰铝锌合金的制备方法，属于生物医用材料制备及应用的技术领域。
背景技术
镁合金密度1.7～2.0g/cm3，接近人体骨密度1.8～2.1g/cm3，其抗压强度和抗伸强度比可降解的聚合物高；与钛合金、铬合金、不锈钢相比，镁合金的弹性模量接近天然骨骼，可有效避免由于弹性模量不匹配引起的应力遮挡效应。
镁合金是骨组织修复及替代材料研究的热点，其生物可降解性较强，是人体骨移植、骨修复的优选材料，也会避免二次手术给患者带来痛苦及经济负担；镁合金在医学应用中也存在降解速度快、降解不均匀的问题，例如201110043303.8专利，Mg-Zn-Y-Nd镁合金，做成的骨钉、骨板由于降解速度快、不均匀，很难满足临床要求；合金化是提高镁合金耐蚀性的常用方法，但合金化元素常导致合金中第二相粗化或体积分数增加，诱发第二相-镁基体间电偶腐蚀，降低合金的力学性能；稀土元素可以同步提高合金的耐蚀性和强韧性，但是稀土元素的添加会产生对人体有害的元素；因此，通过添加无毒元素或者人体必需元素进行微合金化是同步提高镁合金耐蚀性和强韧性的有效方法，此项技术还在科学研究中。
发明内容
发明目的
本发明的目的是针对背景技术的情况、针对医用骨组织修复材料的特性，采用对人体无害的化学物质镁、铋、锰、铝、锌，经真空熔炼、加热挤压，制成微合金化医用镁铋锰铝锌合金，以大幅度提高医用合金的强度、韧性和耐蚀性，扩大医用镁合金的使用范围。
技术方案
本发明使用的化学物质材料为：镁、铋、锰、铝、锌、二氧化碳、氮气、无水乙醇，其准备用量如下：以克、毫升、厘米3为计量单位；
制备方法如下：
(1)、精选化学物质材料
对制备使用的化学物质材料要进行精选，并进行质量纯度控制：
(2)、熔炼镁铋锰铝锌合金
镁铋锰铝锌合金的熔炼是在真空熔炼炉中进行的，是在中频感应加热、抽真空、惰性气体保护下完成的；
①制备开合式模具
开合式模具用不锈钢材料制作，模具型腔呈矩形，型腔表面粗糙度为Ra 0.08～0.16μm；
②配制镁、铋、锰、铝、锌混合材料
称取镁块483.5g±0.001g、铋颗粒5g±0.001g、锰粉1.5g±0.001g、铝颗粒5g±0.001g、锌颗粒5g±0.001g，其组合配比为：镁∶铋∶锰∶铝∶锌＝96.7∶1∶0.3∶1∶1；
③清理真空熔炼炉
打开真空熔炼炉，清理炉腔及熔炼坩埚，使其洁净；
向炉腔内输入氮气，氮气输入速度200cm3/min，驱除炉内有害气体；
④置放镁、铋、锰、铝、锌混合材料
将配制的镁、铋、锰、铝、锌混合材料置于熔炼坩埚内，关闭真空熔炼炉，并密闭；
⑤抽取炉内空气
开启真空熔炼炉的真空泵，抽去炉腔内空气，使炉腔内压强达到2Pa；
⑥向炉腔内输入CO2+N2混合气体
开启二氧化碳气体瓶、氮气气体瓶，向真空熔炼炉炉腔内输入混合气体，二氧化碳与氮气的比例为1∶1，输入速度为200cm3/min，使炉腔内压强稳定在1个大气压；
⑦加热熔炼
开启中频感应加热器，加热熔炼坩埚内的镁、铋、锰、铝、锌混合材料；加热温度720℃±1℃，加热时间30min，加热后，成镁铋锰铝锌合金熔液；镁、铋、锰、铝、锌在加热熔炼过程中将发生合金化反应，反应方程式如下：
式中：Mg96.7Bi1Mn0.3Al1Zn1：镁铋锰铝锌合金
熔炼后，合金化熔液静置10min；
⑧浇铸
熔炼后，开启真空熔炼炉，取出熔炼坩埚，对准模具浇口进行浇铸，浇铸后密闭浇口；
⑨冷却
将浇铸后的开合式模具及其内的铸件置于真空冷却炉内冷却，真空冷却炉压强2Pa，冷却温度20℃；
(3)、脱模
打开开合式模具，取出铸件，即镁铋锰铝锌合金锭；
(4)、修整、清理、打磨、清洗
将镁铋锰铝锌合金锭置于钢质平板上，用机械进行修整、清理；然后用砂纸打磨合金锭周边及正反表面；用无水乙醇进行清洗，使其洁净；
(5)、热挤压镁铋锰铝锌合金锭
镁铋锰铝锌合金锭的热挤压是在立式挤压机上进行的；
①制备挤压模具
挤压模具用工具钢制作，模具型腔为矩形，型腔表面粗糙度Ra0.08～0.16μm；
②预热镁铋锰铝锌合金锭，将镁铋锰铝锌合金锭置于热处理炉内进行预热，预热温度300℃，预热时间30min；
③将挤压模具垂直置于挤压机的工作台上，在挤压模具内置放挤压垫块，在挤压垫块上部置放镁铋锰铝锌合金锭，在镁铋锰铝锌合金锭上部置放上压块，上压块上部由挤压机的上压头垂直挤压；
挤压机加热温度300℃，挤压压强600M Pa，挤压速度3mm/min，挤压时间6min；
挤压后成为微合金化镁铋锰铝锌合金锭；
(6)、冷却
热挤压后将镁铋锰铝锌合金锭置于真空冷却炉中，在二氧化碳气体保护下冷却至25℃；
(7)、清理，清洁
将冷却后的镁铋锰铝锌合金锭置于钢质平板上，用砂纸打磨周边及正反表面，使之光洁；
然后用无水乙醇擦洗镁铋锰铝锌合金锭周边及正反表面，使之洁净；
(8)、检测、分析、表征
对制备的镁铋锰铝锌合金锭的化学物理性能、力学性能进行检测、分析、表征；
用光学显微镜进行金相组织分析和晶粒尺寸测量；
用X射线衍射仪进行相分析；
用万能材料试验机进行力学性能测试；
用电化学工作站测试板材体外降解速率；
结论：微合金化镁铋锰铝锌合金锭为银灰色，产物纯度99.8％，屈服强度201.5MPa，拉伸强度246.8M Pa，伸长率达29.4％，在模拟人体体液下降解速率为0.344mm/年；
(9)产物储存
对制备的微合金化镁铋锰铝锌合金锭用软质材料包装，储存于阴凉洁净环境，要防潮、防晒、防酸碱盐侵蚀，储存温度20℃，相对湿度10％。
有益效果
本发明与背景技术相比具有明显的先进性，是针对医用骨组织修复材料的特性，采用镁、铋、锰、铝、锌化学物质，经熔炼、铸锭、热挤压，制成医用可降解的微合金化的镁铋锰铝锌合金，此制备方法工艺先进，数据精确翔实，制成的镁铋锰铝锌合金纯度达99.8％，屈服强度201.5M Pa，拉伸强度246.8M Pa，伸长率达29.4％，可用于医学骨质移植修复材料，在模拟人体体液下降解速率为0.344mm/年，是先进的医用可降解的微合金化镁铋锰铝锌合金材料的制备方法。
附图说明：
图1、镁铋锰铝锌合金熔炼状态图
图2、镁铋锰铝锌合金横切面金相组织形貌图
图3、镁铋锰铝锌合金X射线衍射强度图谱
图4、镁铋锰铝锌合金在模拟人体体液中动态极化曲线图
图5、镁铋锰铝锌合金拉伸性能图
图中所示，附图标记清单如下：
1、真空熔炼炉，2、炉座，3、炉盖，4、炉腔，5、工作台，6、熔炼坩埚，7、中频感应加热器，8、合金溶液，9、真空泵，10、真空管，11、氮气瓶，12、氮气管，13、氮气阀，14、二氧化碳瓶，15、二氧化碳管，16、二氧化碳阀，17、混合气体管，18、混合气体阀，19、混合气体，20、电控箱，21、显示屏，22、指示灯，23、电源开关，24、中频感应加热控制器，25、真空泵控制器，26、出气管阀，27、第一导线，28、第二导线。
图1所示，为镁铋锰铝锌合金熔炼状态图，各部位置、连接关系要正确，按量配比，按序操作。
制备使用的化学物质的量值是按预先设置的范围确定的，以克、毫升、厘米3为计量单位。
镁铋锰铝锌合金的熔炼是在真空熔炼炉内进行的，是在中频感应加热、抽真空、惰性气体保护下完成的；
真空熔炼炉1为立式，真空熔炼炉1底部为炉座2、顶部为炉盖3、内部为炉腔4；真空熔炼炉1的右上部设有出气管阀26；在真空熔炼炉1的内底部设有工作台5，在工作台5上部垂直设有熔炼坩埚6，熔炼坩埚6内为合金熔液8；熔炼坩埚6外部为中频感应加热器7；在炉座2右下部设有真空泵9，真空泵9上部设有真空管10，真空管10穿过炉座2连通炉腔4；在真空熔炼炉1左部设有氮气瓶11、二氧化碳瓶14，氮气瓶11上部设有氮气管12、氮气阀13，二氧化碳瓶14上部设有二氧化碳管15、二氧化碳阀16，并连接混合气体管17、混合气体阀18，混合气体管17伸入炉腔4内，并向炉腔4内输入混合气体19；在真空熔炼炉1的右部设有电控箱20，在电控箱20上设有显示屏21、指示灯22、电源开关23、中频感应加热调控器24、真空泵控制器25；电控箱20通过第一导线27连接中频感应加热器7、通过第二导线28连接真空泵9。
图2所示，为镁铋锰铝锌合金横切面金相组织形貌图，图中所示合金晶粒细小，晶粒尺寸≤2.32μm。
图3所示，为镁铋锰铝锌合金X射线衍射强度图谱，图中所示，纵坐标为衍射强度，横坐标为衍射角2θ，镁铋锰铝锌合金主要由α-Mg、Bi和Mg3Bi2相组成。
图4、为镁铋锰铝锌合金在模拟人体体液中动态极化曲线图，图中所示，相对于饱和甘汞电极的腐蚀电压是-1.488VSCE，腐蚀电流为15.064μA，腐蚀速率0.344mm/年，纵坐标为相对于参比电极的电势差，饱和甘汞电极作为参比电极相对于标准氢电极的电极电位是稳定已知的。
图5、为镁铋锰铝锌合金拉伸性能图，图中所示，屈服强度201.5MPa，拉伸强度246.8MPa，伸长率达29.4％。

Claims (2)

1.一种骨移植材料镁铋锰铝锌合金的制备方法，其特征在于：
使用的化学物质材料为：镁、铋、锰、铝、锌、二氧化碳、氮气、无水乙醇，其准备用量如下：以克、毫升、厘米3为计量单位；
制备方法如下：
(1)、精选化学物质材料
对制备使用的化学物质材料要进行精选，并进行质量纯度控制：
(2)、熔炼镁铋锰铝锌合金
镁铋锰铝锌合金的熔炼是在真空熔炼炉中进行的，是在中频感应加热、抽真空、惰性气体保护下完成的；
①制备开合式模具
开合式模具用不锈钢材料制作，模具型腔呈矩形，型腔表面粗糙度为Ra 0.08～0.16μm；
②配制镁、铋、锰、铝、锌混合材料
称取镁块483.5g±0.001g、铋颗粒5g±0.001g、锰粉1.5g±0.001g、铝颗粒5g±0.001g、锌颗粒5g±0.001g，其组合配比为：镁∶铋∶锰∶铝∶锌＝96.7∶1∶0.3∶1∶1；
③清理真空熔炼炉
打开真空熔炼炉，清理炉腔及熔炼坩埚，使其洁净；
向炉腔内输入氮气，氮气输入速度200cm3/min，驱除炉内有害气体；
④置放镁、铋、锰、铝、锌混合材料
将配制的镁、铋、锰、铝、锌混合材料置于熔炼坩埚内，关闭真空熔炼炉，并密闭；
⑤抽取炉内空气
开启真空熔炼炉的真空泵，抽去炉腔内空气，使炉腔内压强达到2Pa；
⑥向炉腔内输入CO2+N2混合气体
开启二氧化碳气体瓶、氮气气体瓶，向真空熔炼炉炉腔内输入混合气体，二氧化碳与氮气的比例为1∶1，输入速度为200cm3/min，使炉腔内压强稳定在1×105Pa；
⑦加热熔炼
开启中频感应加热器，加热熔炼坩埚内的镁、铋、锰、铝、锌；加热温度720℃±1℃，加热时间30min，加热后，成镁铋锰铝锌合金熔液；镁、铋、锰、铝、锌在加热熔炼过程中将发生合金化反应，反应方程式如下：
式中：Mg96.7Bi1Mn0.3Al1Zn1：镁铋锰铝锌合金
熔炼后，合金化熔液静置10min；
⑧浇铸
熔炼后，开启真空熔炼炉，取出熔炼坩埚，对准模具浇口进行浇铸，浇铸后密闭浇口；
⑨冷却
将浇铸后的开合式模具及其内的铸件置于真空冷却炉内冷却，真空冷却炉内压强2Pa，冷却温度20℃；
(3)、脱模
打开开合式模具，取出铸件，即镁铋锰铝锌合金锭；
(4)、修整、清理、打磨、清洗
将镁铋锰铝锌合金锭置于钢质平板上，用机械进行修整、清理；然后用砂纸打磨合金锭周边及正反表面；用无水乙醇进行清洗，使其洁净；
(5)、热挤压镁铋锰铝锌合金锭
镁铋锰铝锌合金锭的热挤压是在立式挤压机上进行的；
①制备挤压模具
挤压模具用工具钢制作，模具型腔为矩形，型腔表面粗糙度Ra0.08～0.16μm；
②预热镁铋锰铝锌合金锭，将镁铋锰铝锌合金锭置于热处理炉内进行预热，预热温度300℃，预热时间30min；
③将挤压模具垂直置于挤压机的工作台上，在挤压模具内置放挤压垫块，在挤压垫块上部置放镁铋锰铝锌合金锭，在镁铋锰铝锌合金锭上部置放上压块，上压块上部由挤压机的上压头垂直挤压；
挤压机加热温度300℃，挤压压强600M Pa，挤压速度3mm/min，挤压时间min；
挤压后成为微合金化镁铋锰铝锌合金锭；
(6)、冷却
热挤压后将镁铋锰铝锌合金锭置于真空冷却炉中，在二氧化碳气体保护下冷却至25℃；
(7)、清理，清洁
将冷却后的镁铋锰铝锌合金锭置于钢质平板上，用砂纸打磨周边及正反表面，使之光洁；
然后用无水乙醇擦洗镁铋锰铝锌合金锭周边及正反表面，使之洁净；
(8)、检测、分析、表征
对制备的镁铋锰铝锌合金锭的化学物理性能、力学性能进行检测、分析、表征；
用光学显微镜进行金相组织分析和晶粒尺寸测量；
用X射线衍射仪进行相分析；
用万能材料试验机进行力学性能测试；
用电化学工作站测试板材体外降解速率；
结论：微合金化镁铋锰铝锌合金锭为银灰色，产物纯度99.8％，屈服强度201.5M Pa，拉伸强度246.8M Pa，伸长率达29.4％，在模拟人体体液下降解速率为0.344mm/年。
(9)产物储存
对制备的微合金化镁铋锰铝锌合金锭用软质材料包装，储存于阴凉洁净环境，要防潮、防晒、防酸碱盐侵蚀，储存温度20℃，相对湿度10％。
2.根据权利要求1所述的一种骨移植材料镁铋锰铝锌合金的制备方法，其特征在于：
镁铋锰铝锌合金的熔炼是在真空熔炼炉内进行的，是在中频感应加热、抽真空、惰性气体保护下完成的；
真空熔炼炉(1)为立式，真空熔炼炉(1)底部为炉座(2)、顶部为炉盖(3)、内部为炉腔(4)；真空熔炼炉(1)的右上部设有出气管阀(26)；在真空熔炼炉(1)的内底部设有工作台(5)，在工作台(5)上部垂直设有熔炼坩埚(6)，熔炼坩埚(6)内为合金熔液(8)；熔炼坩埚(6)外部为中频感应加热器(7)；在炉座(2)右下部设有真空泵(9)，真空泵(9)上部设有真空管(10)，真空管(10)穿过炉座(2)连通炉腔(4)；在真空熔炼炉(1)左部设有氮气瓶(11)、二氧化碳瓶(14)，氮气瓶(11)上部设有氮气管(12)、氮气阀(13)，二氧化碳瓶(14)上部设有二氧化碳管(15)、二氧化碳阀(16)，并连接混合气体管(17)、混合气体阀(18)，混合气体管(17)伸入炉腔(4)内，并向炉腔(4)内输入混合气体(19)；在真空熔炼炉(1)的右部设有电控箱(20)，在电控箱(20)上设有显示屏(21)、指示灯(22)、电源开关(23)、中频感应加热调控器(24)、真空泵控制器(25)；电控箱(20)通过第一导线(27)连接中频感应加热器(7)、通过第二导线(28)连接真空泵(9)。
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