CN108213704B - 利用超短脉冲激光制造人体植入支架的方法 - Google Patents

利用超短脉冲激光制造人体植入支架的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用超短脉冲激光制造人体植入支架的方法，包括如下步骤：（1）、制备圆柱形模具：圆柱形模具用6061铝合金制作，圆柱形模具表面粗糙度为Ra0.08~0.16μm；（2）、预处理NiTi形状记忆合金丝：2.1、将NiTi形状记忆合金丝在92%浓度的丙酮与去离子水的混合溶液中浸泡3min；2.2、用去离子水，在超声波环境下清洗NiTi形状记忆合金丝5min；2.3、将NiTi形状记忆合金丝置于干燥箱中，在100℃下烘干30min。本发明使用飞秒超短脉冲激光微连接的方法，利用飞秒超短脉冲激光的原子共振产热、对材料破坏性小和无熔化金属的特点，目的是进一步减小尺寸并增加柔韧性和径向强度，以满足更细小、更曲折的介入治疗。

Description

利用超短脉冲激光制造人体植入支架的方法
技术领域
本发明属于医用植入器械制造领域，具体为一种利用超短脉冲激光制造人体植入支架的方法。
背景技术
在现代医疗卫生技术得到突飞猛进地发展的今天，仍然存在一些不能够完全治愈的疾病随时威胁着人类的健康。其中心脑血管疾病更是一种严重威胁人类健康的疾病，其高患病率、高致残率和高死亡率的特点使得全世界每年因心脑血管疾病死亡的人数高达1500万人，居于各种疾病死因的首位。
目前为止，将自膨胀式的支架植入体内是临床治疗心脑血管疾病最有效的方法。具体做法是，将支架植入人体内血管官腔阻塞、狭窄和病变的部位，利用其自膨胀的性能将阻塞的血管支撑开，以达到扩展病变血管使其恢复顺畅的血液流动功能。如今临床使用的血管支架材料主要有以下两种：316L不锈钢和NiTi形状记忆合金材料。与前者相比，NiTi形状记忆合金拥有密度小、弹性模量低以及与人体组织的适应性好的特点，居于更好的生物相容性。此外，NiTi形状记忆合金由于其特有的形状记忆效应，使得其在植入人体过程和取出过程中的自膨胀性能得以实现，因此NiTi形状记忆合金材料支架是理想的血管支架制作材料。
对于NiTi合金支架的加工，早期使用手工编织的方法，由于手工操作的局限性，编制的支架普遍尺寸较大，径向力小，且质量也无法得到保证。随后国内外均尝试使用激光进行切割和雕刻以形成网状镂空结构，但使用该方法制备出的支架脆性大、柔韧性差，且由于成本和管材制备技术的限制，难以制造更细或者更复杂的支架。
发明内容
本发明是以直径为100μm的NiTi形状记忆合金丝为材料，采用飞秒超短脉冲激光微连接技术，将NiTi形状记忆合金丝加工编织成镂空的血管支架，实现其作为血管支架的功能性。
本发明是采用如下技术方案实现的：
一种利用超短脉冲激光制造人体植入支架的方法，包括如下步骤：
（1）、制备圆柱形模具
圆柱形模具用6061铝合金制作，圆柱形模具表面粗糙度为Ra0.08~0.16μm。
（2）、预处理NiTi形状记忆合金丝
2.1、将NiTi形状记忆合金丝在92%浓度的丙酮与去离子水的混合溶液中浸泡3min；
2.2、用去离子水，在超声波环境下清洗NiTi形状记忆合金丝5min；
2.3、将NiTi形状记忆合金丝置于干燥箱中，在100℃下烘干30min。
（3）、在圆柱形模具上固定NiTi形状记忆合金丝
3.1、将NiTi形状记忆合金丝A，顺时针缠绕在圆柱形模具上，螺旋上升角度为45°；
3.2、将另一根NiTi形状记忆合金丝B，逆时针缠绕在圆柱形模具上，螺旋上升角度为45°；
3.3、A和B两根NiTi形状记忆合金丝在先后螺旋缠绕的过程中，形成了若干个接触点。
（4）、激光微连接过程
4.1、将装配有NiTi形状记忆合金丝的圆柱形模具固定在激光器的工作平台上，将接触点的一侧水平朝上放置；
4.2、打开氩气阀门，控制气体流量为4~5L/min，进行惰性气体保护；
4.3、调整焦距，选用焦距为28~30mm；
4.4、在激光控制面板上，选择激光功率27~30W；
4.5、在激光控制面板上，选择激光脉宽30fs；
4.6、在激光控制面板上，选择激光能量10J；
4.7、在激光控制面板上，选择出光频率1Hz；
4.8、启动激光器，依次对一侧的接触点进行激光微连接，结束关闭激光器；
4.9、调整圆柱形模具的方向，将未进行激光微连接的另一侧接触点水平朝上放置；
4.10、启动激光器，依次对另一侧的接触点进行激光微连接，结束关闭激光器；
4.11、关闭气体阀门，将圆柱形模具从激光器工作平台上取下；
4.12、将连接上的NiTi形状记忆合金丝从圆柱形模具上取下。
（5）、检测、分析、表征
5.1、从已连接好的支架上，随机剪取一个接头；
5.2、将剪取下的接头，用无水乙醇在超声波下进行洗涤3min；
5.3、将剪取下的接头置于干燥箱中在100℃下烘干10min；
5.4、在电子显微镜下观察接头的宏观形貌；
5.5、将接头在镶嵌机中进行镶嵌，使用电木粉进行热镶嵌，加热至120℃保温5min；
5.6、将镶嵌好的接头试样依次用400目、1200目和3000目的砂纸进行打磨；
5.7、将打磨平整的接头试样用金刚石研磨膏进行抛光；
5.8、将抛光好的接头试样，用棉签蘸取腐蚀液擦拭，单方向均匀擦拭20s左右；其中，腐蚀液配比为HF：HNO3：H2O=1：2：3；
5.9、将腐蚀后的接头试样，用去离子水进行冲洗，置于干燥箱中在100℃下烘干5min；
5.10、将烘干后的接头试样，用无水乙醇进行清洗，置于干燥箱中在100℃下烘干10min；
5.11、在电子显微镜下观察接头的微观组织形貌；
5.12、用显微硬度仪分别测量接头焊缝中心、热影响区及母材的硬度；
5.13、用微小力学试验机测试接头的拉伸强度；
5.14、激光微连接下的NiTi形状记忆合金丝，搭接状态下的两根丝经焊接后处于同一个平面，接头的硬度均达到Hv250以上，接头的抗拉强度达到1000MPa。
本发明方法设计合理，与现有技术相比具有明显的先进性。本方法是针对微小尺寸的人体血管支架，通过飞秒激光微连接技术将NiTi形状记忆合金丝加工成镂空支架的技术。在飞秒超快激光下，材料的连接通过原子共振产热的形式进行原子间的连接，没有熔化金属，接头表面均匀光滑，成型良好。此工艺方法制备的支架接头硬度达到Hv250以上，抗拉强度达到1000MPa以上，是一种尺寸微小、力学性能良好的人体血管支架，具有很好的实际应用推广价值。
附图说明
图1表示人体血管支架缠绕于圆柱形模具上的单侧示意图。
图2表示飞秒超快激光微连接人体血管支架的接头微观形貌图。
图3表示飞秒超快激光微连接人体血管支架的接头硬度分布图。
图4表示飞秒超快激光微连接人体血管支架的应力应变曲线图。
图5表示激光微连接过程示意图。
图中：1-圆柱形模具，2- NiTi形状记忆合金丝A，3- NiTi形状记忆合金丝B，4-接触点，5-工作平台，6-激光器，7-气体导管。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。
所使用的化学物质材料如下：
NiTi形状记忆合金丝（牌号为SE508，直径为100μm，由CONFLUENT MEDICAL.USA 公司生产）、氢氟酸、稀硝酸、丙酮、去离子水、无水乙醇、电木粉、金刚石研磨膏、砂纸，其准备用量如下：以克、毫升、毫米为计量单位。
镍钛形状记忆合金丝：NiTi（Φ100μm） 300mm±10mm
氢氟酸：HF 浓度40% 500mL±5mL
稀硝酸：HNO3 浓度63% 500mL±5mL
丙酮：CH3COCH3 浓度92% 500mL±5mL
无水乙醇：C2H5OH 500mL±5mL
去离子水：H2O 2000mL±20mL
电木粉：酚醛树脂 50g±10g
金刚石研磨膏：C 10g±1g
砂纸：400目 300mm×0.5mm×200mm
1200目 300mm×0.5mm×200mm
3000目 300mm×0.5mm×200mm
制备方法如下：
（1）、制备圆柱形模具
圆柱形模具1用6061铝合金制作，圆柱行模具尺寸为Φ3mm×30mm，圆柱形模具表面粗糙度为Ra0.08~0.16μm。
（2）、预处理NiTi形状记忆合金丝
2.1、将NiTi形状记忆合金丝在200mL的92%浓度的丙酮与500mL去离子水的混合溶液中浸泡3min；
2.2、用200mL去离子水，在超声波环境下清洗NiTi形状记忆合金丝5min；
2.3、将NiTi形状记忆合金丝置于干燥箱中在100℃下烘干30min。
（3）、如图1所示，在圆柱形模具上固定NiTi形状记忆合金丝
3.1、将一根长度150mm的NiTi形状记忆合金丝A2，顺时针缠绕在圆柱形模具上，螺旋上升角度为45°；
3.2、将另一根长度150mm的NiTi形状记忆合金丝B3，逆时针缠绕在圆柱形模具上，螺旋上升角度为45°；
3.3、A和B两根NiTi形状记忆合金丝在先后螺旋缠绕的过程中，一共形成了20个接触点4。
（4）、如图5所示，激光微连接过程
4.1、将装配有NiTi形状记忆合金丝的圆柱形模具1固定在激光器6下方的工作平台5上，将接触点的一侧水平朝上放置；
4.2、打开氩气阀门，控制气体导管7内的气体流量为5L/min，进行惰性气体保护；
4.3、调整焦距，根据经验选用最适焦距为30mm；
4.4、在激光控制面板上，选择激光功率30W；
4.5、在激光控制面板上，选择激光脉宽30fs；
4.6、在激光控制面板上，选择激光能量10J；
4.7、在激光控制面板上，选择出光频率1Hz；
4.8、启动激光器，依次对一侧的10个接触点进行激光微连接，结束关闭激光器；
4.9、调整圆柱形模具的方向，将未进行激光微连接的另一侧接触点水平朝上放置；
4.10、启动激光器，依次对一侧的10个接触点进行激光微连接，结束关闭激光器；
4.11、关闭气体阀门，将圆柱形模具从激光器工作平台上取下；
4.12、将连接上的NiTi形状记忆合金丝从圆柱形模具上取下。
（5）、检测、分析、表征
5.1、从已连接好的支架上，随机剪取一个接头；
5.2、将剪取下的接头，用无水乙醇在超声波下进行洗涤3min；
5.3、将剪取下的接头置于干燥箱中在100℃下烘干10min；
5.4、在电子显微镜下观察接头的宏观形貌；
5.5、将接头在镶嵌机中进行镶嵌，使用电木粉进行热镶嵌，加热至120℃保温5min；
5.6、将镶嵌好的接头试样依次用400目、1200目和3000目的砂纸进行打磨；
5.7、将打磨平整的接头式样用金刚石研磨膏进行抛光；
5.8、将抛光好的接头试样，用棉签蘸取腐蚀液（HF:HNO3:H20=1:2:3）擦拭，单方向均匀擦拭20s左右；
5.9、将腐蚀后的接头试样，用去离子水进行冲洗，置于干燥箱中在100℃下烘干5min；
5.10、将烘干后的接头试样，用无水乙醇进行清洗，置于干燥箱中在100℃下烘干10min；
5.11、在电子显微镜下观察接头的微观组织形貌；
5.12、用显微硬度仪分别测量接头焊缝中心、热影响区及母材的硬度；
5.13、用微小力学试验机测试接头的拉伸强度。
结论：激光微连接下的NiTi形状记忆合金丝，接头的焊接成型良好，搭接状态下的两根丝经焊接后处于同一个平面（如图2所示），表面光滑，热影响区窄，未出现气孔等缺陷，接头的硬度均达到Hv250以上（如图3所示），接头的抗拉强度达到1000MPa（如图4所示）。
总之，本发明使用飞秒超短脉冲激光微连接的方法，利用飞秒超短脉冲激光的原子共振产热、对材料破坏性小和无熔化金属的特点，目的是进一步减小尺寸并增加柔韧性和径向强度，以满足更细小、更曲折的介入治疗，将直径为100μm的NiTi形状记忆合金丝编织成直径为3mm的镂空支架。在实际应用中，可根据实际所需尺寸进行加工。
以上实施例仅用以说明本发明而非限制，本领域技术人员应当理解，对本发明内容进行修改或者等同替换，都不脱离本发明范围。

Claims (1)

1.一种利用超短脉冲激光制造人体植入支架的方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）、制备圆柱形模具
圆柱形模具用6061铝合金制作，圆柱形模具表面粗糙度为Ra0.08~0.16μm；
（2）、预处理NiTi形状记忆合金丝
2.1、将NiTi形状记忆合金丝在92%浓度的丙酮与去离子水的混合溶液中浸泡3min；
2.2、用去离子水，在超声波环境下清洗NiTi形状记忆合金丝5min；
2.3、将NiTi形状记忆合金丝置于干燥箱中，在100℃下烘干30min；
（3）、在圆柱形模具上固定NiTi形状记忆合金丝
3.1、将NiTi形状记忆合金丝A，顺时针缠绕在圆柱形模具上，螺旋上升角度为45°；
3.2、将另一根NiTi形状记忆合金丝B，逆时针缠绕在圆柱形模具上，螺旋上升角度为45°；
3.3、A和B两根NiTi形状记忆合金丝在先后螺旋缠绕的过程中，形成了若干个接触点；
（4）、激光微连接过程
4.1、将装配有NiTi形状记忆合金丝的圆柱形模具固定在激光器的工作平台上，将接触点的一侧水平朝上放置；
4.2、打开氩气阀门，控制气体流量为4~5L/min，进行惰性气体保护；
4.3、调整焦距，选用焦距为28~30mm；
4.4、在激光控制面板上，选择激光功率27~30W；
4.5、在激光控制面板上，选择激光脉宽30fs；
4.6、在激光控制面板上，选择激光能量10J；
4.7、在激光控制面板上，选择出光频率1Hz；
4.8、启动激光器，依次对一侧的接触点进行激光微连接，结束关闭激光器；
4.9、调整圆柱形模具的方向，将未进行激光微连接的另一侧接触点水平朝上放置；
4.10、启动激光器，依次对另一侧的接触点进行激光微连接，结束关闭激光器；
4.11、关闭气体阀门，将圆柱形模具从激光器工作平台上取下；
4.12、将连接上的NiTi形状记忆合金丝从圆柱形模具上取下；
（5）、检测、分析、表征
5.1、从已连接好的支架上，随机剪取一个接头；
5.2、将剪取下的接头，用无水乙醇在超声波下进行洗涤3min；
5.3、将剪取下的接头置于干燥箱中在100℃下烘干10min；
5.4、在电子显微镜下观察接头的宏观形貌；
5.5、将接头在镶嵌机中进行镶嵌，使用电木粉进行热镶嵌，加热至120℃保温5min；
5.6、将镶嵌好的接头试样依次用400目、1200目和3000目的砂纸进行打磨；
5.7、将打磨平整的接头试样用金刚石研磨膏进行抛光；
5.8、将抛光好的接头试样，用棉签蘸取腐蚀液擦拭，单方向均匀擦拭20s；其中，腐蚀液配比为HF：HNO3：H2O=1：2：3；
5.9、将腐蚀后的接头试样，用去离子水进行冲洗，置于干燥箱中在100℃下烘干5min；
5.10、将烘干后的接头试样，用无水乙醇进行清洗，置于干燥箱中在100℃下烘干10min；
5.11、在电子显微镜下观察接头的微观组织形貌；
5.12、用显微硬度仪分别测量接头焊缝中心、热影响区及母材的硬度；
5.13、用微小力学试验机测试接头的拉伸强度；
5.14、激光微连接下的NiTi形状记忆合金丝，搭接状态下的两根丝经焊接后处于同一个平面，接头的硬度均达到Hv250以上，接头的抗拉强度达到1000MPa。
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