CN108504922B - 一种生物可降解铁锌合金及其制备方法 - Google Patents

一种生物可降解铁锌合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种生物可降解铁锌合金及其制备方法，属于生物医用铁锌合金设计和制造技术领域。所述铁锌合金以质量百分比计包括铁80‑95％和锌5‑20％。其制备方法为：按设计组分配取铁粉和锌粉，在氩气保护下，于240‑400r/min转速下球磨大于20h，得到铁锌合金粉末；然后利用铁锌合金粉末，在氩气保护下，采用选择性激光烧结工艺，控制激光功率为100‑200W，扫描速率为10‑30mm/s，控制烧结温度750‑1400℃，控制光斑直径为80‑120μm制备铁锌合金。本发明用机械合金化结合选择性激光烧结成型制备生物可降解铁锌合金，其具有合适的降解速率，较高的力学强度和良好的生物相容性，在骨组织修复领域具有良好的应用前景。

Description

一种生物可降解铁锌合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种生物可降解铁锌合金及其制备方法，属于生物医用铁锌合金设计和制造技术领域。
背景技术
生物可降解材料近年来引起了人们极大的关注。目前常见的生物可降解材料主要分为三大类，包括生物高分子、生物陶瓷和生物可降解金属。其中生物高分子材料强度不足，而生物陶瓷的塑韧性较差，因此他们在临床上的应用受到了极大限制。近来，以铁基和锌基合金为代表的具有生物可降解特性的新一代医用金属材料的研究得到了人们的特别关注。这类新型医用金属材料改变了人们通常将金属植入材料作为生物惰性材料使用的传统思想，巧妙地利用铁基或镁基合金在人体环境中易发生腐蚀的特性，来实现金属植入物在体内逐渐降解直至最终消失的医学临床目的。此外，由于它们所具有的金属材料特性，其塑性、刚度、都要远优于现已开始临床应用的聚乳酸等可降解高分子材料，因而更适于在骨等硬组织修复方面的临床应用。
铁及其合金是被人们寄予厚望的可降解材料。相比高分子、陶瓷、镁合金，铁及其合金具有更高的力学强度，用作骨植入物时能够更好的提供结构支撑作用。同时，铁是人体的一种必要元素，参与了血红蛋白和多种酶的合成，具有良好的生物相容性。然而，铁在体内环境中的降解速度过慢，植入一年后大部分仍保持着较好的完整性，这对新组织的长入起到一定的抑制作用，从而影响了患者术后的康复。因此，加快铁的体内降解是促进其在临床应用的关键所在。
而Zn是生物体必需的微量元素，参与了DNA和RNA、蛋白质和多种酶的生物合成，对人体消化功能、免疫力功能等生理机能的正常运转有重要作用，同时Zn的标准电极电位低于Fe，且Zn具有良好的生物相容性，组元Zn的溶入，将会进一步加快铁基体阳极的腐蚀降解，提高合金降解速率。但是两者熔点相差很大，无法用常规熔炼的方法得到铁锌合金。
目前，铁锌合金的制备方法主要就是采用电沉积的方式，但是电沉积的方式速度很慢，会引入氧原子到基体中，从而使得形成具有较高耐腐蚀性能的氧化锌生产，反而阻碍铁锌合金基体的腐蚀过程。同时其所加工材料也仅为层片状、棒状，难以加工出只有复杂内部多孔的结构。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明第一个目的是在于提供一种具有良好的力学强度、合适降解速率的生物可降解铁锌合金。
本发明的第二个目的在于提供一种生物可降解铁锌合金的制备方法。
为了实现上述目的，提供如下技术方案：
一种生物可降解铁锌合金，所述生物可降解铁锌合金在模拟体液中的降解速率为0.2～0.4mm/year，极限拉伸强度为210～350MPa，其以质量百分比计包括下述组分：铁80-95％，锌5-20％。
优选的方案，所述生物可降解铁锌合金的降解速率为0.3～0.4mm/year。
优选的方案，所述生物可降解铁锌合金的极限拉伸强度为278～325MPa。
优选的方案，所述生物可降解铁锌合金，以质量百分比计包括下述组分：
铁85-90％，锌10-15％。
作为进一步的优选，所述生物可降解铁锌合金，以质量百分比计包括下述组分：铁90％，锌10％。
优选的方案，所述生物可降解铁锌合金的晶粒大小为5～15μm。
优选的方案，所述生物可降解铁锌合金，由铁锌合金粉末经选择性激光烧结成型。
本发明一种生物可降解铁锌合金的制备方法，包括下述步骤：
步骤一、机械合金化
按设计组分配取铁粉和锌粉，于惰性气氛保护下进行球磨获得铁锌合金粉末；所述球磨转速为240-400r/min，球磨时间＞20h；
步骤二、选择性激光烧结成型
将步骤一所得铁锌合金粉末在惰性气氛保护下进行选择性激光烧结工艺成型，即得到生物可降解铁锌合金；
所述激光烧结工艺过程中，控制激光功率为80-200W，扫描速率为10-30mm/s，控制烧结温度为750-1400℃。
本发明首先通过机械合金化获得过饱和固溶锌铁合金粉末，再通过选择性激光烧结工艺获得生物可降解铁锌合金，选择性激光烧结技术具有烧结温度低和升温、降温速度快的特点，不会破坏机械合金化所得到的铁锌过饱和固溶体，从而得到组分均匀的铁锌合金，使所得铁锌合金可保持更好的降解性能和力学性能。
发明人发现，选择性激光烧结成型工艺中，激光功率、扫描速率、烧结温度对所得生物可降解铁锌合金的性能具有较大的影响。激光功率过大导致烧结温度过高，会引起Fe-Zn非平衡固溶相完全液化，造成已固溶的Zn元素逃逸烧损，而激光功率过小导致烧结温度不够，液相形成过少，导致烧结产品致密度不足，降低产品的力学性能。同时，适当的提高扫描速率有利于减少烧结时间，提高冷却速率，有利于保持机械合金化所获得的Fe-Zn非平衡固溶体。
优选的方案，控制激光功率为100～180W。作为进一步的优选，控制激光功率为100～120W。
优选的方案，所述扫描速率为10～25mm/s。作为进一步的优选，所述扫描速度为22～25mm/s。
优选的方案，控制烧结温度为800～1300℃。作为进一步的优选，控制烧结温度为800～1000℃。
优选的方案，所述激光烧结工艺过程中，控制光斑直径为100-120μm。
发明人发现，在上述光斑直径范围内，所得光斑直径过大会影响所制备多孔骨支架尺寸过大，影响成型精度，而光斑直径过小，成型效率会大大降低。
优选的方案，所述铁粉的粒径为10～50μm，纯净度99.99％。
优选的方案，所述锌粉的粒径为10～50μm，纯净度99.99％。
优选的方案，所述球磨的转速为300～360r/min，作为进一步优选，所述球磨的转速为320～350r/min。
优选的方案，所述球磨的球料比为5:1～10:1。作为进一步的优选，所述球磨的球料比为8:1～10:1。
优选的方案，所述球磨的时间为30-40h。
优选的方案，所述步骤一中，惰性气氛为氩气气氛，所述氩气气氛的纯度为99.999％。
优选的方案，所述步骤二中，惰性气氛为氩气气氛，所述氩气气氛的纯度为99.999％。
本发明的原理与优势：
本发明首先通过机械合金化获得过饱和固溶锌铁合金粉末，再通过选择性激光烧结工艺获得生物可降解铁锌合金，采用机械合金化手段，通过磨球对粉末颗粒长时间剧烈冲击、碰撞，使混合粉末反复变形、断裂、悍合，在室温环境中就能实现原子间相互扩散、固态反应，从而获得铁锌合金粉末。在铁锌合金粉末中，锌以固溶方式存在于铁基体内，由于铁和锌的电极电位相差较大，能够显著降低了铁基合金电化学腐蚀的驱动力，从而显著提升了铁锌合金的腐蚀速度。同时本发明利用选择性激光烧结工艺，通过高能量密度激光扫描铁锌合金粉末，将合金粉末颗粒加热到表面微熔状态，使得粉末颗粒烧结在一起，从而获得铁锌合金产品。选择性激光烧结技术具有烧结温度低和升温、降温速度快的特点，不会破坏机械合金化所得到的铁锌过饱和固溶体，从而可得到组分均匀的铁锌合金。
因而本发明所设计和制备的铁锌合金不仅具有良好的力学强度、良好的生物相容性，且在生物环境中适中的降解速率，在模拟体液中的降解速率为0.2～0.4mm/year。
另外本发明中涉及的选择性激光烧结技术是一种增材制造方法，能够成型任意复杂形状的铁锌合金。
综上所述，本发明中的铁锌合金具有较高的力学强度，适宜的降解速度以及良好的生物相容性，且可根据需要获得任意复杂形状，在骨修复领域有较好的前景与应用价值。
附图说明
图1、激光烧结Fe-Zn合金XRD图谱。
图2、激光烧结Fe-Zn合金微组织图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明中，以下实施例和对比例中，所用球磨机为行星轮球磨机，其型号为SPex800。所用选择性激光成型工艺的设备为自行开发的光纤激光器烧结系统，由光纤激光器IPG CW500，振镜Raylase Superscan IIE和控制系统组成。
实施例1
采用50μm铁粉和50μm锌粉末为原料，按90:10的质量比称量0.9g铁粉末，0.1g锌粉末，在99.999％高纯氩气保护下球磨，球磨机转速350r/min、球料比10:1、球磨时间40h，球磨后得到铁锌过饱和固溶合金粉末。
将所得铁锌过饱和固溶合金粉末置于光纤烧结系统成型腔室中，在99.999％高纯氩气保护、光斑直径100μm，激光功率180W、扫描速度10mm/s的工艺条件下，控制烧结温度为1300℃，利用选择性激光熔化工艺制备得到生物可降解铁锌合金。
物相检测发现(图1)，所制备铁锌合金只具有铁衍射峰，表明锌完全固溶在铁基体中形成了过饱和固溶体；
从微观组织图(图2)可以看出，实施例1中所得生物可降解铁锌合金的晶粒尺寸为10-15μm：
电化学分析发现，铁锌合金在模拟体液中的腐蚀电位-0.62V，腐蚀电流密度4.75μA/cm2，利用失重法计算腐蚀速率为0.31mm/year，极限拉伸强度278.4Mpa。
实施例2
采用50μm铁粉和50μm锌粉末为原料，按90:10的质量比称量0.9g铁粉末，0.1g锌粉末，在99.999％高纯氩气保护下球磨，球磨机转速350r/min、球料比10:1、球磨时间40h，球磨后得到铁锌过饱和固溶合金粉末。
在99.999％高纯氩气保护、光斑直径100μm、激光功率100W、扫描速度25mm/s的工艺条件下，控制烧结温度为1000℃，利用选择性激光熔化工艺制备得到铁锌合金。
物相检测发现，所制备铁锌合金只具有铁衍射峰，表明锌完全固溶在铁基体中形成了过饱和固溶体；晶粒尺寸为5-12μm；电化学分析发现，铁锌合金在模拟体液中的腐蚀电位-0.64V，腐蚀电流密度6.92μA/cm2，利用失重法计算腐蚀速率为0.4mm/year，极限拉伸强度324.8Mpa。
实施例3
采用50μm铁粉和50μm锌粉末为原料，按90:10的质量比称量0.9g铁粉末，0.1g锌粉末，在99.999％高纯氩气保护下球磨，球磨机转速350r/min、球料比10:1、球磨时间40h，球磨后得到铁锌过饱和固溶合金粉末。
在99.999％高纯氩气保护、光斑直径100μm、激光功率80W、扫描速度30mm/s的工艺条件下，控制烧结温度为800℃，利用选择性激光熔化工艺制备得到铁锌合金。
物相检测发现，所制备铁锌合金只具有铁衍射峰，表明锌完全固溶在铁基体中形成了过饱和固溶体；晶粒尺寸为5-10μm；电化学分析发现，铁锌合金在模拟体液中的腐蚀电位-0.65V，腐蚀电流密度5.61μA/cm2，利用失重法计算腐蚀速率为0.34mm/year，极限拉伸强度238.6Mpa。
实施例4
采用50μm铁粉和50μm锌粉末为原料，按90:10的质量比称量0.9g铁粉末，0.1g锌粉末，在99.999％高纯氩气保护下球磨，球磨机转速350r/min、球料比10:1、球磨时间30h，球磨后得到铁锌过饱和固溶合金粉末。
在99.999％高纯氩气保护、光斑直径100μm、激光功率100W、扫描速度25mm/s的工艺条件下，控制烧结温度为1000℃，利用选择性激光熔化工艺制备得到铁锌合金。
物相检测发现，所制备铁锌合金只具有铁衍射峰，表明锌完全固溶在铁基体中形成了过饱和固溶体；晶粒尺寸为5-12μm；电化学分析发现，铁锌合金在模拟体液中的腐蚀电位-0.53V，腐蚀电流密度5.76μA/cm2，利用失重法计算腐蚀速率为0.33mm/year，极限拉伸强度231.7Mpa。
实施例5
采用50μm铁粉和50μm锌粉末为原料，按95:5的质量比称量0.95g铁粉末，0.05g锌粉末，在99.999％高纯氩气保护下球磨，球磨机转速350r/min、球料比10:1、球磨时间40h，球磨后得到铁锌过饱和固溶合金粉末。
在99.999％高纯氩气保护、光斑直径100μm、，激光功率100W、扫描速度25mm/s的工艺条件下，控制烧结温度为1000℃，利用选择性激光熔化工艺制备得到铁锌合金。
物相检测发现，所制备铁锌合金只具有铁衍射峰，表明锌完全固溶在铁基体中形成了过饱和固溶体；晶粒尺寸为5-12μm；电化学分析发现，铁锌合金在模拟体液中的腐蚀电位-0.54V，腐蚀电流密度5.43μA/cm2，利用失重法计算腐蚀速率为0.31mm/year，极限拉伸强度216.7Mpa。
实施例6
采用50μm铁粉和50μm锌粉末为原料，按85:15的质量比称量0.85g铁粉末，0.15g锌粉末，在99.999％高纯氩气保护下球磨，球磨机转速350r/min、球料比10:1、球磨时间40h，球磨后得到铁锌过饱和固溶合金粉末。
在99.999％高纯氩气保护、光斑直径100μm、，激光功率100W、扫描速度25mm/s的工艺条件下，控制烧结温度为1000℃，利用选择性激光熔化工艺制备得到铁锌合金。
物相检测发现，所制备铁锌合金只具有铁衍射峰，表明锌完全固溶在铁基体中形成了过饱和固溶体；晶粒尺寸为5-12μm；电化学分析发现，铁锌合金在模拟体液中的腐蚀电位-0.61V，腐蚀电流密度6.73μA/cm2，利用失重法计算腐蚀速率为0.38mm/year，极限拉伸强度302.5Mpa。
对比例1
其他条件均与实施例2一致，不同之处在于：球磨时间10h，得到铁锌粉末，其所得产品腐蚀速率为0.09mm/year，极限拉伸强度218.1Mpa。
对比例2
其他条件均与实施例2一致，不同之处在于：激光功率70W的工艺条件下，得到产品，其所得产品的腐蚀电流密度为5.68μA/cm2、年腐蚀速率为0.36mm/year，极限拉伸强度135.8Mpa。
对比例3
其他条件均与实施例2一致，不同之处在于：激光功率260W的工艺条件下，得到产品，其所得产品的腐蚀电流密度为1.35μA/cm2、年腐蚀速率为0.13mm/year，极限拉伸强度227.8Mpa。
对比例4
其他条件均与实施例2一致，不同之处在于：扫描速率8mm/s的工艺条件下，得到产品，其所得产品的腐蚀电流密度为1.28μA/cm2、年腐蚀速率为0.12mm/year，极限拉伸强度214.6Mpa。
对比例5
其他条件均与实施例2一致，不同之处在于：扫描速率40mm/s的工艺条件下，得到产品，其所得产品的腐蚀电流密度为5.58μA/cm2、年腐蚀速率为0.38mm/year，极限拉伸强度130.8Mpa。
对比例6
先按照实施例2的条件获取铁锌过饱和固溶合金粉末，先经压制成型，再在氩气保护下，烧结压力为50MPa，升温速率100℃/min，烧结温度800℃的条件下进行SPS烧结，获得铁锌合金，其所得产品的腐蚀电流密度为5.01μA/cm2、年腐蚀速率为0.29mm/year，极限拉伸强度208.9Mpa。

Claims (6)

1.一种生物可降解铁锌合金，其特征在于：所述生物可降解铁锌合金在模拟体液中的降解速率为0.3～0.4mm/year，极限拉伸强度为230～350MPa，其以质量百分比计包括下述组分：铁80-95％，锌5-20％；所述生物可降解铁锌合金的晶粒大小为5～15μm；所述生物可降解铁锌合金的制备方法，包括下述步骤：
步骤一、机械合金化
按设计组分配取铁粉和锌粉，于惰性气氛保护下进行球磨获得铁锌合金粉末；所述球磨的转速为300～360r/min，所述球磨的时间为30-40h，所述球磨的球料比为5:1～10:1；
步骤二、选择性激光烧结成型
将步骤一所得铁锌合金粉末在惰性气氛保护下进行选择性激光烧结工艺成型，即得到生物可降解铁锌合金；
所述激光烧结工艺过程中，控制激光功率为80-200W，扫描速率为10-30mm/s，控制烧结温度为750-1400℃。
2.根据权利要求1所述的一种生物可降解铁锌合金的制备方法，其特征在于：控制激光功率为100～180W。
3.根据权利要求1所述的一种生物可降解铁锌合金的制备方法，其特征在于：所述扫描速率为10～25mm/s。
4.根据权利要求1所述的一种生物可降解铁锌合金的制备方法，其特征在于：控制烧结温度为800～1300℃。
5.根据权利要求1所述的一种生物可降解铁锌合金的制备方法，其特征在于：所述激光烧结工艺过程中，控制光斑直径为100-120μm。
6.根据权利要求1所述的一种生物可降解铁锌合金的制备方法，其特征在于：所述铁粉的粒径为10～50μm，纯净度99.99％；所述锌粉的粒径为10～50μm，纯净度99.99％。
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