CN108593489B - 3d打印镁合金材料降解性测试装置及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种3D打印镁合金生物材料降解性测试装置，包括固定在支架上的心脏仿生舱、载样装置、预处理装置；心脏仿生舱通过无孔仿生瓣膜板分隔成两个独立区域，独立区域内分别设置有多孔仿生瓣膜板，底部两侧设有出口，通过动力泵与储液箱连接，储液箱连接控温系统，心脏仿生舱还连接温度检测器、氢气检测仪、压力传感器、储气罐、PH自动控制系统和报警器；上部支架上设有转轴，载样装置安装在转轴上，载样装置包括调速电机，调速电机输出轴的一端固定有钻夹头，钻夹头上装有载样器；预处理装置包括超声装置、干燥箱、称重器。本发明自动化程度高，能够比较准确的模拟植入材料在人体内的降解行为，测试方便快捷，结果精确直观。

Description

3D打印镁合金材料降解性测试装置及应用

技术领域

本发明属于生物医学领域，涉及3D打印镁合金材料降解性测试装置及应用。

背景技术

镁合金具有较好的力学性能、生物相容性以及人体生理体液中的可降解等优点，有望成为理想的生物医用金属材料。随着3D打印技术的发展，可利用该技术制备形状尺寸完全贴合的镁合金生物材料，实现定制。然而，对于植入人体的材料如骨钉，人工骨，支架等，在服役过程中，研究体内植入材料的腐蚀降解行为不仅程序流程复杂，且测试环境和条件苛刻，难以实现，而通过建立体外循环系统模拟植入材料的腐蚀降解行为，能够直观的反应材料各个时段的腐蚀降解性，操作性强，可控性高。

体内植入材料的降解是一种封闭、无菌、恒温的过程，而现有的动态模拟测试装置大多未考虑这一点，精确模拟人体内的降解行为通常要考虑人体内血液流速、血压等因素对其植入材料的影响。中国发明专利申请号为201010265183.1一文中介绍了一种镁合金医疗器械生物降解性能体外动态模拟测试设备，专利中通过引用水平运动平台带动固定在其上的上位载样器装夹试样实现运动，而此过程中虽然体现了试样在流体介质中的运动，但介质的运动状况对于材料的腐蚀行为却不能直观的反应出来，介质的流速，稳、紊流都对材料的腐蚀有着不同的影响。

人体血管内血液的流动是一个复杂的过程，植入的材料会受到血液的剪切作用，血液流速等对植入材料的腐蚀性能的影响都是亟待解决的问题，而这些参数的变化对于人体内的植入材料的腐蚀降解行为可视化较低，通过设计、开发适应镁合金生物降解特性的动态模拟试验设备，具有较高的操作性，可控性等优点是生物医用镁合金技术研发的重点。

发明内容

本发明是为了解决现有镁合金医疗器械生物降解性能体外测试设备所存在的测试结果不精确，结果不直观的问题，而提供了一种3D打印镁合金材料降解性测试装置。

本发明的另一个目的是提供3D打印镁合金材料降解性测试装置的应用。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种3D打印镁合金生物材料降解性测试装置，包括固定在支架上的心脏仿生舱、载样装置、预处理装置；

所述的心脏仿生舱的内部中间位置固定有无孔仿生瓣膜板，无孔仿生瓣膜板将心脏仿生舱分隔成两个左右互不相通的独立区域，在无孔仿生瓣膜板两侧的心脏仿生舱内分别设置有多孔仿生瓣膜板，所述心脏仿生舱的底部两侧均设有出口，通过两个动力泵分别与安装有流量计的供液管路与储液箱连接，储液箱连接控温系统，所述的心脏仿生舱还分别连接有温度检测器、氢气检测仪、压力传感器、储气罐、PH自动控制系统和报警器；

所述心脏仿生舱上部的支架上设置有转轴，所述的载样装置安装在转轴上，所述的载样装置包括设置在转轴上的调速电机，调速电机的输出轴的一端固定有钻夹头，钻夹头上装夹有两个载样器；

所述的预处理装置包括依次固定的转轴下方的心脏仿生舱一侧的超声装置、干燥箱、称重器。

进一步地，所述的动力泵为可变流量动力泵，所述的流量计为高精度流量计，所述的供液管路为透明弹性软管，可变流量动力泵固定在储液箱内，高精度流量计安装在透明弹性软管靠近心脏仿生舱的末端；整个降解过程是在心脏仿生舱中完成，由心脏仿生舱，储液箱，可变流量动力泵，透明弹性软管，高精度流量计组成循环系统。

所述的储液箱固定在心脏仿生舱的下部，由15mm厚的有机玻璃制成，所述的心脏仿生舱为矩形状、圆筒状、或者广口瓶状结构，也由15mm厚的有机玻璃制成。

其中所述的无孔仿生瓣膜板由生物塑料加工而成，两个载样器分别设置在左右两侧心脏仿生舱区域中，3D打印镁合金块体测试试样固定于载样器末端的抓手上，心脏仿生舱的左右两侧底部均设有出口，通过供液管路与储液箱相连，储液箱中内设两个动力泵，两动力泵并排放置，且分别用来控制输入左右两侧心脏动脉、静脉血液的流量、流速和压力。

所述的无孔仿生瓣膜板两侧的心脏仿生舱内分别设置有三个多孔仿生瓣膜板，三个多孔仿生瓣膜板的一端分别固定于心脏仿生舱的左侧、右侧、后侧方，另一端均固定于心脏仿生舱的顶部，所述的多孔仿生瓣膜板由生物材料制成，厚度为0.2mm，孔眼为圆形、方形、五边形或者六边形等，孔径为3-8mm，板面孔隙率为50-70%。

还包括工业高速相机、制系统和终端显示装置，所述的工业高速相机安装在心脏仿生舱的正前方，通过控制系统与终端显示装置连接，所述的报警器与控制系统连接，其中终端显示装置可以为电脑或者手机；

所述的载样器的末端为弧形装的抓手结构，所述的抓手结构的外层涂覆有绝缘层，本发明采用了更纤细的弧形状抓手结构完成整个操作过程，抓手外套一绝缘层，抓手的纤细程度可使合金暴露在流体中的表面最大化，减少了测试过程中数据偏差，而且弧形状的设计使得试样夹固更牢靠，对心脏仿生舱内流体的流动特性影响更小。

更进一步地，上述3D打印镁合金生物材料降解性测试装置在其他生物医用合金上的应用，尤其是在镁合金上的应用。

上述在镁合金上的应用，包括了以下步骤：

（1）利用ansys模拟软件，模拟植入镁合金的受力情况及降解速率，优化植入镁合金结构及成分，然后利用3D打印装置打印成形生物镁合金，得到试样；

（2）将试样固定在载样器上，启动调速电机，调速电机带动载样器运动至超声装置，超声清洗5-10min，由调速电机继续带动载样器运动至干燥装置，干燥4-7min，继续由调速电机带动载样器运动至高精度天平(天平的精度为0.0001)，完成试样的初始称重；

（3）向储液箱中加入模拟血液溶液，开启控温系统，升温速率为2-10℃/min，升温至37±0.5℃；用PH自动控制系统调节模拟血液PH值至7.4±0.05，启动固定在储液箱中的动力泵，控制模拟血液经动力泵和高精度流量计的出口流速为14cm/s；

（4）由调速电机带动载样器运动至心脏仿生舱中心靠右位置，关闭调速电机，打开储气罐，向心脏仿生舱内通入二氧化碳气体，启动压力传感器，调节试样所在位置处压力值为15kpa，并由控制系统实时监控合金所在位置处的压力；

（5）打开氢气检测仪、报警器，设置报警器中氢气含量值为0.01（ml/cm2）d-1(镁合金腐蚀速率与其析氢量有关)；调整相机与试样间的距离，使其达到最佳的拍照距离，并将相机拍到的图片信息反馈到控制系统；

（6）控制系统接收图片信息后，经处理软件计算机图像识别技术，获取合金表面腐蚀形貌，分析合金的腐蚀行为；

（7）当氢气值达到所设定的值时，触发报警器，重新启动调速电机，进行超声(超声是在200g/LCrO3和10g/LAgNO3溶液中清洗5-10min)，干燥(干燥4-7min)，称重(天平的精度为0.0001)处理，计算合金的失重率，将计算得到的失重率数据导入控制系统中，结合上述控制系统获取的合金表面腐蚀形貌，全面分析合金的降解性。

本发明的工作原理为：测试前，启动调速电机，由调速电机带动载样器在转轴水平运动至超声装置，对合金进行表面处理，表面处理结束后，继续带动载样器运动至干燥箱，对合金进行干燥处理(为后续的称重做准备)，干燥箱的温度可调，干燥4-7分钟后，结束此过程，在称重器如高精度天平处完成测试合金的初始称重，称重结束，调速电机带动载样器运动至心脏仿生舱正上方，两个载样器分别固定在由无孔仿生瓣膜板隔开的心脏仿生舱的两侧，开始降解测试过程；开始测试时，与储液箱连接的控温系统调节储液箱中液体的温度，其中储液箱中的模拟介质模拟血液溶液，测试前开启控温系统，将储液箱中液体的温度调至37±0.5℃，可变流量动力泵提供整个循环回路的动力，通过透明弹性软管连通整个回路，高精度流量计在透明弹性软管的出口端，精密控制流入心脏仿生舱中液体的流量，控制流体介质经动力泵和高精度流量计的出口流速为14cm/s左右；与心脏仿生舱连接的温度检测器检测心脏仿生舱内流体的温度，如有偏差，可通过调节控温系统调节，温度以心脏仿生舱内流体的温度为标准；氢气检测仪收集降解过程中产生的氢气，通过显示屏实时显示；压力传感器检测整个系统内的压力并维持系统一定的压力， (人体内静脉血压值为15kpa，模拟更真实)；储气罐内的二氧化碳气体，可根据人体内二氧化碳的量值通过气体流量计精密控制；PH自动控制系统实时调节心脏仿生舱内流体PH至7.4±0.05；工业高速相机实时拍摄降解过程，将拍摄到的整个降解过程传输至控制系统，最终通过终端显示器（如手机）连接至控制系统查看、监测整个降解过程；报警器可设定时间以及氢气量值，当达到相应的时间以及氢气量时，触发报警器，回馈到控制系统中，提醒工作者降解过程已结束，进行后续操作；降解结束后，重复测试前的超声处理，干燥处理，称重过程，完成整个降解过程；其中本发明无孔仿生瓣膜板的设立是基于人体内动脉和静脉不相通这一原则，利用无孔仿生瓣膜板将心脏仿生舱分隔成两个左右互不相通的独立区域，其中左侧区域模拟心脏动脉血流过程，右侧区域模拟心脏静脉血流过程，在左侧区域模拟动脉血液的流动过程中，通过泵体控制模拟心脏血液进出口的流速和压力，流速为18-22cm/s，3D打印镁合金块体测试试样所在位置处的压力为14kpa，右侧区域模拟心脏静脉血液的流动过程，通过泵体控制模拟心脏血液进出口的流速和压力，流速为7-8cm/s，3D打印镁合金块体测试试样所在位置处的压力为1kpa；多孔仿生瓣膜板是模仿心脏与主动脉和静脉之间的瓣膜，好似单向阀门，保证血液按一定方向，一定流速流动，而不倒流，并能模拟按照人体心脏的节律性规律性的开启和关闭，推动血液沿单一方向循环，一般情况下心脏每分钟收缩舒张约70次,每次搏血量为70毫升,心脏1分钟的搏血量约为5升,心脏每秒搏动输出的血液(即主动脉量)Q=8.3x10^-5m³/s，多孔的设计使得血流经过多孔瓣膜板时，无涡流，跨瓣压差接近于零，保证实现血流按一定方向，一定的稳流方式流动而不倒流。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1）无孔仿生瓣膜板和多孔仿生瓣膜板由生物材料制作成，耐久性好，与机体的相容性好，具有良好的抗血栓作用，而且不破坏血液成分，无明显的排斥反应；

2）采用透明弹性软管作为模拟血管的替代品输送介质，这是因为人体内血管具有弹性和扩张性，且透明弹性软管能够降低流体的脉动性，保证流体的持续流动；

3）采用储气罐内储存如二氧化碳等人体内含有的气体，可真实的模拟植入材料的降解过程；

4）增加PH自动控制系统，可自动控制循环回路中流体的PH值，维持PH恒定；

5）测试前后对合金的处理过程均可利用电机带动装夹试样的载样器进行超声、干燥以及称重等操作，自动化程度较高；

6）液体介质循环回路由上下放置的心脏仿生舱和储液罐通过弹性透明软管相连构成回路，这样的放置方式可直接通过氢气检测仪收集整个降解过程中产生的氢气，直观的反映合金的降解速率；工业高速相机可直接拍摄整个降解过程，可视化程度较高。

总上所述，本发明自动化程度高，能够比较准确的模拟植入材料在人体内的降解行为，测试方便快捷，结果精确直观。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为载样器的结构示意图；

图3为心脏仿生舱剖面结构示意图；

图4为多孔仿生瓣膜板的结构示意图；

图5为实施例2心脏仿生舱结构示意图；

图中：1-调速电机，2-转轴，3-称重器，4-干燥箱，5-超声装置，6-控温系统，7-温度检测器，8-流量计，9-供液管路，10-氢气检测仪，11-心脏仿生舱，12-载样器，13-多孔仿生瓣膜板，14-动力泵，15-储液箱，16-工业高速相机，17-控制系统，18-PH自动控制系统，19-储气罐，20-气体流量计，21-报警器，22-压力传感器，23-钻夹头，24-支架，25-高精度流量计，26-无孔仿生瓣膜板。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明进行进一步的说明，但应该理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。本领域技术人员在本发明基础上对本发明作出的各种改动或修改，均应同样落于本发明的保护范围之内。

实施例1

如图1、2、3所示的一种3D打印镁合金生物材料降解性测试装置，包括固定在支架24上的心脏仿生舱11、载样装置、预处理装置；所述的心脏仿生舱11的内部中间位置固定有无孔仿生瓣膜板26，无孔仿生瓣膜板26将心脏仿生舱11分隔成两个左右互不相通的独立区域，在无孔仿生瓣膜板26两侧的心脏仿生舱内分别设置有多孔仿生瓣膜板13，所述心脏仿生舱11的底部两侧均设有出口，外部通过两个动力泵14与安装有流量计8和高精度流量节25的供液管路9与储液箱15连接，储液箱15连接控温系统6，所述的心脏仿生舱11还分别连接有温度检测器7、氢气检测仪10、压力传感器22、设置有气体流量计20的储气罐19、PH自动控制系统18和报警器21；所述心脏仿生舱11上部的支架上设置有转轴2，所述的载样装置安装在转轴2上，所述的载样装置包括设置在转轴2上的调速电机1，调速电机1的输出轴的一端固定有钻夹头23，钻夹头23上装夹有两个载样器12；所述的预处理装置包括依次固定的转轴2下方的心脏仿生舱一侧的超声装置5、干燥箱4、称重器3。

其中，所述的无孔仿生瓣膜板26由生物塑料加工而成，两个载样器12分别设置在左右两侧心脏仿生舱11区域中；无孔仿生瓣膜板26两侧的心脏仿生舱内分别设置有三个多孔仿生瓣膜板26，三个多孔仿生瓣膜板26的一端分别固定于心脏仿生舱11的左侧、右侧、后侧方，另一端均固定于心脏仿生舱的顶部，多孔仿生瓣膜板13由生物材料制成，结构如图4所示，厚度为0.2mm，孔眼为圆形、方形、五边形或者六边形等，孔径为3-8mm，板面孔隙率为50-70%；动力泵14为可变流量动力泵，流量计8为高精度流量计，供液管路9为透明弹性软管，可变流量动力泵固定在储液箱15内，高精度流量计安装在透明弹性软管靠近心脏仿生舱11的末端；所述的储液箱15固定在心脏仿生舱11的下部，由15mm厚的有机玻璃制成，所述的心脏仿生舱为矩形状，由15mm厚的有机玻璃制成；载样器12的末端为弧形装的抓手结构，所述的抓手结构的外层涂覆有绝缘层抓手的纤细程度可使合金暴露在流体中的表面最大化，减少了测试过程中数据偏差，而且弧形状的设计使得试样夹固更牢靠，对心脏仿生舱内流体的流动特性影响更小；还包括工业高速相机16、控制系统17和手机，所述的工业高速相机16安装在心脏仿生舱11的正前方，通过控制系统17与手机无线连接，所述的报警器21与控制系统17连接。

测试步骤为:

(1) 利用ansys模拟软件，模拟AZ91D镁合金的受力情况及降解速率，优化AZ91D镁合金结构及成分，然后利用3D打印方法打印成形AZ91D生物镁合金；

（2）启动控制载样器的动力系统，由电机1带动载样器12在转轴2上水平运动至超声装置5，对合金进行表面处理，超声清洗5-10min，表面处理结束后，电机1继续带动载样器12运动至干燥箱4，对合金进行干燥处理(为后续的称重做准备)，干燥箱4的温度可调，干燥5分钟后，结束此过程，在称重器3（高精度天平，精度为0.0001）处完成测试合金的初始称重，称重结束，电机1带动载样器12运动至心脏仿生舱正上方，开始降解测试过程；

（3）向储液箱15中加入模拟血液溶液，开启控温系统6，开启控温系统6固定在储液箱15的左侧，升温速率为2-10℃/min，升温至37±0.5℃；用PH自动控制系统18调节模拟血液PH值至7.4±0.05，启动固定在储液箱15中的动力泵14，为整个循环回路提供动力，控制模拟血液经动力泵14、流量计8和高精度流量计15进入心脏仿生舱11，并控制高精度流量计15的出口流速为14cm/s；

（4）由调速电机1带动载样器12运动至心脏仿生舱11中心靠右位置，关闭调速电机1，打开储气罐19，向心脏仿生舱11内通入二氧化碳气体，启动压力传感器22，调节试样所在位置处压力值为15kpa，并由控制系统14实时监控合金所在位置处的压力；

（5）打开氢气检测仪、报警器，设置报警器中氢气含量值为0.01（ml/cm2）d-1(镁合金腐蚀速率与其析氢量有关)；调整相机与试样间的距离，使其达到最佳的拍照距离，并将相机拍到的图片信息反馈到控制系统；

心脏仿生舱11上方的氢气检测仪收集降解过程中产生的氢气，通过显示屏实时显示，压力传感器22检测整个系统内的压力并维持系统一定的压力(人体内具有一定的压力，模拟更真实)，储气罐19内的二氧化碳气体，可根据人体内二氧化碳的量值通过气体流量20精密控制、PH自动控制系统18实时调节心脏仿生舱内流体PH至7.4；实验开始时，心脏仿生舱内11流体的体积不变，流体介质经流量计8和高精度流量计25的出口，流速为14cm/s(与人体内血液的流速保持一致),且通过压力传感器22调节降解材料所在位置处的压力值为体内静脉血压值相等为15kpa；

（6）控制系统接收图片信息后，经处理软件计算机图像识别技术，获取合金表面腐蚀形貌，分析合金的腐蚀行为；

（7）当氢气值达到所设定的值时，触发报警器，重新启动调速电机，进行超声(超声是在200g/LCrO3和10g/LAgNO3溶液中清洗5-10min)，干燥(干燥4-7min)，称重(天平的精度为0.0001)处理，计算合金的失重率，将计算得到的失重率数据导入控制系统中，结合上述控制系统获取的合金表面腐蚀形貌，全面分析合金的降解性。

实施例2

如图1、2、3所示的一种3D打印镁合金生物材料降解性测试装置，包括固定在支架24上的心脏仿生舱11、载样装置、预处理装置；所述的心脏仿生舱11的内部中间位置固定有无孔仿生瓣膜板26，无孔仿生瓣膜板26将心脏仿生舱11分隔成两个左右互不相通的独立区域，在无孔仿生瓣膜板26两侧的心脏仿生舱内分别设置有多孔仿生瓣膜板13，所述心脏仿生舱11的底部两侧均设有出口，外部通过两个动力泵14与安装有流量计8和高精度流量节25的供液管路9与储液箱15连接，储液箱15连接控温系统6，所述的心脏仿生舱11还分别连接有温度检测器7、氢气检测仪10、压力传感器22、设置有气体流量计20的储气罐19、PH自动控制系统18和报警器21；所述心脏仿生舱11上部的支架上设置有转轴2，所述的载样装置安装在转轴2上，所述的载样装置包括设置在转轴2上的调速电机1，调速电机1的输出轴的一端固定有钻夹头23，钻夹头23上装夹有两个载样器12；所述的预处理装置包括依次固定的转轴2下方的心脏仿生舱一侧的超声装置5、干燥箱4、称重器3。

其中，所述的无孔仿生瓣膜板26由生物塑料加工而成，两个载样器12分别设置在左右两侧心脏仿生舱11区域中；无孔仿生瓣膜板26两侧的心脏仿生舱内分别设置有三个多孔仿生瓣膜板26，三个多孔仿生瓣膜板26的一端分别固定于心脏仿生舱11的左侧、右侧、后侧方，另一端均固定于心脏仿生舱的顶部，多孔仿生瓣膜板13由生物材料制成，厚度为0.2mm，孔眼为圆形、方形、五边形或者六边形等，孔径为3-8mm，板面孔隙率为50-70%；动力泵14为可变流量动力泵，流量计8为高精度流量计，供液管路9为透明弹性软管，可变流量动力泵固定在储液箱15内，高精度流量计安装在透明弹性软管靠近心脏仿生舱11的末端；如图5所示，所述的心脏仿生舱为圆筒状，由15mm厚的有机玻璃制成；动力泵为可变流量动力泵，流量计为高精度流量计，供液管路为透明弹性软管，可变流量动力泵固定在储液箱内，高精度流量计安装在透明弹性软管靠近心脏仿生舱的末端；所述的储液箱固定在心脏仿生舱的下部，由15mm厚的有机玻璃制成；还包括工业高速相机、控制系统和电脑，所述的工业高速相机安装在心脏仿生舱的正前方，通过控制系统与电脑通过有线或者无线连接，所述的报警器与控制系统连接。

测试步骤为：

（1）利用ansys模拟软件，模拟AZ91D镁合金的受力情况及降解速率，优化AZ91D镁合金结构及成分，然后利用3D打印方法打印成形AZ91D生物镁合金；

（2）启动调速电机，调速电机带动载样器运动至超声装置，超声清洗5min，超声清洗完毕后，由调速电机继续带动载样器运动至干燥装置，干燥4min，干燥完毕，继续由调速电机带动载样器运动至高精度天平(天平的精度为0.0001)，完成试样的初始称重；

（3）向储液箱中加入模拟血液溶液，开启控温系统，升温速率为3℃/min，升温至36.5℃，保持温度恒定。用PH自动控制系统调节模拟血液PH值至7.4，启动固定在储液箱中的动力泵，控制模拟血液经动力泵和高精度流量计的出口流速为14cm/s；

（4）调速电机带动载样器运动至心脏仿生舱中心靠右位置，关闭调速电机，打开储气罐，向心脏仿生舱内通入二氧化碳气体，启动压力传感器，调节合金所在位置处压力值为15kpa，并由控制系统实时监控合金所在位置处的压力；

（5）打开氢气检测仪、报警器，设置报警器中氢气含量值为0.01（ml/cm2）d-1(镁合金腐蚀速率与其析氢量有关)；

（6）调整相机与合金间的距离，使其达到最佳的拍照距离，并将相机拍到的图片信息反馈到控制系统；

（7）控制系统接收图片信息后，经处理软件计算机图像识别技术，获取合金表面腐蚀形貌；控制系统根据获取的合金表面腐蚀形貌，分析合金的腐蚀行为。然后将信息保存，为后续镁合金成分设计提供指导；

（8）当氢气值达到所设定的值时，触发报警器，提醒工作人员当前实验已结束，重新启动调速电机，进行超声(超声是在200g/LCrO3和10g/LAgNO3溶液中清洗5min)，干燥(干燥4min)，称重(天平的精度为0.0001)处理，计算合金的失重率，将计算得到的失重率数据导入控制系统中，结合上述控制系统获取合金表面腐蚀形貌，全面分析合金的降解性。

实施例3

如图1、2、3所示的一种3D打印镁合金生物材料降解性测试装置，包括固定在支如图1、2、3所示的一种3D打印镁合金生物材料降解性测试装置，包括固定在支架24上的心脏仿生舱11、载样装置、预处理装置；所述的心脏仿生舱11的内部中间位置固定有无孔仿生瓣膜板26，无孔仿生瓣膜板26将心脏仿生舱11分隔成两个左右互不相通的独立区域，在无孔仿生瓣膜板26两侧的心脏仿生舱内分别设置有多孔仿生瓣膜板13，所述心脏仿生舱11的底部两侧均设有出口，外部通过两个动力泵14与安装有流量计8和高精度流量节25的供液管路9与储液箱15连接，储液箱15连接控温系统6，所述的心脏仿生舱11还分别连接有温度检测器7、氢气检测仪10、压力传感器22、设置有气体流量计20的储气罐19、PH自动控制系统18和报警器21；所述心脏仿生舱11上部的支架上设置有转轴2，所述的载样装置安装在转轴2上，所述的载样装置包括设置在转轴2上的调速电机1，调速电机1的输出轴的一端固定有钻夹头23，钻夹头23上装夹有两个载样器12；所述的预处理装置包括依次固定的转轴2下方的心脏仿生舱一侧的超声装置5、干燥箱4、称重器3。

其中，所述的无孔仿生瓣膜板26由生物塑料加工而成，两个载样器12分别设置在左右两侧心脏仿生舱11区域中；无孔仿生瓣膜板26两侧的心脏仿生舱内分别设置有三个多孔仿生瓣膜板26，三个多孔仿生瓣膜板26的一端分别固定于心脏仿生舱11的左侧、右侧、后侧方，另一端均固定于心脏仿生舱的顶部，多孔仿生瓣膜板13由生物材料制成，厚度为0.2mm，孔眼为圆形、方形、五边形或者六边形等，孔径为3-8mm，板面孔隙率为50-70%；动力泵14为可变流量动力泵，流量计8为高精度流量计，供液管路9为透明弹性软管，可变流量动力泵固定在储液箱15内，高精度流量计安装在透明弹性软管靠近心脏仿生舱11的末端；所述的储液箱15固定在心脏仿生舱11的下部，由15mm厚的有机玻璃制成，心脏仿生舱11为广口瓶状结构，由15mm厚的有机玻璃制成；动力泵为可变流量动力泵，流量计为高精度流量计，供液管路为透明弹性软管，可变流量动力泵固定在储液箱内，高精度流量计安装在透明弹性软管靠近心脏仿生舱的末端；所述的储液箱固定在心脏仿生舱的下部，由15mm厚的有机玻璃制成；还包括工业高速相机、控制系统和电脑，所述的工业高速相机安装在心脏仿生舱的正前方，通过控制系统与电脑通过有线或者无线连接，所述的报警器与控制系统连接。

应用步骤为：

（1）利用ansys模拟软件，模拟ZK30镁合金的受力情况及降解速率，优化ZK30镁合金结构及成分，然后利用3D打印方法打印成形ZK30生物镁合金；

（2）启动调速电机，调速电机带动载样器运动至超声装置，超声清洗7min，超声清洗完毕后，由调速电机继续带动载样器运动至干燥装置，干燥5min，干燥完毕，继续由调速电机带动载样器运动至高精度天平(天平的精度为0.0001)，完成试样的初始称重；

（3）向储液箱中加入模拟血液溶液，开启控温系统，升温速率为5℃/min，升温至36.8℃，保持温度恒定。用PH自动控制系统调节模拟血液PH值至7.4，启动固定在储液箱中的动力泵，控制模拟血液经动力泵和高精度流量计的出口流速为14cm/s；

（4）调速电机带动载样器运动至心脏仿生舱中心靠右位置，关闭调速电机，打开储气罐，向心脏仿生舱内通入二氧化碳气体，启动压力传感器，调节合金所在位置处压力值为15kpa，并由控制系统实时监控合金所在位置处的压力；

（5）打开氢气检测仪、报警器，设置报警器中氢气含量值为0.01（ml/cm2）d-1(镁合金腐蚀速率与其析氢量有关)；

（6）调整相机与合金间的距离，使其达到最佳的拍照距离，并将相机拍到的图片信息反馈到控制系统；

（7）控制系统接收图片信息后，经处理软件计算机图像识别技术，获取合金表面腐蚀形貌；控制系统根据获取的合金表面腐蚀形貌，分析合金的腐蚀行为。然后将信息保存，为后续镁合金成分设计提供指导；

（8）当氢气值达到所设定的值时，触发报警器，提醒工作人员当前实验已结束，重新启动调速电机，进行超声(超声是在200g/LCrO3和10g/LAgNO3溶液中清洗7min)，干燥(干燥5min)，称重(天平的精度为0.0001)处理，计算合金的失重率，将计算得到的失重率数据导入控制系统中，结合上述控制系统获取合金表面腐蚀形貌，全面分析合金的降解性。

实施例4

应用步骤为：

（1）利用ansys模拟软件，模拟Mg-Zn-Ca系列镁合金的受力情况及降解速率，优化Mg-Zn-Ca镁合金结构及成分，然后利用3D打印方法打印成形Mg-Zn-Ca生物镁合金；

（2）启动调速电机，调速电机带动载样器运动至超声装置，超声清洗8min，超声清洗完毕后，由调速电机继续带动载样器运动至干燥装置，干燥6min，干燥完毕，继续由调速电机带动载样器运动至高精度天平(天平的精度为0.0001)，完成试样的初始称重；

（3）向储液箱中加入模拟血液溶液，开启控温系统，升温速率为7℃/min，升温至37.2℃，保持温度恒定。用PH自动控制系统调节模拟血液PH值至7.4，启动固定在储液箱中的动力泵，控制模拟血液经动力泵和高精度流量计的出口流速为14cm/s；

（4）调速电机带动载样器运动至心脏仿生舱中心靠右位置，关闭调速电机，打开储气罐，向心脏仿生舱内通入二氧化碳气体，启动压力传感器，调节合金所在位置处压力值为15kpa，并由控制系统实时监控合金所在位置处的压力；

（5）打开氢气检测仪、报警器，设置报警器中氢气含量值为0.01（ml/cm2）d-1(镁合金腐蚀速率与其析氢量有关)；

（6）调整相机与合金间的距离，使其达到最佳的拍照距离，并将相机拍到的图片信息反馈到控制系统；

（7）控制系统接收图片信息后，经处理软件计算机图像识别技术，获取合金表面腐蚀形貌；控制系统根据获取的合金表面腐蚀形貌，分析合金的腐蚀行为。然后将信息保存，为后续镁合金成分设计提供指导；

（8）当氢气值达到所设定的值时，触发报警器，提醒工作人员当前实验已结束，重新启动调速电机，进行超声(超声是在200g/LCrO3和10g/LAgNO3溶液中清洗8min)，干燥(干燥6min)，称重(天平的精度为0.0001)处理，计算合金的失重率，将计算得到的失重率数据导入控制系统中，结合上述控制系统获取合金表面腐蚀形貌，全面分析合金的降解性。

实施例5

应用步骤为：

（1）利用ansys模拟软件，模拟Mg-Nd-Zn-Ca系列镁合金的受力情况及降解速率，优化Mg-Nd-Zn-Ca镁合金结构及成分，然后利用3D打印方法打印成形Mg-Nd-Zn-Ca生物镁合金；

（2）启动调速电机，调速电机带动载样器运动至超声装置，超声清洗10min，超声清洗完毕后，由调速电机继续带动载样器运动至干燥装置，干燥7min，干燥完毕，继续由调速电机带动载样器运动至高精度天平(天平的精度为0.0001)，完成试样的初始称重；

（3）向储液箱中加入模拟血液溶液，开启控温系统，升温速率为7℃/min，升温至37.3℃，保持温度恒定。用PH自动控制系统调节模拟血液PH值至7.35，启动固定在储液箱中的动力泵，控制模拟血液经动力泵和高精度流量计的出口流速为14cm/s；

（4）调速电机带动载样器运动至心脏仿生舱中心靠右位置，关闭调速电机，打开储气罐，向心脏仿生舱内通入二氧化碳气体，启动压力传感器，调节合金所在位置处压力值为15kpa，并由控制系统实时监控合金所在位置处的压力；

（5）打开氢气检测仪、报警器，设置报警器中氢气含量值为0.01（ml/cm2）d-1(镁合金腐蚀速率与其析氢量有关)；

（6）调整相机与合金间的距离，使其达到最佳的拍照距离，并将相机拍到的图片信息反馈到控制系统；

（7）控制系统接收图片信息后，经处理软件计算机图像识别技术，获取合金表面腐蚀形貌；控制系统根据获取的合金表面腐蚀形貌，分析合金的腐蚀行为。然后将信息保存，为后续镁合金成分设计提供指导；

（8）当氢气值达到所设定的值时，触发报警器，提醒工作人员当前实验已结束，重新启动调速电机，进行超声(超声是在200g/LCrO3和10g/LAgNO3溶液中清洗10min)，干燥(干燥7min)，称重(天平的精度为0.0001)处理，计算合金的失重率，将计算得到的失重率数据导入控制系统中，结合上述控制系统获取合金表面腐蚀形貌，全面分析合金的降解性。

Claims (8)

1.一种3D打印镁合金生物材料降解性测试装置，包括固定在支架上的心脏仿生舱、载样装置、预处理装置；

所述的心脏仿生舱的内部中间位置固定有无孔仿生瓣膜板，所述的无孔仿生瓣膜板由生物塑料加工而成，

无孔仿生瓣膜板将心脏仿生舱分隔成两个左右互不相通的独立区域，在无孔仿生瓣膜板两侧的心脏仿生舱内分别设置有三个多孔仿生瓣膜板，三个多孔仿生瓣膜板的一端分别固定于心脏仿生舱的左侧、右侧、后侧方，另一端均固定于心脏仿生舱的顶部，所述的多孔仿生瓣膜板由生物材料制成，厚度为0.2mm，孔眼为圆形、方形、五边形或者六边形，孔径为3-8mm，板面孔隙率为50-70%；所述心脏仿生舱的底部两侧均设有出口，通过两个动力泵分别与安装有流量计的供液管路连接，供液管路与储液箱连接，储液箱连接控温系统，所述的心脏仿生舱还分别连接有温度检测器、氢气检测仪、压力传感器、储气罐、PH自动控制系统和报警器；

所述心脏仿生舱上部的支架上设置有转轴，所述的载样装置安装在转轴上，所述的载样装置包括设置在转轴上的调速电机，调速电机的输出轴的一端固定有钻夹头，钻夹头上装夹有两个载样器；

所述的预处理装置包括依次固定的转轴下方的心脏仿生舱一侧的超声装置、干燥箱、称重器。

2.根据权利要求1所述的3D打印镁合金生物材料降解性测试装置，其特征在于，所述的动力泵为可变流量动力泵，所述的流量计为高精度流量计，所述的供液管路为透明弹性软管，可变流量动力泵固定在储液箱内，高精度流量计安装在透明弹性软管靠近心脏仿生舱的末端。

3.根据权利要求1或2所述的3D打印镁合金生物材料降解性测试装置，其特征在于，所述的储液箱固定在心脏仿生舱的下部，所述的储液箱和心脏仿生舱由15mm厚的有机玻璃制成，心脏仿生舱为矩形状、圆筒状、或者广口瓶状结构。

4.根据权利要求1所述的3D打印镁合金生物材料降解性测试装置，其特征在于，所述的多孔仿生瓣膜板为多个，竖直固定在心脏仿生舱内部的中间位置。

5.根据权利要求1或2所述的3D打印镁合金生物材料降解性测试装置，其特征在于，还包括工业高速相机，所述的工业高速相机安装在心脏仿生舱的正前方。

6.根据权利要求5所述的3D打印镁合金生物材料降解性测试装置，其特征在于，还包括控制系统和终端显示装置，所述的工业高速相机通过控制系统与终端显示装置连接，所述的报警器与控制系统连接。

7.根据权利要求1或2所述的3D打印镁合金生物材料降解性测试装置，其特征在于，所述的载样器的末端为弧形状的抓手结构，所述的抓手结构的外层涂覆有绝缘层。

8.根据权利要求1-7任意一项所述的3D打印镁合金生物材料降解性测试装置在生物医用镁合金上的应用，包括了以下步骤：

（1）利用ansys模拟软件，模拟植入镁合金的受力情况及降解速率，优化植入镁合金结构及成分，然后利用3D打印装置打印成形生物镁合金，得到试样；

（2）将试样固定在载样器上，启动调速电机，调速电机带动载样器运动至超声装置，超声清洗5-10min，由调速电机继续带动载样器运动至干燥装置，干燥4-7min，继续由调速电机带动载样器运动至高精度天平，完成试样的初始称重；

（3）向储液箱中加入模拟血液溶液，开启控温系统，升温速率为2-10℃/min，升温至37±0.5℃；用PH自动控制系统调节模拟血液PH值至7.4±0.05，启动固定在储液箱中的动力泵，控制模拟血液经动力泵和高精度流量计的出口流速为14cm/s；

（4）由调速电机带动载样器运动至心脏仿生舱中心靠右位置，关闭调速电机，打开储气罐，向心脏仿生舱内通入二氧化碳气体，启动压力传感器，调节试样所在位置处压力值为15kpa；

（5）打开氢气检测仪、报警器，调整相机与试样间的距离，并将相机拍到的图片信息反馈到控制系统；

（6）控制系统接收图片信息后，经处理软件计算机图像识别技术，获取合金表面腐蚀形貌，分析合金的腐蚀行为；

（7）当氢气值达到所设定的值时，触发报警器，重新启动调速电机，进行超声、干燥、称重处理，计算失重率，将计算得到的失重率数据导入控制系统中，结合合金表面腐蚀形貌，全面分析合金的降解性。

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