CN111388757B - 一种采用螺旋镁丝制备的可降解镁基复合材料 - Google Patents

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Abstract

本发明一种采用螺旋镁丝制备的可降解镁基复合材料，包括如下步骤：a.将镁丝缠绕成致密弹簧；b.将弹簧均匀拉长至一定螺旋角；c.将拉伸的弹簧沿统一方向并列缠绕，最终将弹缠绕成规则的金属橡胶毛坯；d.将金属橡胶毛坯放入模具中，放入压头，给予适当的压力和充足的时间，保证金属橡胶成型；e.将成型的金属橡胶取出，洗净吹干，得到多孔镁基体；f.将多孔镁基体与聚乳酸颗粒一同放在真空炉中，抽取真空，加热至200摄氏度，保温2小时，冷却至室温，得到可降解镁基复合材料。本发明简化了多孔镁的制备过程，可靠性大大提高，兼具医用可吸收高分子材料和镁各自的优势，同时还能改善两者各自的缺陷。

Description

一种采用螺旋镁丝制备的可降解镁基复合材料
技术领域
本发明涉及一种可降解镁基复合材料，尤其涉及一种采用螺旋镁丝制备的可降解镁基复合材料，属于生物医用复合材料。
背景技术
生物医用镁基复合材料具有可被人体吸收、无毒无害、密度低、生物相容性好的优点，是具有广泛应用前景的生物医用材料。
常用的生物医用镁基复合材料的制备方法有：搅拌铸造法、粉末冶金法。
搅拌铸造法根据铸造时金属的形态可以分为全液态搅拌铸造法、半固态搅拌铸造法和搅熔铸造法。全液态搅拌铸造法是在液态金属中加入增强体，搅拌一定时间后冷却；半固态搅拌铸造法是在半固态的金属熔体中加入增强体搅拌一定时间后冷却。搅熔铸造法是在半固态金属中加入增强体，搅拌一定时间后升温至基体合金液相线温度以上，并搅拌一定时间后冷却的方法。具有生产效率高，设备简单的优点。缺点为铸造气孔多，颗粒分布不均匀，易偏聚。
粉末冶金法是将镁制作成粉末，与增强体颗粒均匀混合，再放入模具中压制成型，经过热压烧结工艺，使增强体与基体复合为一体。镁在制粉过程中需要防止氧化。该方法具有增强体分布均匀，体积分数可以任意调控的优点，缺点为制备工艺复杂，制作成本高。
互穿网络结构复合材料，也被称为三维连续网络结构复合材料，是几十年来国内外研究的热点，这种复合材料在各组分相中有各自的三维结构网络空间，它的组织结构和性能具有拓扑均匀性，保留了每一种组成相的特点，从而可以获得多功能的复合材料。
现阶段在硬组织工程支架的应用中，聚合物支架和多孔生物陶瓷促进骨骼在损伤恢复中的应用以及组织生长等方面的作用已得到证实，但由于其机械性能较差，降低了其实际的应用效果。
常用的多孔金属制备方法有：(1)粉末烧结法：将金属粉末与非金属粉末均匀混合，经过成型和烧结而成；(2)纤维冶金法：将金属纤维混合均匀分布成纤维毡，在还原性气氛中烧结制成；(3)铸造法：将金属加热融化，加入发泡剂并搅拌均匀，加热使发泡剂分解产生气体，产生的气体在液态的金属中发泡，经过冷却后可得到泡沫固体。以上方法均需要加热，制备工艺较为复杂，而且粉末烧结法的孔径、孔隙较难控制。
发明内容
本发明的目的是为了解决了现有工艺制备工艺复杂，制备的多孔镁孔隙率难以控制的缺点而提供了一种采用螺旋镁丝制备的可降解镁基复合材料。
本发明的目的是这样实现的：
一种采用螺旋镁丝制备的可降解镁基复合材料，包括如下步骤：
a.将镁丝缠绕成致密弹簧；
b.将弹簧均匀拉长至一定螺旋角；
c.将拉伸的弹簧沿统一方向并列缠绕，最终将弹缠绕成规则的金属橡胶毛坯；
d.将金属橡胶毛坯放入模具中，放入压头，给予适当的压力和充足的时间，保证金属橡胶成型；
e.将成型的金属橡胶取出，洗净吹干，得到多孔镁基体；
f.将多孔镁基体与聚乳酸颗粒一同放在真空炉中，抽取真空，加热至200摄氏度，保温 2小时，冷却至室温，得到可降解镁基复合材料。
本发明还包括这样一些特征：
所述镁基的空隙率通过控制镁丝使用量的多少来实现控制金属橡胶成型密度大小，从而控制其孔隙率；
所述步骤a是在车床上进行；
所述步骤f是在真空炉中进行的；
所述步骤b中的螺旋角为60°、90°、120°。
与现有技术相比，本发明的有益明效果是：
本发明将镁丝经过车床缠绕制备成螺旋卷，将螺旋卷经过拉伸，缠绕，压制成型制成多孔镁作为基体，保证作为基体时具有良好的力学强度和均匀可控的多孔结构，通过控制使用镁丝的长度获得所需要的孔隙率，合适的力学性能能够很好的防止应力屏蔽现象，解决了现有工艺制备工艺复杂，制备的多孔镁孔隙率难以控制的缺点。
本发明与当前复合材料的主要区别在于多孔镁基体的制备过程。将镁丝绕制成螺旋卷，经过缠绕工艺，压制后形成金属橡胶试样。金属橡胶具有多孔结构，可以通过改变镁丝的质量来改变金属橡胶的孔隙率。从而简化了多孔镁的制备过程，可靠性大大提高。将制成的多孔镁与聚乳酸复合，制备成镁/聚乳酸互穿网络结构复合材料，这种复合材料的性能兼具医用可吸收高分子材料和镁各自的优势，同时还能改善两者各自的缺陷。
附图说明
图1是本发明多孔镁基体的成品；
图2是本发明镁/聚乳酸复合材料的成品；
图3是本发明不同配比下的镁/聚乳酸复合材料失重曲线；
图4是本发明复合材料在模拟体液中开路电位随时间变化的曲线；
图5是本发明复合材料在模拟体液中开路电位随时间变化的曲线；
图6是本发明不同螺旋角的复合材料的拉伸性能。
具体实施方式
下面结合附图举实例对本发明作进一步说明
本发明的目的是提供一种采用螺旋镁丝制备的可降解镁基复合材料，将镁丝经过车床缠绕制备成螺旋卷，将螺旋卷经过拉伸，缠绕，压制成型制成多孔镁作为基体，保证作为基体时具有良好的力学强度和均匀可控的多孔结构，通过控制使用镁丝的长度获得所需要的孔隙率，合适的力学性能能够很好的防止应力屏蔽现象，解决了现有工艺制备工艺复杂，制备的多孔镁孔隙率难以控制的缺点。
多孔镁基体制备步骤如下：
将镁丝在车床上缠绕成无缝隙致密的弹簧；
将弹簧拉长至一定的螺旋角；
将拉长的弹簧整齐沿同一方向排列缠绕，将弹簧缠绕至规则形状的毛坯；
将毛坯放入模具中，放入压头，在给予一定的压力和足够的时间使毛坯成型，取出成型的多孔镁，洗净，吹干，得到多孔镁基体。
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明：
(1)多孔镁基体的制备：将φ0.4mm的纯镁丝用800#砂纸打磨以去除表面氧化层，依据体积计算出孔隙率为40％、50％和60％所需要的镁丝长度，在车床上缠绕成内径为2mm的金属弹簧，依次用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗10min，吹干备用；
(2)将金属弹簧均匀拉伸至螺旋角分别为之比为60°、90°、120°的长度，并沿着一个方向均匀缠绕，制备成毛坯；
(3)将毛坯放入模具中，放入压头，于液压机上实施一定的力，保持1min，去除压制成型的多孔镁，依次在丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗20min，吹干。
(4)将多孔镁与聚乳酸颗粒混合，放入真空干燥箱中，抽取真空，加热至200摄氏度，使聚乳酸在高温下融化，渗入到多孔镁的空隙中，真空环境下不会出现气泡，因此镁基体与聚乳酸能够良好结合。(5)镁/聚乳酸复合材料的降解性能表征；
图3是该发明在模拟体液中的失重曲线。在聚乳酸的保护作用下，镁在模拟体液中的降解速率得到大幅度的减缓，复合材料的具有一定的可降解性和耐腐蚀性。
图4可以看出复合材料的开路电位分别为-0.85V、-0.99V和-1.08V。镁基体的电化学性能得到了一定的提高。
表1复合材料在模拟体液中的电化学腐蚀数据
Figure BDA0002420417520000041
复合材料的自腐蚀电位和腐蚀电流随着镁含量的增加而增加，同时随着浸泡时间的延长而减小。该发明的腐蚀速率具有一定的可控性，能够通过控制复合材料中的镁含量来控制其开路电位、自腐蚀电位和电流密度。
在镁丝的强化作用下，复合材料的拉伸强度远高于纯聚乳酸的拉伸强度，纯聚乳酸的拉伸强度约为60MPa。不同镁的镁含量对复合材料强化作用具有一定差别，其中含镁量为50％的复合材料强化作用最佳。
不同的螺旋角对复合材料的强化作用不同，其中120°强化作用效果最佳。
本发明的拉伸性能具有一定的可控性，可以通过复合材料中的镁含量和螺旋角改变强化作用。

Claims (1)

1.一种采用螺旋镁丝制备的可降解镁基复合材料，其特征是，由如下步骤制备而成：
(1)多孔镁基体的制备：将φ0.4mm的纯镁丝用800#砂纸打磨以去除表面氧化层，依据体积计算出孔隙率为40％、50％和60％所需要的镁丝长度，在车床上缠绕成内径为2mm的金属弹簧，依次用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗10min，吹干备用；
(2)将金属弹簧均匀拉伸至一定的螺旋角，并沿着一个方向均匀缠绕，制备成毛坯；(3)将毛坯放入模具中，放入压头，于液压机上实施一定的力，保持1min，去除压制成型的多孔镁，依次在丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗20min，吹干；
(4)将多孔镁与聚乳酸颗粒混合，放入真空干燥箱中，抽取真空，加热至200摄氏度，使聚乳酸在高温下融化，渗入到多孔镁的空隙中，真空环境下不会出现气泡，镁基体与聚乳酸能够良好结合；
所述步骤(2)中的螺旋角为120°；
所述复合材料含镁量为50％。
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