CN114059068A - 一种心脏支架表面化学及等离子体电化学复合抛光方法 - Google Patents

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Abstract

一种心脏支架表面化学及等离子体电化学复合抛光方法，包括以下步骤：将心脏支架毛坯放入配置好的化学抛光液中进行初步抛光清洗；之后放入配置好的等离子体电化学抛光液中进行等离子体电化学抛光；最后经过清洗、烘干获得具有显著倒角，粗糙度Ra<0.005，具有网眼结构加工均一、表面无腐蚀、耐腐蚀性高等优点的心脏支架毛坯。该心脏支架表面化学及等离子体电化学复合抛光方法，解决了采用现有技术抛光心脏支架后，心脏支架存在的表面腐蚀、点蚀、抛光效率低倒角不够、抛光精度低等问题，同时解决了受材料及合金元素组成限制，而最终无法获得支架高质量抛光的问题。

Description

一种心脏支架表面化学及等离子体电化学复合抛光方法
【技术领域】
本发明属于医疗器械加工技术，具体涉及一种心脏支架表面化学及等离子体电化学复合抛光方法。
【背景技术】
心脏支架又称冠状动脉支架，对心血管疾病的治疗具有重要的作用，其结构为微细镂空网状管型，材料为多组元合金，有316L不锈钢、铂铱合金、镁钛合金、镍钛合金及镁锌合金等。现如今一般通过在超薄壁合金管材上进行电火花、光纤及激光等手段加工出网眼来制作毛坯心脏支架，而这种加工方式的毛胚支架表面较粗糙，存在毛刺及划痕，毛刺及划痕等缺陷将会潜在划伤甚至刺穿血管、诱发急性血栓、危及人生安全的危险，因此对毛坯心脏支架需要进行抛光处理，抛光处理后的心脏支架需简要达到如下要求：①Ra≤0.025μm；②表面光亮度达到12级及更高；③尺寸公差≤30μm；④表面不残留任何加工介质、元素污染及多余物；⑤网眼倒角R≥0.3mm。
抛光手段主要采用化学、电化学或化学和电化学复合抛光三种手段，然而这几种抛光手段存在以下问题：
(1)化学/电化学反应原理决定了只对合金中一种组元有抛光效果，难以对金属中所有组元等速率抛光，因此最终抛光效果有限。国际国内主要针对316L不锈钢抛光液研究较为成熟，抛光Ra≥0.05μm，而对铂铱合金、镁钛合金、镍钛合金及镁锌合金等新型支架材料几乎无法实现镜面抛光。
(2)化学/电化学抛光速率较低，难以让网眼倒角R≥0.3mm，倒角不够将显著影响血液流体的流通性。
(3)化学/电化学抛光后表面存在晶界腐蚀、点蚀和抛光酸液元素污染，几乎无法彻底清除干净。
(4)其它物理抛光方式如喷砂、滚筒研磨、磁力研磨、超声波研磨等均会导致支架受力变形甚至碎掉，磨粒无法对支架复杂网眼内外均一磨抛。
基于此，提出一种心脏支架表面化学及等离子体电化学复合抛光方法，其具有重要应用价值。
【发明内容】
针对上述问题，本发明提供一种心脏支架表面化学及等离子体电化学复合抛光方法，解决了采用现有技术抛光心脏支架后，心脏支架存在的表面腐蚀、点蚀、抛光效率低倒角不够、抛光精度低等问题，同时解决了受材料及合金元素组成限制，而最终无法获得支架高质量抛光的问题。
本发明是通过以下技术方案实现的，提供一种心脏支架表面化学及等离子体电化学复合抛光方法，包括以下步骤：
S1制备化学抛光液；
S2将心脏支架毛坯放入化学抛光液中进行化学抛光；
S3制备等离子体电化学抛光液；
S4将S2化学抛光后的心脏支架毛坯放入等离子体电化学抛光液中进行等离子体电化学加工；
S5清洗、烘干等离子体电化学加工后的心脏支架毛坯。
特别的，所述S1具体通过以下方案实施：
S11于本发明中，丙三醇作为缓蚀剂，通过控制增加或减少添加量来控制反应速率，若丙三醇太少反应速率太快甚至会导致溶液腐蚀掉零件，反之太多则速率过慢可能达不到腐蚀效果，因此分别量取丙三醇80mL～120mL、水50～80mL，倒入烧杯内，；
S12于本发明中，盐酸作为溶解剂，通过增加或减少添加量来控制零件的溶解速率，若盐酸量太少溶解速率太慢达不到溶解效果，反之太多则速率太快甚至会溶解掉零件；硝酸具有强氧化作用，添加过多氧化作用太，强甚至溶液会腐蚀穿零件，太少则氧化作用太弱反应速率太慢；磷酸具有缓蚀和缓冲作用，控制增加或减少添加量来控制反应速率，太少反应速率太快，甚至会导致溶液腐蚀掉零件，反之太多则速率过慢还可能达不到腐蚀效果；硫酸可以使金属表面处于活化状态，使抛光更加均匀，提高整平性并加快抛光速率，加入过多或过少都会降低金属表面的活性从而减慢反应速率；烟酸作为光亮剂加入过多或过少都会影响零件表面的光亮度；因此分别量取质量分数为37％的盐酸80mL～120mL，质量分数65％为硝酸330mL～370mL，质量分数85％的磷酸480mL～520Ml,质量分数98％的硫酸80mL～120mL，烟酸3～5g/L,倒入烧杯；
S13倒入烧杯后用叶轮搅拌20分钟至混合均匀，所述叶轮转速为300转/min；
S14于本发明中，苯甲酸钠作为光亮剂加入过多或过少将会影响零件表面的光亮度，聚丙烯酸钠作为表面活性剂加入过多或过少将会降低表面的活性引起反应速率降低，因此分别称取苯甲酸钠30～40g/L，聚丙烯酸钠3～8g/L，倒入烧杯内，倒入后搅拌均匀至完全溶解，即获得化学抛光液。
于本发明中，硝酸是一种强氧化剂，在抛光液中主要起氧化作用；硫酸能够溶解金属表面的氧化膜，使金属表面处于活化状态，可以使抛光更加均匀，提高整平性并加快抛光速率；磷酸属于高黏度中强酸，起到缓蚀和缓冲作用。
特别的，所述S2具体通过以下方案实施：
S21将心脏支架毛坯放入化学抛光液中抛光1～5min后取出，所述化学抛光液的温度控制在25～30℃；
S22将S21取出的心脏支架毛坯放入酸洗溶液中晃动30秒取出，依次放入稀硝酸、稀氨水、去离子水冲洗后，吹干即可。
特别的，所述S3具体通过以下方案实施：
S31于本发明中，硝酸钠为溶液提供阴离子和阳离子，过多和过少会使溶液电荷失衡，铜粉在抛光过程中起催化作用，加入过少反应不进行，加入过多造成浪费，EDTA-2为溶液提供离子体，过多和过少会使溶液电荷失衡，因此分别称取硝酸钠280～320g、铜粉10～20g、EDTA-2Na 80～120g，然后倒入抛光槽中；
S32于本发明中，硝酸、磷酸分别为溶液提供阴离子以及调节PH，添加过多阴离子会过多同时PH太小，因此分别量取质量分数为65％的硝酸750～800mL质量分数为85％的磷酸580～600mL为溶液提供阴离子以及调节PH，倒入抛光槽中，然后加水至5L，搅拌均匀至完全溶解。
特别的，所述S4中的等离子体电化学加工用到的器具包括：不锈钢容器、设于不锈钢容器内的聚四氟工装，所述不锈钢容器的侧壁与电源阴极连接，所述聚四氟工装顶部不高于水位线，且该聚四氟工装内壁一侧设有一平行于水位线的不锈钢悬挂杆、另一侧相应的位置设有一可向不锈钢悬挂杆端移动的不锈钢螺栓，所述不锈钢悬挂杆远离不锈钢螺栓的一端向上延伸出一不锈钢钢芯，该不锈钢钢芯与电源阳极连接。
特别的，所述S4具体通过以下方案实施：
S41将化学抛光后的心脏支架毛坯依次穿设于不锈钢悬挂杆上；
S42旋转不锈钢螺栓使其向不锈钢悬挂杆侧移动，直至与不锈钢悬挂杆端部完全接触；
S43打开电源，化学抛光后的心脏支架毛坯在气泡作用下跳动，加工3min即可。
特别的，所述电源恒峰值电压为260V，输出波形为单脉冲矩形波，脉冲频率为30KHz，脉冲占空比30％，所述不锈钢悬挂架在等离子体电化学抛光液中的深度为5cm，所述等离子体电化学抛光液的温度通过为55℃，体积为5L。
特别的，所述S5具体通过以下方案实施：
S51将等离子体电化学加工后的心脏支架毛坯取出，放入封闭式金属网筛盒子；
S52将封闭式金属网筛盒子放入3％～5％的稀硝酸中超声波清洗10分钟后取出，放入30％～50％稀氨水中超声波清洗10分钟后取出；
S53将封闭式金属网筛盒子淋洗3次洗掉稀氨水、循环水漂洗3次漂洗掉残余的稀氨水；
S54将S53漂洗后的封闭式金属网筛盒子在无尘环境室进行去离子水循环超声波清洗20分钟后取出，放入烘干箱中烘干即可。
本发明提供一种心脏支架表面化学及等离子体电化学复合抛光方法，具有以下有益效果：
1、解决了现有心脏支架抛光技术中化学抛光、电解抛光、化学+电解复合抛光所存在的点蚀、晶界腐蚀及氢脆、元素污染、抛光效率及倒角过小、抛光精度不够等问题。
2、解决了现有支架物理抛光技术中存在的支架变形破碎、网眼抛光均一性等问题。
3、采用化学及等离子体电化学复合抛光技术使心脏支架具有显著倒角，粗糙度Ra<0.005，具有网眼结构加工均一、表面无腐蚀、耐腐蚀性高等优点，这些优点均超过了现有技术加工心脏支架的指标结果。
【附图说明】
图1为采用本发明提供方法与现有技术抛光方法进行抛光后的抛光效率和抛光精度对比图；
图2为抛光效果图，其中(a)、(b)为采用200#砂纸机械研磨后心脏支架表面效果图，(c)、(d)为机械研磨抛光后心脏支架表面效果图，(e)、(f)为电解抛光后心脏支架表面效果图，(g)、(h)采用本发明提供方法抛光后心脏支架表面效果图；
图3为采用本发明提供方法抛光后的效果图；
图4为经化学+PEEP复合抛光后心脏支架的实物放大效果图；
图5为采用化学抛光后心脏支架表面扫描形貌；
图6为电解抛光和采用本发明提供方法抛光后的硬度结果；
图7为电解抛光和采用本发明提供方法抛光后的残余应力表；
图8为电解抛光和采用本发明提供方法抛光后的极化曲线图；
图9为本发明等离子体电化学加工用到的器具结构示意图。
【具体实施方式】
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。
本发明提供了一种心脏支架表面化学及等离子体电化学复合抛光方法，包括以下步骤：
S1制备化学抛光液：用量筒分别量取丙三醇80mL～120mL，丙三醇作为缓蚀剂，通过控制增加或减少添加量来控制反应速率，太少反应速率太快甚至会导致溶液腐蚀掉零件反之太多则速率过慢还可能达不到腐蚀效果；水50～80mL，倒入烧杯内；分别量取丙三醇80mL～120mL，丙三醇作为缓蚀剂，通过控制增加或减少添加量来控制反应速率，太少反应速率太快甚至会导致溶液腐蚀掉零件反之太多则速率过慢还可能达不到腐蚀效果；水50～80mL，倒入烧杯内；再用量筒分别量取质量分数为37％的盐酸80mL～120mL，盐酸作为溶解剂，通过增加或减少添加量来控制零件的溶解速率，太少溶解速率太慢达不到溶解效果反之太多则速率太快甚至会溶解掉零件，质量分数65％为硝酸330mL～370mL，硝酸具有强氧化作用，添加过多氧化作用太强甚至溶液会腐蚀穿零件太少则氧化作用太弱反应速率太慢，质量分数85％的磷酸480mL～520mL,磷酸具有缓蚀和缓冲作用，控制增加或减少添加量来控制反应速率，太少反应速率太快甚至会导致溶液腐蚀掉零件反之太多则速率过慢还可能达不到腐蚀效果，质量分数98％的硫酸80mL～120mL，硫酸可以使金属表面处于活化状态，使抛光更加均匀，提高整平性并加快抛光速率，加入过多或过少都会降低金属表面的活性从而减慢反应速率，烟酸3～5g/L,烟酸作为光亮剂加入过多或过少都会影响零件表面的光亮度，倒入烧杯后用叶轮搅拌；然后用天平分别称取苯甲酸钠30～40g/L，苯甲酸钠作为光亮剂加入过多或过少都会影响零件表面的光亮度，聚丙烯酸钠3～8g/L，聚丙烯酸钠作为表面活性剂加入过多或过少都会降低表面的活性引起反应速率降低，倒入烧杯内，倒入后搅拌均匀至完全溶解，即获得化学抛光液。
S2将心脏支架毛坯放入配置好的化学抛光液中1-5min后取出，每次放入四个心脏支架毛坯，温度控制在25～30℃，用回形针扣住心脏支架放入酸洗溶液中30秒晃动，然后取出零件，依次放入稀硝酸、稀氨水、去离子水中冲洗，冲洗完成后吹干即可。
请参阅图5，采用化学抛光后，心脏支架表面出现严重的晶界腐蚀和点蚀，因此本案结合等离子体电化学复合抛光对化学抛光后表面的腐蚀层进行处理，具体如下：
S3制备等离子体电化学抛光液：用天平分别称取硝酸钠280～320g,为溶液提供阴离子和阳离子，过多和过少会使溶液电荷失衡，铜粉10～20g，铜粉在抛光过程中起催化作用，加入过少反应不进行，加入过多造成浪费，EDTA-2Na80～120g，为溶液提供离子体，过多和过少会使溶液电荷失衡，然后倒入抛光槽中；再用量筒分别量取质量分数为65％的硝酸750～800mL为溶液提供阴离子以及调节PH，添加过多阴离子会过多同时PH太小，质量分数为85％的磷酸580～600mL为溶液提供阴离子以及调节PH，添加过多阴离子会过多同时PH太小，倒入抛光槽中，然后加水至5L，搅拌均匀至完全溶解。
S4将化学抛光后的心脏支架依次穿在右侧固定的不锈钢悬挂杆4上，穿完后，左侧不锈钢螺栓5通过螺纹向右运动顶住不锈钢悬挂杆4完成紧固；然后将整个挂持着支架的聚四氟工装放入不锈钢容器1中，将电源的阳极7连接不锈钢芯6，不锈钢芯6与不锈钢悬挂杆4及心脏支架连通，心脏支架作为阳极；将电源阴极3连接不锈钢容器壁，等离子体电化学抛光液作为阴极；加工时心脏支架自然悬持在不锈钢悬挂杆4上随气泡随机自然跳动，如此可以保证加工时心脏支架内部各个区域都会接触到等离子体电化学抛光液，以保证加工均一性，同时接触面积较大不会在大电流下产生电热烧蚀，心脏支架也不会受到宏观力的作用而引起变形；之后接通电源，选择恒压工作模式，在设置好相应的电源参数后，加工时间为3分钟取出；
于该步骤中，等离子体电化学抛光的电参数设置为恒压模式，恒定峰值电压：260V，输出波形为单脉冲矩形波；心脏支架顶部在等离子体电化学抛光液中的深度为5cm，溶液温度通过冷却循环控制在55℃，溶液体积5L；脉冲频率30KHz，脉冲占空比30％；加工时间3min，正反各30秒。
S5清洗：首先将聚四氟工装2从不锈钢容器1中取出，松开不锈钢螺栓5，将悬挂的心脏支架依次倒入封闭式金属网筛盒子中；其次将封闭式金属网筛盒子放入3％～5％稀硝酸中超声波10分钟后取出后，将封闭式金属网筛盒子放入30％～50％稀氨水中超声波10分钟取出；再次将封闭式金属网筛盒子淋洗、循环水漂洗；最后将封闭式金属网筛盒子放入医用级去离子水循环超声波20分钟取出，放入烘干箱中烘干即可，最后一步需在医疗级净洁无尘环境室进行。
请参阅图9，在心脏支架在进行等离子体电化学抛光时，为防止大电流电烧蚀、夹持受力变形、心脏支架半离合固定保证加工均一性等，本发明等离子体电化学抛光在如下器具中进行，具体结构包括：不锈钢容器1、设于不锈钢容器1内的聚四氟工装2，所述不锈钢容器1的侧壁与电源阴极3连接，所述聚四氟工装2顶部不高于水位线，且该聚四氟工装2内壁一侧设有一平行于水位线的不锈钢悬挂杆4、另一侧相应的位置设有一可向不锈钢悬挂杆4端移动的不锈钢螺栓5，所述不锈钢悬挂杆4远离不锈钢螺栓5的一端向上延伸出一不锈钢钢芯6，该不锈钢钢芯6与电源阳极7连接。
为了使本发明的有益效果更加清楚明白，以下通过与现有技术的对比，对本发明技术方案进一步解释说明：
针对同一批次心脏支架，分别用机械研磨抛光、电解抛光及复合抛光在相同时间作用下进行相互对照，观察抛光效果，同时用表面粗糙度测量仪对抛光后的心脏支架表面粗糙度进行测量，用扫描电子显微镜对抛光后的材料表面形貌进行检测，用X射线应力分析仪对支架表面进行应力测定，用显微硬度计对抛光后的支架进行显微硬度测量，借助电化学工作站通过测量极化曲线来对支架表面的耐腐蚀性能进行分析。
请参阅图1-图2，本发明提供的方法抛光方法明显优于点解抛光，可实现网孔倒角更大、表面粗糙度Ra<0.025μm的心脏支架抛光处理，经本发明提供方法抛光后，心脏支架表面不会产生缺陷、腐蚀；经化学/PEEP复合抛光后的支架实物，倒角显著增加，网孔棱边圆润支架表面硬度基本不发生变化，也无机械研磨后的表面压应力残余，同时支架的耐腐蚀性能显著提高。
由图3可知，采用本发明提供的抛光方法处理后的心脏钢支架粗糙度Ra<0.005μm，表面更加光滑；请参阅图4，采用本发明抛光后的心脏支架倒角更加明显，网孔棱边更圆润，抛光精度更高。
下表1为采用不同方法抛光后心脏支架表面残余应力与半峰全宽的测量值，表1
Figure BDA0003353532110000111
Figure BDA0003353532110000121
请参阅图6-图8，采用化学/等离子体符合抛光后的心脏支架表面硬度基本没有发生变化，也没有机械研磨后的表面压应力残余，电解抛光后的支架表面硬度因腐蚀急剧下降，由此可见，本发明提供的抛光方法优于电解抛光。
下表2为采用不同方法对心脏支架毛坯进行抛光处理后，心脏支架的腐蚀点位与腐蚀电流值，
表2
Figure BDA0003353532110000122
由表3可知，采用本发明提供的抛光方法抛光后的心脏支架耐腐蚀性能显出提高。
综上所述，采用本发明提供的复合抛光方法抛光的心脏支架具有显著倒角，粗糙度Ra<0.005，具有网眼结构加工均一、表面无腐蚀、耐腐蚀性高等优点，这些优点均超过了现有技术加工心脏支架的指标结果。解决了采用现有技术抛光心脏支架后，心脏支架存在的表面腐蚀、点蚀、抛光效率低倒角不够、抛光精度低等问题，同时解决了受材料及合金元素组成限制，而最终无法获得支架高质量抛光的问题。

Claims (8)

1.一种心脏支架表面化学及等离子体电化学复合抛光方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1制备化学抛光液；
S2将心脏支架毛坯放入化学抛光液中进行化学抛光；
S3制备等离子体电化学抛光液；
S4将S2化学抛光后的心脏支架毛坯放入等离子体电化学抛光液中进行等离子体电化学加工；
S5清洗、烘干等离子体电化学加工后的心脏支架毛坯。
2.根据权利要求1所述的一种心脏支架表面化学及等离子体电化学复合抛光方法，其特征在于，所述S1具体通过以下方案实施：
S11分别量取丙三醇80mL～120mL、水50～80mL，倒入烧杯内；
S12分别量取质量分数为37％的盐酸130mL～170mL，质量分数65％为硝酸330mL～370mL，质量分数85％的磷酸480mL～520Ml,质量分数98％的硫酸80mL～120mL，烟酸3～5g/L,倒入烧杯；
S13倒入烧杯后用叶轮搅拌20分钟至溶液混合混匀，所述叶轮转速为300转/min；
S14分别称取苯甲酸钠30～40g/L，聚丙烯酸钠3～8g/L，倒入烧杯内，倒入后搅拌均匀至完全溶解，即获得化学抛光液。
3.根据权利要求1所述的一种心脏支架表面化学及等离子体电化学复合抛光方法，其特征在于，所述S2具体通过以下方案实施：
S21将心脏支架毛坯放入化学抛光液中抛光1～5min后取出，所述化学抛光液的温度控制在25～30℃；
S22将S21取出的心脏支架毛坯放入酸洗溶液中晃动30秒取出，依次放入稀硝酸、稀氨水、去离子水冲洗后，吹干即可。
4.根据权利要求1所述的一种心脏支架表面化学及等离子体电化学复合抛光方法，其特征在于，所述S3具体通过以下方案实施：
S31分别称取硝酸钠280～320g、铜粉10～20g、EDTA-2Na80～120g，然后倒入抛光槽中；
S32分别量取质量分数为65％的硝酸750～800mL、质量分数为85％的磷酸580～600mL为溶液提供阴离子以及调节PH，倒入抛光槽中，然后加水至5L，搅拌均匀至完全溶解。
5.根据权利要求1所述的一种心脏支架表面化学及等离子体电化学复合抛光方法，其特征在于，所述S4中的等离子体电化学加工用到的器具包括：不锈钢容器(1)、设于不锈钢容器(1)内的聚四氟工装(2)，所述不锈钢容器(1)的侧壁与电源阴极(3)连接，所述聚四氟工装(2)顶部不高于水位线，且该聚四氟工装(2)内壁一侧设有一平行于水位线的不锈钢悬挂杆(4)、另一侧相应的位置设有一可向不锈钢悬挂杆(4)端移动的不锈钢螺栓(5)，所述不锈钢悬挂杆(4)远离不锈钢螺栓(5)的一端向上延伸出一不锈钢钢芯(6)，该不锈钢钢芯(6)与电源阳极(7)连接。
6.根据权利要求5所述的一种心脏支架表面化学及等离子体电化学复合抛光方法，其特征在于，所述S4具体通过以下方案实施：
S41将化学抛光后的心脏支架毛坯依次穿设于不锈钢悬挂杆(4)上；
S42旋转不锈钢螺栓(5)使其向不锈钢悬挂杆(4)侧移动，直至与不锈钢悬挂杆(4)端部完全接触；
S43打开电源，化学抛光后的心脏支架毛坯在气泡作用下跳动，加工3min即可。
7.根据权利要求6所述的一种心脏支架表面化学及等离子体电化学复合抛光方法，其特征在于，所述电源恒峰值电压为260V，输出波形为单脉冲矩形波，脉冲频率为30KHz，脉冲占空比30％，所述不锈钢悬挂架在等离子体电化学抛光液中的深度为5cm，所述等离子体电化学抛光液的温度通过为55℃，体积为5L。
8.根据权利要求1所述的一种心脏支架表面化学及等离子体电化学复合抛光方法，其特征在于，所述S5具体通过以下方案实施：
S51将等离子体电化学加工后的心脏支架毛坯取出，放入封闭式金属网筛盒子；
S52将封闭式金属网筛盒子放入3％～5％的稀硝酸中超声波清洗10分钟后取出，放入30％～50％稀氨水中超声波清洗10分钟后取出；
S53将封闭式金属网筛盒子淋洗3次洗掉稀氨水、循环水漂洗3次漂洗掉残余的稀氨水；
S54将S53漂洗后的封闭式金属网筛盒子在无尘环境室进行去离子水循环超声波清洗20分钟后取出，放入烘干箱中在100℃～120℃下烘干10～20分钟即可。
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