CN115029583B - 一种医用可降解锌合金及其薄壁微管的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于生物材料的冶金与塑性加工技术领域，具体涉及一种医用可降解锌合金及其薄壁微管的制备方法。本发明的技术方案如下：一种医用可降解锌合金，包含的合金元素按质量百分比为：Mg 0.01～0.2％，Mn 0.01～1％，Ta 0.005～0.1％,Zr 0.005～0.1％，不可避免杂质总含量≤0.001％，余量为Zn。本发明提供的医用可降解锌合金及其薄壁微管的制备方法，能够获得杂质含量小于0.001％，成分均匀的锌合金母材；通过调控成形工艺，优化锌合金薄壁微管的微观组织和表面质量，获得力学与降解性能优异的薄壁微管，满足心血管支架的服役要求。

Description

一种医用可降解锌合金及其薄壁微管的制备方法
技术领域
本发明属于生物材料的冶金与塑性加工技术领域，具体涉及一种医用可降解锌合金及其薄壁微管的制备方法。
背景技术
锌由于具有良好的生物相容性和适宜的降解速率，作为可降解心血管支架材料具有潜在的应用前景，但由于纯锌力学性能很差而限制了其应用。因此，截止目前，开发了一系列的锌合金材料，以同时满足力学性能、生物相容性和降解速率的要求。然而，现有的合金化基本上是以第二相来改善其力学性能，由于合金中第二相的存在产生电偶腐蚀，这势必导致降解的不均匀性。如果这种材料的支架植入人体后发生不均匀降解，必然导致支架的过早失效，从而影响治疗效果甚至威胁患者生命。利用微合金化原理和优化成形工艺，以获得成分与组织均匀的锌合金材料，是可降解心血管支架植入人体的物质前提。
利用激光雕刻和化学抛光技术制备的冠状动脉心血管支架，通常采用薄壁微管作为前驱体。然而，关于锌合金心血管支架用薄壁微管成形工艺却鲜有报道。专利号CN107519539 A中，仅描述了合金原材的制备、最终支架雕刻形状及后续处理，而对中间薄壁管材的制备并没有详细的说明，仅提及是通过挤压-拉拔等成形手段。同为密排六方结构镁合金薄壁微管的成形方案主要包括以下几种：1，挤压-拉拔；2，循环扩挤-正挤压-钻孔-微管挤压的方法；3，热挤压-冷轧-拉拔；4，钻孔-冷轧-拉拔。在制备管坯的工艺中，钻孔工艺由于钻孔尺寸和工具的限制，对管坯的尺寸有一定的限制。而挤压制备的管坯则存在表面质量不好，偏心和壁厚不均匀的缺陷。专利CN 101085377A中采用空拉成型管材，其内表面质量很难得到保证。
发明内容
本发明提供一种医用可降解锌合金及其薄壁微管的制备方法，能够获得杂质含量小于0.001％，成分均匀的锌合金母材；通过调控成形工艺，优化锌合金薄壁微管的微观组织和表面质量，获得力学与降解性能优异的薄壁微管，满足心血管支架的服役要求。
本发明的技术方案如下：
一种医用可降解锌合金，包含的合金元素按质量百分比为：Mg 0.01～0.2％，Mn0.01～1％，Ta 0.005～0.1％,Zr 0.005～0.1％，不可避免杂质总含量≤0.001％，余量为Zn。
一种医用可降解锌合金薄壁微管的制备方法，利用上述医用可降解锌合金，采用普通铸造-磁悬浮熔炼-均匀化处理-自由锻造-模锻-挤压管坯-机械抛光-轧制-拉拔的工艺流程制备薄壁微管。
进一步地，所述的制备方法，具体包括如下步骤：
(1)按所述比例准备金属锌、金属镁、金属锰、金属钽和金属锆作为原料；将金属锌加热至600±5℃，待金属锌熔化后依次加入金属镁、金属锰、金属钽和金属锆，待全部金属熔化后，搅拌至混合均匀，获得合金熔体；
(2)将所述合金熔体降温至480±5℃，用石墨钟罩向所述合金熔体中压入熔体质量0.2～0.3％的六氯乙烷，静置10～20分钟后，浇铸到预热300℃的钢模中成形制备铸锭；
(3)对所述铸锭进行二次磁悬浮熔炼，然后进行均匀化处理：350±5℃处理5小时，370±5℃处理5小时，水冷，获得坯锭；
(4)将所述坯锭进行车削后进行自由锻造和模锻，锻造初始温度350℃，终锻温度在320℃，累积变形量在70～90％；
(5)将锻造后的坯锭车削后，通过固定芯棒反挤压工艺制备管坯，挤压比控制在25～65之间，挤压温度50～200℃，挤压速度0.1～4mm/s；挤压制备的管坯空冷至室温，然后分别对管坯的内、外表面进行机械抛光；
(6)对机械抛光后的管坯进行轧制，采用多道次三辊轧制+中间退火，每道次轧制变形量为8～20％，每次常温变形的总变形量为60～80％；每次常温变形之后进行一次中间退火，中间退火温度为100～300℃，时间5～20分钟；多道次三辊轧制+中间退火的累积变形量达到85～98％；
(7)对轧制后的管坯进行2～5道次固定芯头拉拔，每道次拉拔变形量为5～15％，累积变形量50～60％；最后，再进行一次退火，温度100～250℃，时间1～10分钟，空冷至室温，获得薄壁微管。
进一步地，所述的制备方法，所述步骤(1)和(2)中的加热设备为电阻炉。
进一步地，所述的制备方法，所述步骤(3)中的坯锭为直径110～140mm的圆柱；所述步骤(4)中模锻后的坯锭为直径30～60mm的圆柱。
进一步地，所述的制备方法，制备的薄壁微管直径2～3.5mm，壁厚0.1～0.2mm，壁厚标准差≤0.01mm，外表面粗糙度Ra≤0.1μm，内表面粗糙度Ra≤0.3μm。
进一步地，所述的制备方法，制备的薄壁微管抗拉强度为280～410MPa，屈服强度为200～380MPa，延伸率为15～30％。
进一步地，所述的制备方法，制备的薄壁微管在37℃模拟体液SBF中均匀降解，降解速率为0.015～0.025mm/year。
本发明的有益效果为：
1、本发明中的锌合金选用对人体无害的金属元素进行微合金化，保证良好的生物相容性，同时有益于管材以均匀合适方式降解。
2、本发明中的制备方法可以获得具有良好表面质量和高尺寸精度的锌合金薄壁微管，同时该薄壁管材的成分和组织均匀，晶粒尺寸细小，具有满足心血管支架需要的力学性能和均匀合适的降解性能。
附图说明
图1为实施例1中薄壁微管的室温拉伸性能曲线；
图2为实施例1中薄壁微管的微观组织图；
图3为实施例1中薄壁微管的晶粒尺寸分布统计图；
图4为实施例1中薄壁微管经模拟体液(SBF)浸泡后的微观表面形貌。
具体实施方式
本发明实施例中采用的金属锌的纯度为99.999％，金属镁纯度为99.99％，金属锰的纯度99.995％，金属钽的纯度为99.95％和金属锆的纯度为99.95％。
本发明实施例中观测金相组织采用的设备为OLYMPUS公司生产的GX71倒置式系统金相显微镜。
本发明实施例中拉伸试验采用的标准为国标GB/T 228-2002《金属材料常温拉伸试验方法》，设备为岛津制作株式会社生产的AG-X100kN电子万能材料试验机。
本发明实施例中测试性能采用的标准为国家标准GB/T16545-1995《金属和合金的腐蚀——腐蚀试样上腐蚀产物的清除》，模拟体液(SBF)配置依据ISO/FDIS23317:Implantsfor surgery-In vitro evaluation for apatite-forming ability of implantmaterials进行。
实施例1
成分按质量百分比含Mg 0.05％，Mn 0.2％，Ta 0.05％，Zr 0.05％，不可避免杂质≤0.001％，余量为Zn；
金属锌、金属镁、金属锰、金属钽和金属锆作为原料；将高纯金属锌加热至600±5℃，待金属锌熔化后依次加入金属镁、金属锰、金属钽和金属锆，待全部金属熔化后，搅拌至混合均匀，获得合金熔体；
将合金熔体降温至480±5℃，用石墨钟罩向熔体中压入熔体质量0.2％的六氯乙烷，静置15分钟后，浇铸到预热300℃的钢模中成形制备铸锭；
对以上制备的铸锭进行二次磁悬浮重熔，然后对铸锭进行均匀化处理，具体工艺为350±5℃下5小时，370±5℃下5小时，水冷，获得坯锭；
将坯锭进行车削后依次进行自由锻造和模锻，锻造初始温度350℃，终锻温度在320℃，累积变形量为75％；
将锻造后的坯锭车削后，通过固定芯棒反挤压工艺制备管坯，挤压比为29，挤压温度100℃，挤压速度0.2mm/s，挤压制备的管坯空冷；然后分别对管坯的内外表面进行机械抛光；
对抛光后的管坯进行多道次三辊轧制+中间退火，每道次轧制变形量为8～20％，每次常温变形的总变形量为60～80％；每次常温变形之后进行一次中间退火，中间退火温度为200℃，时间15分钟；多道次三辊轧制-中间退火的累积变形量达到97.5％；
对轧制后的管坯进行2～5道次固定芯头拉拔，每道次拉拔变形量为5～15％，累积变形量56％；最后，再进行一次退火，温度150℃，时间10分钟，空冷至室温，获得薄壁微管。
所得薄壁微管的屈服强度为307MPa，抗拉强度为366MPa，延伸率为27.9％，室温拉伸曲线如图1所示；薄壁微管的平均壁厚为0.1451mm，标准差为0.0082mm，具体检测结果如表1所示；薄壁微管的外表面粗糙度平均值为0.063μm，内表面粗糙度平均值为0.273μm，具体检测结果如表2所示；薄壁微管的组织如图2所示，主要为细小的等轴晶构成，同时其晶粒尺寸分布如图3所示，平均晶粒尺寸为1.0μm，主要分布在0.4～1.8μm之间，组织均匀；薄壁微管的模拟体液(SBF)浸泡试验测得其平均降解速率为0.021mm/year，浸泡14天后的样品表面相貌如图4所示。
表1
Figure BDA0003620837970000051
表2
Figure BDA0003620837970000052
实施例2
成分按质量百分比含Mg 0.05％，Mn 0.5％，Ta 0.05％，Zr 0.05％，不可避免杂质≤0.001％，余量为Zn；
金属锌、金属镁、金属锰、金属钽和金属锆作为原料；将高纯金属锌加热至600±5℃，待金属锌熔化后依次加入金属镁、金属锰、金属钽和金属锆，待全部金属熔化后，搅拌至混合均匀，获得合金熔体；
将合金熔体降温至480±5℃，用石墨钟罩向熔体中压入熔体质量0.2％的六氯乙烷，静置10分钟后，浇铸到预热300℃的钢模中成形制备铸锭；
对以上制备的铸锭进行二次磁悬浮重熔，然后对铸锭进行均匀化处理，具体工艺为350±5℃下5小时，370±5℃下5小时，水冷，获得坯锭；
将坯锭进行车削后依次进行自由锻造和模锻锻造，锻造初始温度350℃，终锻温度在320℃，累积变形量为90％；
将锻造后的坯锭车削后，通过固定芯棒反挤压工艺制备管坯，挤压比为56，挤压温度100℃，挤压速度0.2mm/s，挤压制备的管坯空冷；然后分别对管坯的内外表面进行机械抛光；
对抛光后的管坯进行多道次三辊轧制-中间退火，每道次轧制变形量为8～20％，每次常温变形的总变形量为60～80％；每次常温变形之后进行一次中间退火，中间退火温度为200℃，时间10分钟；多道次三辊轧制-中间退火的累积变形量达到88.5％；
对轧制后的管坯进行2～5道次固定芯头拉拔，每道次拉拔变形量为5～15％，累积变形量59％；最后，再进行一次退火，温度150℃，时间5分钟，空冷至室温，获得薄壁微管。
所得薄壁微管的屈服强度为312MPa，抗拉强度为343MPa，延伸率为25％；薄壁微管的平均壁厚为0.1501mm，标准差为0.0076mm；薄壁微管的外表面粗糙度平均值为0.06μm，内表面粗糙度平均值为0.255μm；薄壁微管的组织主要由细小的等轴晶构成，平均晶粒尺寸为1.1μm，主要分布在0.5～1.5μm之间，组织均匀；薄壁微管的模拟体液(SBF)浸泡试验测得其平均降解速率为0.024mm/year。
实施例3
成分按质量百分比含Mg 0.1％，Mn 0.5％，Ta 0.08％，Zr 0.05％，不可避免杂质≤0.001％，余量为Zn；
金属锌、金属镁、金属锰、金属钽和金属锆作为原料；将高纯金属锌加热至600±5℃，待金属锌熔化后依次加入金属镁、金属锰、金属钽和金属锆，待全部金属熔化后，搅拌至混合均匀，获得合金熔体；
将合金熔体降温至480±5℃，用石墨钟罩向熔体中压入熔体质量0.2％的六氯乙烷，静置20分钟后，浇铸到预热300℃的钢模中成形制备铸锭；
对以上制备的铸锭进行二次磁悬浮重熔，然后对铸锭进行均匀化处理，具体工艺为350±5℃下5小时，370±5℃下5小时，水冷，获得坯锭；
将坯锭进行车削后依次进行自由锻造和模锻锻造，锻造初始温度350℃，终锻温度在320℃，累积变形量为90％；
将锻造后的坯锭车削后，通过固定芯棒反挤压工艺制备管坯，挤压比为64，挤压温度100℃，挤压速度0.2mm/s，挤压制备的管坯空冷；然后分别对管坯的内外表面进行机械抛光；
对抛光后的管坯进行多道次三辊轧制-中间退火，每道次轧制变形量为8～20％，每次常温变形的总变形量为60～80％；每次常温变形之后进行一次中间退火，中间退火温度为200℃，时间10分钟；多道次三辊轧制-中间退火的累积变形量达到97.5％；
对轧制后的管坯进行2～5道次固定芯头拉拔，每道次拉拔变形量为5～15％，累积变形量56％；最后，再进行一次退火，温度150℃，时间5分钟，空冷至室温，获得薄壁微管。
所得薄壁微管的屈服强度为314MPa，抗拉强度为347MPa，延伸率为33％；薄壁微管的平均壁厚为0.1441mm，标准差为0.0085mm；薄壁微管的外表面粗糙度平均值为0.066μm，内表面粗糙度平均值为0.280μm；薄壁微管的组织主要由细小的等轴晶构成，平均晶粒尺寸为0.95μm，主要分布在0.4～1.3μm之间，组织均匀。薄壁微管的模拟体液(SBF)浸泡试验测得其平均降解速率为0.018mm/year。
以上实施例也仅用以说明本发明的技术方案而非限制。本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种医用可降解锌合金薄壁微管的制备方法，其特征在于，利用医用可降解锌合金，采用普通铸造-磁悬浮熔炼-均匀化处理-自由锻造-模锻-挤压管坯-机械抛光-轧制-拉拔的工艺流程制备薄壁微管；具体包括如下步骤：
(1)按比例准备金属锌、金属镁、金属锰、金属钽和金属锆作为原料；将金属锌加热至600±5℃，待金属锌熔化后依次加入金属镁、金属锰、金属钽和金属锆，待全部金属熔化后，搅拌至混合均匀，获得合金熔体；
(2)将所述合金熔体降温至480±5℃，用石墨钟罩向所述合金熔体中压入熔体质量0.2～0.3％的六氯乙烷，静置10～20分钟后，浇铸到预热300℃的钢模中成形制备铸锭；
(3)对所述铸锭进行二次磁悬浮熔炼，然后进行均匀化处理：350±5℃处理5小时，370±5℃处理5小时，水冷，获得坯锭；
(4)将所述坯锭进行车削后进行自由锻造和模锻，锻造初始温度350℃，终锻温度在320℃，累积变形量在70～90％；
(5)将锻造后的坯锭车削后，通过固定芯棒反挤压工艺制备管坯，挤压比控制在25～65之间，挤压温度50～200℃，挤压速度0.1～4mm/s；挤压制备的管坯空冷至室温，然后分别对管坯的内、外表面进行机械抛光；
(6)对机械抛光后的管坯进行轧制，采用多道次三辊轧制+中间退火，每道次轧制变形量为8～20％，每次常温变形的总变形量为60～80％；每次常温变形之后进行一次中间退火，中间退火温度为100～300℃，时间5～20分钟；多道次三辊轧制+中间退火的累积变形量达到85～98％；
(7)对轧制后的管坯进行2～5道次固定芯头拉拔，每道次拉拔变形量为5～15％，累积变形量50～60％；最后，再进行一次退火，温度100～250℃，时间1～10分钟，空冷至室温，获得薄壁微管；
所述医用可降解锌合金包含的合金元素按质量百分比为：Mg0.01～0.2％，Mn0.01～1％，Ta0.005～0.1％,Zr0.005～0.1％，不可避免杂质总含量≤0.001％，余量为Zn；
所述薄壁微管直径2～3.5mm，壁厚0.1～0.2mm，壁厚标准差≤0.01mm，外表面粗糙度Ra≤0.1μm，内表面粗糙度Ra≤0.3μm；
所述步骤(3)中的坯锭为直径110～140mm的圆柱；所述步骤(4)中模锻后的坯锭为直径30～60mm的圆柱。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)和(2)中的加热设备为电阻炉。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，制备的薄壁微管抗拉强度为280～410MPa，屈服强度为200～380MPa，延伸率为15～30％。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，制备的薄壁微管在37℃模拟体液SBF中均匀降解，降解速率为0.015～0.025mm/year。
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生物医用Mg-Zn合金微管的显微组织和腐蚀性能;宋奎;严凯;靳惠民;金朝阳;;热加工工艺(第10期);全文 *

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