基本信息
- 項目名稱：
- 一種醫(yī)用鎂合金微管多道次成形模具及工藝設計
- 小類：
- 能源化工
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 本設計以開發(fā)新型的金屬基可吸收性醫(yī)用血管支架為背景，制備性能優(yōu)越生物醫(yī)用鎂合金微管為目標，以鎂合金擠壓細化理論為指導，從鎂合金自身特點出發(fā)，設計制造了一組（兩套）適合鎂合金微管擠壓成型的擠壓模具。并以此模具為基礎，開發(fā)出一套適合在此模具上進行鎂合金微管擠壓成形的工藝，以期解決鎂合金血管支架開發(fā)中的型材制備問題。
- 詳細介紹：
- 1．設計背景 隨著社會經濟的發(fā)展，人類越來越關心自身的醫(yī)療健康。然而由于我國社會老齡化趨勢越來越嚴重，心血管疾病患者也逐年呈增多趨勢，心血管疾病已經成為影響我國國民醫(yī)療健康、生活質量的大事。冠狀動脈性心臟病，簡稱冠心病，是一種因冠狀動脈狹窄、供血不足而引起的常見心血管疾病，據(jù)報道，目前，我國冠心病患者人數(shù)僅次于美國超過1200萬人，今后每年將以20%的速度增加，到2020年，將達到8000萬人。近年來，治療冠心病最常見的手段是基于微創(chuàng)手段的血管支架植入術，就是在動脈狹窄處植入一涂覆藥物的承力支架使血管擴張，以保持血流的暢通。目前所用的支架按材料可分為高分子支架和惰性金屬支架。高分子支架力學性能較差容易折斷，且會在植入處造成酸性環(huán)境，延緩病愈。而現(xiàn)有臨床所用的惰性金屬支架，如不銹鋼和鈦合金支架永久存在于血管內，異物存在會引發(fā)局部炎癥反應，長期對周圍組織有刺激作用，有產生血栓，血管再狹窄的可能性。因此，開發(fā)新型的金屬基可吸收性支架是有必要而且是十分迫切的。 鎂及鎂合金由于其自身的優(yōu)點已被廣泛應用于航空、航天、電子通訊、汽車制造等領域。在醫(yī)用方面，鎂及鎂合金的比重與人體骨骼的比重最為接近，植入人體后不至于增加患者的負重和不適感，對其康復極為有利。 其次，鎂是人體內僅次于鉀的細胞內正離子，參與體內的一系列新陳代謝過程，具有抗凝血性和更好的生物相容性。更重要的是鎂及鎂合金具有非常低的平衡電極電位，在人體內易被腐蝕而降解，作為植入材料，可以避免二次手術。因此，鎂合金在生物醫(yī)用領域顯示出獨特的應用前景，吸引了世界范圍的研究。目前，開發(fā)性能優(yōu)越、價格低廉的新型植入可降解鎂合金微細管，成為研發(fā)心血管修復支架系統(tǒng)的關鍵工藝環(huán)節(jié)。由于擠壓加工具有節(jié)約原材料、提高生產率、提高零件的機械性能、提高零件的精度及表面粗糙度、減少工序等優(yōu)點，實際生產中高質量的管材都以擠壓法獲得。因此，制備鎂合金微細管所需要的擠壓模具的設計開發(fā)就成為研究的重心之一。但到目前為止，這一重要領域的研究仍相當缺乏。本發(fā)明就是在上述背景下設計制造出適合鎂合金微細管擠壓的專用模具，并設計出適合在此模具上鎂合金微管成形的相應的工藝，以期解決鎂合金血管支架開發(fā)的型材制備問題。 2．擠壓法制備鎂合金棒、管材的特點 擠壓成型就是將金屬毛坯放入模具模腔內，在強大的壓力和一定的速度作用下，迫使金屬從模腔中擠出，從而獲得所需形狀、尺寸以及具有一定力學性能的制品。因此，擠壓加工是利用模具來控制金屬流動，使金屬體積大量轉移來形成制件。擠壓方法按擠壓時坯料溫度的不同，可分為冷擠壓、溫擠壓和熱擠壓。一般而言，冷擠壓、溫擠壓都屬于冷加工范疇。是指再結晶溫度以下的加工。而熱擠壓則屬于熱加工。鎂是具有密排六方晶格的金屬，滑移系只有3個。在常溫下，鎂的塑性是很低的。冷擠壓對鎂合金而言是比較困難的，但當鎂合金加熱到再結晶溫度以上時，鎂的塑性便得到較大的提高。因此，用擠壓法制備鎂合金微管時采用熱擠壓的方式，以提高鎂合金的塑性成形能力。 3．實驗工藝方案的確定 現(xiàn)有的資料顯示，目前，實際所得的鎂合金微細管從力學性能和生物相容性角度來分析都不能滿足臨床要求。分析其原因發(fā)現(xiàn)即有合金成分方面的問題也有其制備工藝方面的問題。從制備工藝來看，現(xiàn)有的微細管都是由鑄態(tài)坯料直接擠壓、拉拔所得。而鑄態(tài)組織本身具有晶粒粗大、偏析嚴重、組織內部缺陷較多等特點。經熱擠壓時發(fā)生動態(tài)再結晶后，雖然內部組織缺陷有所減少，晶粒變得細小，但仍然不能滿足要求。且研究表明，與其他金屬相比，鎂合金動態(tài)再結晶晶粒尺寸對原始晶粒大小尤為敏感。當原始晶粒尺寸較大時，新晶粒尺寸也較為粗大，反之亦然。而經研究表明，利用這一原理，對鎂合金進行多道次熱變形，可達到連續(xù)細化晶粒的效果。而晶粒細化可顯著提高合金的力學性能與生物相容性?；谝陨侠碚摶A和醫(yī)用鎂合金相關要求及制備成本考慮，實驗確定了先對鎂合金鑄錠進行棒材擠壓，后以所得擠壓態(tài)鎂合金為坯料進行管材擠壓的工藝方法。 4．擠壓模具結構設計 由于鎂合金微細管的制備確定了先進行棒材擠壓后進行管材擠壓的工藝。因此，相應的需要兩套擠壓模具。模具的設計以現(xiàn)有擠壓設備為基礎兼顧通用性標準，并以鎂合金自身特點為出發(fā)點設計制造。 4.1 棒材擠壓模具結構 模具一以自行制備的生物醫(yī)用WE43鎂合金為坯料在3150KN四柱液壓機上進行棒材擠壓。此液壓機公稱力為3150KN，最大行程為800mm，采用四柱導向定位，適用于多種可塑性材料的壓制工藝。也可從事不同金屬零件制品和粉末制品的壓制成型。壓力機的工作壓力、壓制速度、空載快速下行和降速的行程均可根據(jù)工藝需要進行調整，并能完成定壓、定程兩種工藝動作。定壓成型之工藝動作在壓制后具有保壓、延時、自動回程、自動頂出、延時自動退回等動作，此壓力機對鎂合金棒材擠壓甚為適用。 擠壓開始前將經過均勻化退火處理的Φ71 mm×70 mm的醫(yī)用WE43鎂合金坯料（自制）和一塊Φ71 mm×20 mm的鋁錠放入加熱爐內加熱，然后將提前準備好的10根加熱棒分別插入模具中的加熱孔內通電預熱模具。再在凹模的內表面和凸模的外表面上涂有石墨加高溫潤滑油，當坯料溫度加熱到500℃，模具加熱到350℃時，將醫(yī)用WE43鎂合金坯料放入凹模內，再放入鋁錠。開動液壓機進行擠壓。 本模具進行鎂合金棒材擠壓具有以下特點： （1）由于鎂合金的常溫塑性很差，而隨著溫度的升高,其塑性可得到極大改善。所以模具在工作時的加熱對鎂合金的擠壓成形非常重要。因此在模具凹模套上設計有加熱孔，內置加熱棒加熱，且在模具外設有保溫圈，以防止模具向外散熱。此法即可合理控制擠壓溫度、提高加熱效率又便于維修更換。 （2）為了避免熱量傳導過快而使凹模難以或者長時間才能達到指定溫度，在墊板和凹模固定板之間加設有一層硅酸鋁纖維絕熱材料，以便熱量最大限度的保留在凹模與坯料之中。 （3）為了適用于不同直徑要求的鎂合金棒材擠壓，模具凹模設計為整體可置換式的，安裝、更換亦為方便。 （4）模具利用金屬鋁在高溫和常溫下塑性都很好的特點，擠壓時在鎂合金坯料上方放入一塊同規(guī)格的鋁錠。完成一次擠壓后，使鋁錠存留在形變腔內，正常工作時形變腔內溫度在300℃左右，此時鋁錠具有很高的塑性，繼續(xù)進行二次擠壓時鋁錠可容易的擠出，實現(xiàn)了鎂合金棒材的連續(xù)擠壓。當擠壓結束后，由于常溫鋁仍然具有較好的塑性，形變腔內的鋁錠也可容易的取出。此設計既代替了擠壓墊，又避免了復雜的模具頂出機構，是模具設計更為簡單，且提高了擠壓時的效率。 該模具設計具有通用性，適用于噸位大于900KN的立式擠壓機上的多規(guī)格鎂合金棒材擠壓。 4.2管材擠壓模具結構 模具二以模具一擠壓所得的棒材為坯料在QY-2型氣動壓力機上進行管材擠壓，以制備薄壁微細管。此氣動壓力機對鎂合金管材的擠壓具有很強的適用性：（1）壓力機由時間繼電器控制其下壓時間，因此在擠壓不同規(guī)格管材時，可靈活調整其保壓時間，以改變擠壓工藝。（2）壓力機壓制行程具有可調節(jié)性，適用于不同高度的坯料，因此可擠壓出多種規(guī)格長度的微細管。 擠壓前將模具一擠壓所得的經過均勻化退火處理的棒材，加工為外徑12mm、內徑2.5..mm的空心坯料，然后再在坯料表面涂上高溫潤滑油，放入模具擠壓筒中，連同模具一起放入加熱爐內加熱，并通氬氣保護。待加熱至變形溫度，取出模具，將預熱過并涂有高溫潤滑油的凸模放入擠壓筒內，把模具放于壓力機工作臺上定位，然后進行擠壓。 本模具進行鎂合金微細管擠壓具有以下特點： （1）由于鎂合金的熱導率高，擠壓采用整體加熱方式。熱模具有保溫作用，擠壓時坯料溫度可看成恒定的。此法不僅具有一般熱擠壓成形的優(yōu)點，同時由于坯料是在均勻的溫度場中成形，可以大大提高變形的均勻性，減少制品的殘留應力。而且可以選用最佳的熱力規(guī)范，提高金屬的塑性，降低材料的變形抗力，從而可以減少設備的力能需求。擠壓結束后，由于模具仍具有較高溫度，開模也較為容易。 利用模具整體加熱擠壓的方式制備鎂合金微細管尚屬首次，該方法達到了鎂合金管材高溫等溫擠壓之的效果。為鎂合金微細管的制備開辟了新途徑。 （2）模具在凸模外加裝有一個彈簧，擠壓時彈簧壓縮，擠壓結束后彈簧恢復，可實現(xiàn)凸模的自行開模。此設計免去了后續(xù)機械開模或者人工開模的工序。 (3) 由于擠壓時模具表面與內部坯料之間有一定溫差，模具設計時在擠壓筒套上開有一圓孔，擠壓時將快速測溫儀探頭放入，可實時監(jiān)測擠壓實際溫度。以便確定最佳擠壓溫度，實現(xiàn)鎂合金管材擠壓的工藝優(yōu)化。 （4）擠壓時模具溫度要求較高，且模具處于時冷時熱的工作環(huán)境中。因此，模具要求在高溫、高壓下具有高的耐磨性能；具有良好的抗激熱、激冷和抗沖擊的性能；具有良好的熱導率、高的淬透性、高的抗疲勞性能和高的抗氧化性以及較小的熱膨脹系數(shù)。所以，模具選用經過熱處理的熱作模具鋼—H13鋼制成。 該模具設計具有通用性，適用在下壓力大于10KN的空氣壓力機上進行不同規(guī)格的鎂合金微細管擠壓。 5．模具擠壓結果 經實驗，成功擠壓出外徑分別為5mm和3.5mm的細管。外徑2mm微細管即為血管支架標準型材，由上述擠壓所得管材經熱拉拔、矯直、拋光制備而成的。實驗所得的微細管尺寸精度高，表面質量好，壁厚均勻，均滿足實驗預定要求，由此說明此設計是合理的。 6. 結論 （1） 根據(jù)所需要的鎂合金血管支架，結合鎂合金擠壓細化理論，確定了醫(yī)用鎂合金微細管的制備工藝。 （2） 根據(jù)已確定的醫(yī)用鎂合金微細管的制備工藝，設計并制造了兩套擠壓模具。 （3） 在設計制造的模具上都成功擠出了合乎預定標準的微細管。 （4） 所設計的模具具有通用性，模具一適用于噸位大于900KN的立式擠壓機上的多規(guī)格鎂合金棒材擠壓。模具二適用在下壓力大于10KN的空氣壓力機上進行不同規(guī)格的鎂合金微細管擠壓。 參考文獻 [1] 沈劍,鳳儀,王松林,等.多孔生物鎂的制備與力學性能研究[J].金屬功能材料,2006,13(3):9 [2] 郝濱海. 擠壓模具設計簡明設計手冊[M]. 北京：化學工業(yè)出版社，2006. [3] 王強，高家誠，李偉等. 新型醫(yī)用Mg—4Y—3Nd—Zr合金組織和力學性能研究[J]. 功能材料，2008,10（39）：1717-1719. [4] 陳振華. 變形鎂合金[M]. 北京:化學工業(yè)出版社，2005. [5] 黃晶晶,楊柯. 鎂合金的生物應用研究[J].材料導報. 2006，4(20):67-69. [6] 高家誠，王強，彭建等。醫(yī)用Mg-RE合金血管支架的研究進展[J]，材料導報，2007，21(5A):132-135. [7] 袁啟明．支架在冠心病治療中的發(fā)展歷程[J]．現(xiàn)代醫(yī)學儀器與應用．2007，19(04)：25-28 [8] 顧興中，易紅，倪中華．冠狀動脈支架研究[J]．中國生物醫(yī)學工程學報，2005，6(24) ：662-667 [9] 湯利平. 面向鎂合金血管支架的薄壁微管加工工藝研究:[學位論文]. 南京：東南大學，2009. [10] 袁青領，閻鈞，鄭起. 可降解鎂合金材料的研究新進展[J].材料導報. 2010,3（24）：132-135. [11] Zhang Shaoxiang,Zhang Xiaonong,Zhao Changli,et al.Research on an Mg-Zn alloy as a degradable biomaterial[J].Acta Biomater,2009,6(2):626. [12] Frank Witte,Norbert Hort,Carla Vogt,et al. Degradable biomaterials based on magnesium corrosion[J].Curr Opin Solid State Mater Sci ,2008,12:63. （另附模具設計圖兩張，模具實物圖三張。所得產品圖兩張）
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 據(jù)報道，我國冠心病患者日益增多十年后將達到八千萬。目前治療冠心病采用的血管支架材料，均不能很好的滿足要求。因此，新型支架的開發(fā)成為必然。 鎂因其無毒，易腐蝕，質量輕等特點被醫(yī)學界視為理想的支架材料。因此，新型植入可降解鎂合金支架所需微細管的開發(fā)，成為研發(fā)心血管支架的關鍵工藝環(huán)節(jié)。而制備微細管的擠壓模具的設計就成為研究的重心之一。本設計以鎂合金擠壓細化理論為指導，從鎂合金自身特點出發(fā)，設計制造出一組（兩套）適合鎂合金微管制備的擠壓模具，并以此為基礎，開發(fā)出一套相應的鎂合金微管制備工藝，以期解決血管支架型材的制備問題。 模具一的設計有以下創(chuàng)新點：（1）由于鎂合金常溫塑性差。因此在模具上設計有快速加熱裝置。（2）在模具墊板和凹模固定板之間加設有一絕熱層，以避免導熱過快而使凹模加熱時間過長。（3）模具凹模設計為整體可置換式，適用于不同擠壓比的擠壓。且更換亦是方便。 模具二的設計有以下創(chuàng)新點：（1）擠壓采用整體加熱方式。此法可大大提高變形的均勻性，減少制品的殘留應力，提高金屬的塑性，降低材料的變形抗力。且開模也較為容易。 利用模具整體加熱擠壓的方式制備鎂合金微管尚屬首次，該方法達到了鎂合金管材高溫等溫擠壓的效果。為鎂合金微細管的制備開辟了新途徑。（2）模具在凸模外加裝有一個彈簧，擠壓結束后可實現(xiàn)凸模的自行開模。 經實驗，由所設計的兩套模具，成功擠壓出外徑分別為5mm和3.5mm的微細管， 其尺寸精度高，表面質量好，壁厚均勻，均滿足實驗預定要求，由此說明此設計是合理的。
科學性、先進性
- 現(xiàn)有的鎂合金支架從力學性能和生物相容性角度來分析都不能很好的滿足臨床要求。從制備工藝來看，支架所用微細管都是由鑄態(tài)坯料直接擠壓、拉拔所得。而鑄態(tài)組織本身具有晶粒粗大、偏析嚴重、組織內部缺陷較多等特點。經擠壓時發(fā)生動態(tài)再結晶后，雖然內部組織缺陷有所減少，晶粒變得細小，但仍然不能滿足要求。 鑒于此，有必要對鎂合金微細管的制備工藝進行改良。且研究表明，與其他金屬相比，鎂合金動態(tài)再結晶晶粒尺寸對原始晶粒大小尤為敏感。當原始晶粒尺寸較大時，新晶粒尺寸也較為粗大，反之亦然。利用這一原理，對鎂合金進行多道次熱變形，可達到連續(xù)細化晶粒的效果。而晶粒細化可顯著提高鎂合金的力學性能與生物相容性?；谝陨侠碚摶A和醫(yī)用鎂合金相關要求及制備成本考慮，實驗確定了先對鎂合金鑄錠進行棒材擠壓，后以所得擠壓態(tài)鎂合金為坯料進行管材擠壓的工藝方法。本發(fā)明根據(jù)以上確定的鎂合金擠壓工藝與擠壓條件，設計制造了兩套擠壓模具。一套用于將醫(yī)用鎂合金鑄坯的棒材擠壓，而另一套則用于將擠壓所得的棒材進行微管擠壓。
獲獎情況及鑒定結果
- 暫無
作品所處階段
- 中試階段
技術轉讓方式
- 成套設備轉讓
作品可展示的形式
- 圖紙，照片，所得產品
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經濟效益預測
- 本發(fā)明從支架的材料制備結合加工工藝以改善其性能的角度來考慮，以改善血管支架的力學性能和生物相容性。所用兩套模具都具有結構簡單，設計合理、節(jié)約成本、通用性強的特點。其中：模具一可適用于噸位大于900KN的立式擠壓機上的多規(guī)格鎂合金擠壓；模具二可適用于下壓力大于10KN的空壓機上的不同規(guī)格的鎂合金微管擠壓。 由于醫(yī)用可降解鎂合金支架具有傳統(tǒng)支架所不可代替的優(yōu)勢，現(xiàn)已被醫(yī)學界視為第二代支架材料的升級材料第三代支架材料所研究。鎂合金支架的制備技術也必將越來越受到關注。再者，據(jù)省內蘭空醫(yī)院提供的資料顯示，現(xiàn)階段該院平均每周就有一例支架植入手術，植入支架個數(shù)2-3個，每個支架植入費用國內的2-3萬，進口的為3-5萬。按每例植入支架2個，支架植入費用3萬計算，正常情況每年支架植入術為該院所產生經濟效益達312萬。醫(yī)院進價為國內支架10800元，進口支架15000元。而實際支架成本在成熟工藝下不足2000元。從降低患者的醫(yī)療費用和我省經濟增長方面考慮，對鎂合金血管支架制備的研究也是十分必要的。
同類課題研究水平概述
- 鎂及鎂合金因其自身的優(yōu)點已經引起世界范圍內廣泛的關注，其研究與開發(fā)已經被列為我國“十二五”計劃的重點開發(fā)項目。近年來，隨著人們對血管支架性能要求的不斷提高和技術手段的不斷發(fā)展，鎂合金血管支架的制備技術也獲得了長足的進步。但因研究較晚，迄今為止還沒有突破性的進展。 目前，對本課題相關的研究在省內未見報道。從全國范圍來看，對鎂合金血管支架的研究也是十分有限的。其研究熱點大多集中在兩個方面：（1）支架材料的表面處理上，希望通過材料的表面改性來提高支架的力學性能和生物相容性。如重慶大學的高家誠等研究了醫(yī)用鎂合金的腐蝕性能和表面改性。他們對鎂及鎂合金作為生物材料的可能性和研究進展進行了評述，介紹了鎂及鎂合金的腐蝕行為與影響其耐蝕性能的主要因素。同時對醫(yī)用鎂及鎂合金的幾種表面改性技術進行了討論。而東南大學的李姝、董寅生等則研究了醫(yī)用AZ31鎂合金表面復合膜層的制備及其性能表征。他們綜合應用陽極氧化及化學轉化工藝在其表面制備了復合膜層，并利用電化學測試手段對膜層性能進行了表征。但利用材料的表面處理來提高支架性能的方法具有開發(fā)成本高、制備工藝復雜、制備技術不穩(wěn)定的缺點。（2）支架材料的合金化研究，希望通過在鎂合金中添加不同元素來改善其性能。如重慶大學的高家誠、李偉、王勇等進行了新型醫(yī)用Mg-4Y-3Nd-Zr合金組織和力學性能研究。他們研究了其鑄造和均勻化處理過程中的組織結構變化,測試了熱處理后合金的室溫力學性能.結果表明,經熱處理的合金在室溫下表現(xiàn)出了較好的塑性,斷口具有準解理和韌性斷裂的混合特征.伸長率達到了15.8%,彈性模量更接近人的皮質骨模量,可滿足人體骨植入材料力學性能的要求。中科院的張二林等進行了醫(yī)用Mg-Zn-Mn-Ca合金組織、力學性能和耐蝕性能的研究。他們首先研究了鎂合金中常用合金化元素的溶血性和細胞毒性并探討了造成鎂合金溶血的機理。在此基礎上，設計開發(fā)了Ca含量不同的Mg-Zn-Mn-Ca合金。利用支架材料的合金化來改善支架的性能可從根本上解決鎂合金血管支架的臨床應用問題，但此研究開發(fā)周期長、手段單一化的缺點。 綜上所述，國內現(xiàn)階段對鎂合金血管支架的研究多集中在支架材料的制備及改性上。而本發(fā)明是從支架材料的制備結合支架成形工藝以改善鎂合金血管支架性能的角度來考慮的。具有開發(fā)成本相對較低、制備工藝簡單、制備技術穩(wěn)定、開發(fā)周期較短、手段多樣化的優(yōu)點。 鎂
