基本信息
- 项目名称：
- 一种医用镁合金微管多道次成形模具及工艺设计
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 本设计以开发新型的金属基可吸收性医用血管支架为背景，制备性能优越生物医用镁合金微管为目标，以镁合金挤压细化理论为指导，从镁合金自身特点出发，设计制造了一组（两套）适合镁合金微管挤压成型的挤压模具。并以此模具为基础，开发出一套适合在此模具上进行镁合金微管挤压成形的工艺，以期解决镁合金血管支架开发中的型材制备问题。
- 详细介绍：
- 1．设计背景 随着社会经济的发展，人类越来越关心自身的医疗健康。然而由于我国社会老龄化趋势越来越严重，心血管疾病患者也逐年呈增多趋势，心血管疾病已经成为影响我国国民医疗健康、生活质量的大事。冠状动脉性心脏病，简称冠心病，是一种因冠状动脉狭窄、供血不足而引起的常见心血管疾病，据报道，目前，我国冠心病患者人数仅次于美国超过1200万人，今后每年将以20%的速度增加，到2020年，将达到8000万人。近年来，治疗冠心病最常见的手段是基于微创手段的血管支架植入术，就是在动脉狭窄处植入一涂覆药物的承力支架使血管扩张，以保持血流的畅通。目前所用的支架按材料可分为高分子支架和惰性金属支架。高分子支架力学性能较差容易折断，且会在植入处造成酸性环境，延缓病愈。而现有临床所用的惰性金属支架，如不锈钢和钛合金支架永久存在于血管内，异物存在会引发局部炎症反应，长期对周围组织有刺激作用，有产生血栓，血管再狭窄的可能性。因此，开发新型的金属基可吸收性支架是有必要而且是十分迫切的。 镁及镁合金由于其自身的优点已被广泛应用于航空、航天、电子通讯、汽车制造等领域。在医用方面，镁及镁合金的比重与人体骨骼的比重最为接近，植入人体后不至于增加患者的负重和不适感，对其康复极为有利。 其次，镁是人体内仅次于钾的细胞内正离子，参与体内的一系列新陈代谢过程，具有抗凝血性和更好的生物相容性。更重要的是镁及镁合金具有非常低的平衡电极电位，在人体内易被腐蚀而降解，作为植入材料，可以避免二次手术。因此，镁合金在生物医用领域显示出独特的应用前景，吸引了世界范围的研究。目前，开发性能优越、价格低廉的新型植入可降解镁合金微细管，成为研发心血管修复支架系统的关键工艺环节。由于挤压加工具有节约原材料、提高生产率、提高零件的机械性能、提高零件的精度及表面粗糙度、减少工序等优点，实际生产中高质量的管材都以挤压法获得。因此，制备镁合金微细管所需要的挤压模具的设计开发就成为研究的重心之一。但到目前为止，这一重要领域的研究仍相当缺乏。本发明就是在上述背景下设计制造出适合镁合金微细管挤压的专用模具，并设计出适合在此模具上镁合金微管成形的相应的工艺，以期解决镁合金血管支架开发的型材制备问题。 2．挤压法制备镁合金棒、管材的特点 挤压成型就是将金属毛坯放入模具模腔内，在强大的压力和一定的速度作用下，迫使金属从模腔中挤出，从而获得所需形状、尺寸以及具有一定力学性能的制品。因此，挤压加工是利用模具来控制金属流动，使金属体积大量转移来形成制件。挤压方法按挤压时坯料温度的不同，可分为冷挤压、温挤压和热挤压。一般而言，冷挤压、温挤压都属于冷加工范畴。是指再结晶温度以下的加工。而热挤压则属于热加工。镁是具有密排六方晶格的金属，滑移系只有3个。在常温下，镁的塑性是很低的。冷挤压对镁合金而言是比较困难的，但当镁合金加热到再结晶温度以上时，镁的塑性便得到较大的提高。因此，用挤压法制备镁合金微管时采用热挤压的方式，以提高镁合金的塑性成形能力。 3．实验工艺方案的确定 现有的资料显示，目前，实际所得的镁合金微细管从力学性能和生物相容性角度来分析都不能满足临床要求。分析其原因发现即有合金成分方面的问题也有其制备工艺方面的问题。从制备工艺来看，现有的微细管都是由铸态坯料直接挤压、拉拔所得。而铸态组织本身具有晶粒粗大、偏析严重、组织内部缺陷较多等特点。经热挤压时发生动态再结晶后，虽然内部组织缺陷有所减少，晶粒变得细小，但仍然不能满足要求。且研究表明，与其他金属相比，镁合金动态再结晶晶粒尺寸对原始晶粒大小尤为敏感。当原始晶粒尺寸较大时，新晶粒尺寸也较为粗大，反之亦然。而经研究表明，利用这一原理，对镁合金进行多道次热变形，可达到连续细化晶粒的效果。而晶粒细化可显著提高合金的力学性能与生物相容性。基于以上理论基础和医用镁合金相关要求及制备成本考虑，实验确定了先对镁合金铸锭进行棒材挤压，后以所得挤压态镁合金为坯料进行管材挤压的工艺方法。 4．挤压模具结构设计 由于镁合金微细管的制备确定了先进行棒材挤压后进行管材挤压的工艺。因此，相应的需要两套挤压模具。模具的设计以现有挤压设备为基础兼顾通用性标准，并以镁合金自身特点为出发点设计制造。 4.1 棒材挤压模具结构 模具一以自行制备的生物医用WE43镁合金为坯料在3150KN四柱液压机上进行棒材挤压。此液压机公称力为3150KN，最大行程为800mm，采用四柱导向定位，适用于多种可塑性材料的压制工艺。也可从事不同金属零件制品和粉末制品的压制成型。压力机的工作压力、压制速度、空载快速下行和降速的行程均可根据工艺需要进行调整，并能完成定压、定程两种工艺动作。定压成型之工艺动作在压制后具有保压、延时、自动回程、自动顶出、延时自动退回等动作，此压力机对镁合金棒材挤压甚为适用。 挤压开始前将经过均匀化退火处理的Φ71 mm×70 mm的医用WE43镁合金坯料（自制）和一块Φ71 mm×20 mm的铝锭放入加热炉内加热，然后将提前准备好的10根加热棒分别插入模具中的加热孔内通电预热模具。再在凹模的内表面和凸模的外表面上涂有石墨加高温润滑油，当坯料温度加热到500℃，模具加热到350℃时，将医用WE43镁合金坯料放入凹模内，再放入铝锭。开动液压机进行挤压。 本模具进行镁合金棒材挤压具有以下特点： （1）由于镁合金的常温塑性很差，而随着温度的升高,其塑性可得到极大改善。所以模具在工作时的加热对镁合金的挤压成形非常重要。因此在模具凹模套上设计有加热孔，内置加热棒加热，且在模具外设有保温圈，以防止模具向外散热。此法即可合理控制挤压温度、提高加热效率又便于维修更换。 （2）为了避免热量传导过快而使凹模难以或者长时间才能达到指定温度，在垫板和凹模固定板之间加设有一层硅酸铝纤维绝热材料，以便热量最大限度的保留在凹模与坯料之中。 （3）为了适用于不同直径要求的镁合金棒材挤压，模具凹模设计为整体可置换式的，安装、更换亦为方便。 （4）模具利用金属铝在高温和常温下塑性都很好的特点，挤压时在镁合金坯料上方放入一块同规格的铝锭。完成一次挤压后，使铝锭存留在形变腔内，正常工作时形变腔内温度在300℃左右，此时铝锭具有很高的塑性，继续进行二次挤压时铝锭可容易的挤出，实现了镁合金棒材的连续挤压。当挤压结束后，由于常温铝仍然具有较好的塑性，形变腔内的铝锭也可容易的取出。此设计既代替了挤压垫，又避免了复杂的模具顶出机构，是模具设计更为简单，且提高了挤压时的效率。 该模具设计具有通用性，适用于吨位大于900KN的立式挤压机上的多规格镁合金棒材挤压。 4.2管材挤压模具结构 模具二以模具一挤压所得的棒材为坯料在QY-2型气动压力机上进行管材挤压，以制备薄壁微细管。此气动压力机对镁合金管材的挤压具有很强的适用性：（1）压力机由时间继电器控制其下压时间，因此在挤压不同规格管材时，可灵活调整其保压时间，以改变挤压工艺。（2）压力机压制行程具有可调节性，适用于不同高度的坯料，因此可挤压出多种规格长度的微细管。 挤压前将模具一挤压所得的经过均匀化退火处理的棒材，加工为外径12mm、内径2.5..mm的空心坯料，然后再在坯料表面涂上高温润滑油，放入模具挤压筒中，连同模具一起放入加热炉内加热，并通氩气保护。待加热至变形温度，取出模具，将预热过并涂有高温润滑油的凸模放入挤压筒内，把模具放于压力机工作台上定位，然后进行挤压。 本模具进行镁合金微细管挤压具有以下特点： （1）由于镁合金的热导率高，挤压采用整体加热方式。热模具有保温作用，挤压时坯料温度可看成恒定的。此法不仅具有一般热挤压成形的优点，同时由于坯料是在均匀的温度场中成形，可以大大提高变形的均匀性，减少制品的残留应力。而且可以选用最佳的热力规范，提高金属的塑性，降低材料的变形抗力，从而可以减少设备的力能需求。挤压结束后，由于模具仍具有较高温度，开模也较为容易。 利用模具整体加热挤压的方式制备镁合金微细管尚属首次，该方法达到了镁合金管材高温等温挤压之的效果。为镁合金微细管的制备开辟了新途径。 （2）模具在凸模外加装有一个弹簧，挤压时弹簧压缩，挤压结束后弹簧恢复，可实现凸模的自行开模。此设计免去了后续机械开模或者人工开模的工序。 (3) 由于挤压时模具表面与内部坯料之间有一定温差，模具设计时在挤压筒套上开有一圆孔，挤压时将快速测温仪探头放入，可实时监测挤压实际温度。以便确定最佳挤压温度，实现镁合金管材挤压的工艺优化。 （4）挤压时模具温度要求较高，且模具处于时冷时热的工作环境中。因此，模具要求在高温、高压下具有高的耐磨性能；具有良好的抗激热、激冷和抗冲击的性能；具有良好的热导率、高的淬透性、高的抗疲劳性能和高的抗氧化性以及较小的热膨胀系数。所以，模具选用经过热处理的热作模具钢—H13钢制成。 该模具设计具有通用性，适用在下压力大于10KN的空气压力机上进行不同规格的镁合金微细管挤压。 5．模具挤压结果 经实验，成功挤压出外径分别为5mm和3.5mm的细管。外径2mm微细管即为血管支架标准型材，由上述挤压所得管材经热拉拔、矫直、抛光制备而成的。实验所得的微细管尺寸精度高，表面质量好，壁厚均匀，均满足实验预定要求，由此说明此设计是合理的。 6. 结论 （1） 根据所需要的镁合金血管支架，结合镁合金挤压细化理论，确定了医用镁合金微细管的制备工艺。 （2） 根据已确定的医用镁合金微细管的制备工艺，设计并制造了两套挤压模具。 （3） 在设计制造的模具上都成功挤出了合乎预定标准的微细管。 （4） 所设计的模具具有通用性，模具一适用于吨位大于900KN的立式挤压机上的多规格镁合金棒材挤压。模具二适用在下压力大于10KN的空气压力机上进行不同规格的镁合金微细管挤压。 参考文献 [1] 沈剑,凤仪,王松林,等.多孔生物镁的制备与力学性能研究[J].金属功能材料,2006,13(3):9 [2] 郝滨海. 挤压模具设计简明设计手册[M]. 北京：化学工业出版社，2006. [3] 王强，高家诚，李伟等. 新型医用Mg—4Y—3Nd—Zr合金组织和力学性能研究[J]. 功能材料，2008,10（39）：1717-1719. [4] 陈振华. 变形镁合金[M]. 北京:化学工业出版社，2005. [5] 黄晶晶,杨柯. 镁合金的生物应用研究[J].材料导报. 2006，4(20):67-69. [6] 高家诚，王强，彭建等。医用Mg-RE合金血管支架的研究进展[J]，材料导报，2007，21(5A):132-135. [7] 袁启明．支架在冠心病治疗中的发展历程[J]．现代医学仪器与应用．2007，19(04)：25-28 [8] 顾兴中，易红，倪中华．冠状动脉支架研究[J]．中国生物医学工程学报，2005，6(24) ：662-667 [9] 汤利平. 面向镁合金血管支架的薄壁微管加工工艺研究:[学位论文]. 南京：东南大学，2009. [10] 袁青领，阎钧，郑起. 可降解镁合金材料的研究新进展[J].材料导报. 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. （另附模具设计图两张，模具实物图三张。所得产品图两张）
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设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 据报道，我国冠心病患者日益增多十年后将达到八千万。目前治疗冠心病采用的血管支架材料，均不能很好的满足要求。因此，新型支架的开发成为必然。 镁因其无毒，易腐蚀，质量轻等特点被医学界视为理想的支架材料。因此，新型植入可降解镁合金支架所需微细管的开发，成为研发心血管支架的关键工艺环节。而制备微细管的挤压模具的设计就成为研究的重心之一。本设计以镁合金挤压细化理论为指导，从镁合金自身特点出发，设计制造出一组（两套）适合镁合金微管制备的挤压模具，并以此为基础，开发出一套相应的镁合金微管制备工艺，以期解决血管支架型材的制备问题。 模具一的设计有以下创新点：（1）由于镁合金常温塑性差。因此在模具上设计有快速加热装置。（2）在模具垫板和凹模固定板之间加设有一绝热层，以避免导热过快而使凹模加热时间过长。（3）模具凹模设计为整体可置换式，适用于不同挤压比的挤压。且更换亦是方便。 模具二的设计有以下创新点：（1）挤压采用整体加热方式。此法可大大提高变形的均匀性，减少制品的残留应力，提高金属的塑性，降低材料的变形抗力。且开模也较为容易。 利用模具整体加热挤压的方式制备镁合金微管尚属首次，该方法达到了镁合金管材高温等温挤压的效果。为镁合金微细管的制备开辟了新途径。（2）模具在凸模外加装有一个弹簧，挤压结束后可实现凸模的自行开模。 经实验，由所设计的两套模具，成功挤压出外径分别为5mm和3.5mm的微细管， 其尺寸精度高，表面质量好，壁厚均匀，均满足实验预定要求，由此说明此设计是合理的。
科学性、先进性
- 现有的镁合金支架从力学性能和生物相容性角度来分析都不能很好的满足临床要求。从制备工艺来看，支架所用微细管都是由铸态坯料直接挤压、拉拔所得。而铸态组织本身具有晶粒粗大、偏析严重、组织内部缺陷较多等特点。经挤压时发生动态再结晶后，虽然内部组织缺陷有所减少，晶粒变得细小，但仍然不能满足要求。 鉴于此，有必要对镁合金微细管的制备工艺进行改良。且研究表明，与其他金属相比，镁合金动态再结晶晶粒尺寸对原始晶粒大小尤为敏感。当原始晶粒尺寸较大时，新晶粒尺寸也较为粗大，反之亦然。利用这一原理，对镁合金进行多道次热变形，可达到连续细化晶粒的效果。而晶粒细化可显著提高镁合金的力学性能与生物相容性。基于以上理论基础和医用镁合金相关要求及制备成本考虑，实验确定了先对镁合金铸锭进行棒材挤压，后以所得挤压态镁合金为坯料进行管材挤压的工艺方法。本发明根据以上确定的镁合金挤压工艺与挤压条件，设计制造了两套挤压模具。一套用于将医用镁合金铸坯的棒材挤压，而另一套则用于将挤压所得的棒材进行微管挤压。
获奖情况及鉴定结果
- 暂无
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 成套设备转让
作品可展示的形式
- 图纸，照片，所得产品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 本发明从支架的材料制备结合加工工艺以改善其性能的角度来考虑，以改善血管支架的力学性能和生物相容性。所用两套模具都具有结构简单，设计合理、节约成本、通用性强的特点。其中：模具一可适用于吨位大于900KN的立式挤压机上的多规格镁合金挤压；模具二可适用于下压力大于10KN的空压机上的不同规格的镁合金微管挤压。 由于医用可降解镁合金支架具有传统支架所不可代替的优势，现已被医学界视为第二代支架材料的升级材料第三代支架材料所研究。镁合金支架的制备技术也必将越来越受到关注。再者，据省内兰空医院提供的资料显示，现阶段该院平均每周就有一例支架植入手术，植入支架个数2-3个，每个支架植入费用国内的2-3万，进口的为3-5万。按每例植入支架2个，支架植入费用3万计算，正常情况每年支架植入术为该院所产生经济效益达312万。医院进价为国内支架10800元，进口支架15000元。而实际支架成本在成熟工艺下不足2000元。从降低患者的医疗费用和我省经济增长方面考虑，对镁合金血管支架制备的研究也是十分必要的。
同类课题研究水平概述
- 镁及镁合金因其自身的优点已经引起世界范围内广泛的关注，其研究与开发已经被列为我国“十二五”计划的重点开发项目。近年来，随着人们对血管支架性能要求的不断提高和技术手段的不断发展，镁合金血管支架的制备技术也获得了长足的进步。但因研究较晚，迄今为止还没有突破性的进展。 目前，对本课题相关的研究在省内未见报道。从全国范围来看，对镁合金血管支架的研究也是十分有限的。其研究热点大多集中在两个方面：（1）支架材料的表面处理上，希望通过材料的表面改性来提高支架的力学性能和生物相容性。如重庆大学的高家诚等研究了医用镁合金的腐蚀性能和表面改性。他们对镁及镁合金作为生物材料的可能性和研究进展进行了评述，介绍了镁及镁合金的腐蚀行为与影响其耐蚀性能的主要因素。同时对医用镁及镁合金的几种表面改性技术进行了讨论。而东南大学的李姝、董寅生等则研究了医用AZ31镁合金表面复合膜层的制备及其性能表征。他们综合应用阳极氧化及化学转化工艺在其表面制备了复合膜层，并利用电化学测试手段对膜层性能进行了表征。但利用材料的表面处理来提高支架性能的方法具有开发成本高、制备工艺复杂、制备技术不稳定的缺点。（2）支架材料的合金化研究，希望通过在镁合金中添加不同元素来改善其性能。如重庆大学的高家诚、李伟、王勇等进行了新型医用Mg-4Y-3Nd-Zr合金组织和力学性能研究。他们研究了其铸造和均匀化处理过程中的组织结构变化,测试了热处理后合金的室温力学性能.结果表明,经热处理的合金在室温下表现出了较好的塑性,断口具有准解理和韧性断裂的混合特征.伸长率达到了15.8%,弹性模量更接近人的皮质骨模量,可满足人体骨植入材料力学性能的要求。中科院的张二林等进行了医用Mg-Zn-Mn-Ca合金组织、力学性能和耐蚀性能的研究。他们首先研究了镁合金中常用合金化元素的溶血性和细胞毒性并探讨了造成镁合金溶血的机理。在此基础上，设计开发了Ca含量不同的Mg-Zn-Mn-Ca合金。利用支架材料的合金化来改善支架的性能可从根本上解决镁合金血管支架的临床应用问题，但此研究开发周期长、手段单一化的缺点。 综上所述，国内现阶段对镁合金血管支架的研究多集中在支架材料的制备及改性上。而本发明是从支架材料的制备结合支架成形工艺以改善镁合金血管支架性能的角度来考虑的。具有开发成本相对较低、制备工艺简单、制备技术稳定、开发周期较短、手段多样化的优点。 镁
