醫用鐵基非晶材料的製備方法
2023-12-07 23:40:26
專利名稱：醫用鐵基非晶材料的製備方法
技術領域：
本發明的技術方案涉及以鐵作主要成分的非晶態合金，具體地說是醫用鐵基非晶材料的製備方法。
背景技術：
近年來，隨著臨床上醫用金屬材料應用範圍的擴大，這類材料的一些缺點逐漸顯現出來，主要在生物相容性、完全無毒性和材料成本較高方面都存在一定的缺陷。因此研發新型的具有優異生物活性、完全無毒性和價格低廉的醫用金屬材料具有重大的研究意義和寬廣的應用前景。現有技術中，醫用金屬材料大多是鈦合金。CN101560685公開了「一種鈦合金表面製備生物活性塗層的方法」，採用在鈦合金表面用微弧氧化和鹼熱處理的工序製備生物活性塗層，然後在模擬體液中浸泡才能生成羥基磷灰石。CN102068717A披露的「一種生物活 性複合材料的製備方法」，採用粉末冶金燒結、微弧氧化處理和在高壓釜中做二次氧化處理的方法，製得具有較強的生物活性的複合材料。鈦合金作為生物材料的製備工藝操作複雜，質量不易控制，且原材料價格昂貴，成本較高。鐵元素在地殼當中的含量豐富，是最常用的金屬元素之一。鐵不僅具有優異的力學性能，而且對人體完全無毒，是人體必需的元素之一。鐵基非晶材料還具有優異的生物活性，且製備工藝簡便，因而在醫用金屬材料方面具有很好的發展前景。然而，現有技術還沒有醫用鐵基非晶材料。CN101492794公開了「鐵基非晶態合金材料及其用途」，該材料的組成以原子比表示滿足下式=FeiciciIbHNiaCrbPcTdDe,該材料被用於噴塗、製備磁粉芯、吸波材料、磁敏元件和力敏元件。CN101509106公開了「一種鐵基非晶態合金材料及其製備方法」，包括如下重量份的化學成分Fe 91. 0-93. 5 ；Si :5. 2-6. 6 ；B 2. 5-3. 3 ；Cr :0. 05-0. 25 ；Cu :0. 010-0. 030 ；C :0. 05-0. 20，主要用於製備變壓器的鐵芯。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供醫用鐵基非晶材料的製備方法，克服了現有鈦合金作為生物材料的製備工藝操作複雜，質量不易控制，且原材料價格昂貴，成本較高的缺點。本發明解決該技術問題所採用的技術方案是醫用鐵基非晶材料的製備方法，步驟是第一步，配備原料依據目標合金(Fe75SiltlB15)98Nb2中各元素原子百分數at. %計算並配備所需質量的原料鐵粒、矽粒、硼粒和鈮塊，所有原料純度的質量百分比為99. 99% ；第二步，熔煉製備Fe-Si-B-Nb合金鑄錠將第一步中配備好的所有原料放置於真空電弧爐中，再將7g純鋯獨立放置於真空電弧爐中不與母合金接觸，在高純氬氣的保護下，進行熔煉，熔煉的電流從30A逐步加大到180A 250A，重複熔煉4次，每次熔煉的時間為38 42秒，隨爐冷卻，得到Fe-Si-B-Nb合金鑄錠，該Fe-Si-B-Nb合金鑄錠中元素Nb的原子百分比為2%，其餘元素的原子百分比為75%Fe、10%Si 和 15%B 的合金；第三步，製備Fe-Si-B-Nb非晶合金條帶作為醫用鐵基非晶材料備用將第二步中製得的Fe-Si-B-Nb合金鑄錠打磨去除氧化的表層後放入真空甩帶機中，再將真空甩帶機中的銅輪用800#、1000#、1200#和1800#的SiC金相砂紙依次打磨光滑，然後將上述打磨去除氧化的表層的Fe-Si-B-Nb合金鑄錠加熱到1400 1600°C熔化，在真空度為6. OX KT4Pa 8. OX l(T4Pa、甩帶速度為39m/s 45m/s和吹鑄壓力為IPa的條件下，將熔化的Fe-Si-B-Nb合金吹鑄形成(Fe75SiltlB15) 98Nb2非晶合金條帶，製得的(Fe75Si10B15)98Nb2非晶合金條帶的長度為100 300cm,寬度為I 2mm,厚度為25 35 μ m,作為醫用鐵基非晶材料備用。上述醫用鐵基非晶材料的製備方法，所用的原料均通過商購獲得，所用設備均為本技術領域的技術人員所熟知的現有裝置，所用的工藝為本技術領域的技術人員所能掌握的。本發明的有益效果是與現有技術相比，本發明的突出的實質性特點是試驗證明，鐵基非晶材料不需要經過任何的加工處理，在生體溶液中經過短暫的浸泡就會生成一層羥基磷灰石層。鐵基非晶材料在人體內可以自然形成一層羥基磷灰石層，羥基磷灰石(HA)是脊椎動物骨骼和牙齒的主要組成，具有極好地生物相容性。高達50%的骨骼都是由均勻成分的無機羥基磷灰石構成，人的牙釉質中羥基磷灰石的含量在96%以上。羥基磷灰石層可以促進骨骼快速的生長恢復，因此鐵基非晶材料在醫學領域可以作為骨骼替代和修復材料。與現有技術相比，本發明的顯著進步是鐵基非晶生物材料與鈦合金、鎳合金生物金屬材料相比，製備工藝簡單，不用對材料進行表面處理，與體液接觸就可自發生成一層羥基磷灰石膜；鐵基非晶生物材料與鈦合金、鎳合金生物金屬植入材料相比，安全性更高，因為Fe元素是人體的必需元素,本發明鐵基非晶合金中的組成元素都是對人體無毒性的成分；鐵基非晶生物材料與鈦合金、鎳合金生物金屬植入材料相比，本發明鐵基非晶合金的原料易得且價格便宜，製備過程簡便，生產成本低。·
下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。圖I是本發明製得的(Fe75SiltlB15)98Nb2非晶合金條帶在SBF溶液中浸泡24小時後的掃描電鏡照片。圖2是本發明製得的(Fe75SiltlB15)98Nb2非晶合金條帶在SBF溶液中浸泡24小時後的能譜分析圖。圖3是本發明製得的(Fe75SiltlB15)98Nb2非晶合金條帶在SBF溶液中浸泡72小時後的掃描電鏡照片。圖4是本發明製得的(Fe75SiltlB15)98Nb2非晶合金條帶在SBF溶液中浸泡72小時後的能譜分析圖。圖5是本發明製得的(Fe75SiltlB15)98Nb2非晶合金條帶在SBF溶液中浸泡120小時後的掃描電鏡照片。
圖6是本發明製得的(Fe75SiltlB15) 98Nb2非晶合金條帶在SBF溶液中浸泡120小時後的能譜分析圖。
具體實施方式
實施例I
第一步，配備原料
依據目標合金(Fe75SiltlB15)98Nb2中各元素原子百分數at. %計算並配備所需質量的原料鐵粒6. 081g、硼粒O. 235g、矽粒O. 408g和鈮塊O. 275g，所有原料純度的質量百分比為 99. 99% ；
第二步，熔煉製備Fe-Si-B-Nb合金鑄錠
將第一步中配備好的所有原料放置於真空電弧爐中，再將7g純鋯獨立放置於真空電弧爐中不與母合金接觸，作為除氧材料，在高純氬氣的保護下，進行熔煉，熔煉的電流從30A逐步加大到180A，重複熔煉4次，每次熔煉的時間為38秒，隨爐冷卻，得到 Fe-Si-B-Nb合金鑄錠，該Fe-Si-B-Nb合金鑄錠中元素Nb的原子百分比為2%，其餘元素的原子百分比為75%Fe、10%Si和15%B的合金；
第三步，製備Fe-Si-B-Nb非晶合金條帶作為醫用鐵基非晶材料備用
將第二步中製得的Fe-Si-B-Nb合金鑄錠打磨去除氧化的表層後放入真空甩帶機中，再將真空甩帶機中的銅輪用800#、1000#、1200#和1800#的SiC金相砂紙依次打磨光滑，然後將上述打磨去除氧化的表層的Fe-Si-B-Nb合金鑄錠加熱到1400°C熔化，在真空度為6. OX 10_4Pa、甩帶速度為39m/s和吹鑄壓力為IPa的條件下，將熔化的Fe-Si-B-Nb合金吹鑄形成(Fe75SiltlB15)98Nb2非晶合金條帶，製得的(Fe75SiltlB15)98Nb2非晶合金條帶的長度為 100cm，寬度為2mm，厚度為35 μ m，作為醫用鐵基非晶材料備用。
第四步，生物相容性試驗
模擬體液的配製方法是在溶劑水中按順序依次加入KCl O. 40g/L、NaCl 8. 00g/L、NaHCO3O. 35g/L、MgSO4 · 7H20 0. 20g/L、CaCl2 · 2H20 0. 19g/L、KH2PO4O. 06g、 Na2HPO4 · 12H200. 09g/L和C6H12O6 · 12H20 I. OOg/L配製成所需量的溶液。將第三步中製得的(Fe75SiltlB15)98Nb2非晶合金條帶置入上述模擬體液中浸泡，浸泡24小時以後，如圖I的掃描電鏡照片所示，在Fe基非晶材料的表面開始形成羥基磷灰石，羥基磷灰石在試樣表面的覆蓋率為9. 57% ;從圖2的能譜分析圖中計算，所得羥基磷灰石的Ca/P原子比為I. 41，在其正常比值範圍(I. 33 I. 67)內。羥基磷灰石在短期內的自發生成說明本實施例所製備的醫用鐵基非晶材料具有優異的生物相容性。
實施例2
第一步，配備原料
依據目標合金(Fe75SiltlB15)98Nb2中各元素原子百分數at. %計算並配備所需質量的原料鐵粒6. 081g、硼粒O. 235g、矽粒O. 408g和鈮塊O. 275g，所有原料純度的質量百分比為 99. 99% ；
第二步，熔煉製備Fe-Si-B-Nb合金鑄錠
將第一步中配備好的所有原料放置於真空電弧爐中，再將7g純鋯獨立放置於真空電弧爐中不與母合金接觸，作為除氧材料，在高純氬氣的保護下，進行熔煉，熔煉的電流從30A逐步加大到215A，重複熔煉4次，每次熔煉的時間為40秒，隨爐冷卻，得到 Fe-Si-B-Nb合金鑄錠，該Fe-Si-B-Nb合金鑄錠中元素Nb的原子百分比為2%，其餘元素的原子百分比為75%Fe、10%Si和15%B的合金；
第三步，製備Fe-Si-B-Nb非晶合金條帶作為醫用鐵基非晶材料備用
將第二步中製得的Fe-Si-B-Nb合金鑄錠打磨去除氧化的表層後放入真空甩帶機中，再將真空甩帶機中的銅輪用800#、1000#、1200#和1800#的SiC金相砂紙依次打磨光滑，然後將上述打磨去除氧化的表層的Fe-Si-B-Nb合金鑄錠加熱到1500°C熔化，在真空度為7. OX 10_4Pa、甩帶速度為42m/s和吹鑄壓力為IPa的條件下，將熔化的Fe-Si-B-Nb合金吹鑄形成(Fe75SiltlB15)98Nb2非晶合金條帶，製得的(Fe75SiltlB15)98Nb2非晶合金條帶的長度為 200cm，寬度為I. 5mm，厚度為30 μ m，作為醫用鐵基非晶材料備用。
第四步，生物相容性試驗
模擬體液的配製方法是在溶劑水中按順序依次加入KCl O. 40g/L、NaCl 8. 00g/L、NaKO3O. 35g/L、MgSO4 · 7H20 0. 20g/L、CaCl2 · 2H20 0. 19g/L、KH2PO4O. 06g、 Na2HPO4 · 12H200. 09g/L和C6H12O6 · 12H20 I. OOg/L配製成所需 量的溶液。將第三步中製得的(Fe75SiltlB15)98Nb2非晶合金條帶置入上述模擬體液中浸泡，浸泡72小時以後，如圖3的掃描電鏡照片所示，在Fe基非晶材料的表面形成大量羥基磷灰石，羥基磷灰石在試樣表面的覆蓋率達到40. 96% ;從圖4的能譜分析圖中計算，所得羥基磷灰石的Ca/P原子比為I. 55， 在其正常比值範圍(I. 33 I. 67)內。羥基磷灰石在短期內的自發大量生成說明本實施例所製備的醫用鐵基非晶材料具有優異的生物相容性。
實施例3
第一步，配備原料
依據目標合金(Fe75SiltlB15)98Nb2中各元素原子百分數at. %計算並配備所需質量的原料鐵粒6. 081g、硼粒O. 235g、矽粒O. 408g和鈮塊O. 275g，所有原料純度的質量百分比為 99. 99% ；
第二步，熔煉製備Fe-Si-B-Nb合金鑄錠
將第一步中配備好的所有原料放置於真空電弧爐中，再將7g純鋯獨立放置於真空電弧爐中不與母合金接觸，作為除氧材料，在高純氬氣的保護下，進行熔煉，熔煉的電流從30A逐步加大到250A，重複熔煉4次，每次熔煉的時間為42秒，隨爐冷卻，得到 Fe-Si-B-Nb合金鑄錠，該Fe-Si-B-Nb合金鑄錠中元素Nb的原子百分比為2%，其餘元素的原子百分比為75%Fe、10%Si和15%B的合金；
第三步，製備Fe-Si-B-Nb非晶合金條帶作為醫用鐵基非晶材料備用
將第二步中製得的Fe-Si-B-Nb合金鑄錠打磨去除氧化的表層後放入真空甩帶機中，再將真空甩帶機中的銅輪用800#、1000#、1200#和1800#的SiC金相砂紙依次打磨光滑，然後將上述打磨去除氧化的表層的Fe-Si-B-Nb合金鑄錠加熱到1600°C熔化，在真空度為8. OX 10_4Pa、甩帶速度為45m/s和吹鑄壓力為IPa的條件下，將熔化的Fe-Si-B-Nb合金吹鑄形成(Fe75SiltlB15)98Nb2非晶合金條帶，製得的(Fe75SiltlB15)98Nb2非晶合金條帶的長度為 300cm，寬度為1mm，厚度為25 μ m，作為醫用鐵基非晶材料備用。
第四步，生物相容性試驗
模擬體液的配製方法是在溶劑水中按順序依次加入KCl O. 40g/L、NaCl68.00g/L、NaHCO3 O. 35g/L、MgSO4 · 7H20 O. 20g/L、CaCl2 · 2H20 0. 19g/L、KH2PO4O. 06g、 Na2HPO4 · 12H200. 09g/L和C6H12O6 · 12H20 I. OOg/L配製成所需量的溶液。將第三步中製得的(Fe75SiltlB15)98Nb2非晶合金條帶置入上述模擬體液中浸泡，浸泡120小時以後，如圖5的掃描電鏡照片所不，在Fe基非晶材料的表面密布著輕基磷灰石,輕基磷灰石在試樣表面的覆蓋率達到71. 83% ;從圖6的能譜分析圖中計算，所得羥基磷灰石的Ca/P原子比為I. 61， 在其正常比值範圍(I. 33 I. 67)內。羥基磷灰石在短期內的自發大量生成說明本實施例所製備的醫用鐵基非晶材料具有優異的生物相容性。
上述實施例中所用的原料均通過商購獲得，所用設備均為本技術領域的技術人員所熟知的現有裝置，所用的工藝為本技術領域的技術人員所能掌握的。
權利要求
1.醫用鐵基非晶材料的製備方法，其特徵在於步驟是 第一步，配備原料 依據目標合金(Fe75SiltlB15) 98Nb2中各元素原子百分數at. %計算並配備所需質量的原料鐵粒、矽粒、硼粒和鈮塊，所有原料純度的質量百分比為99. 99% ； 第二步，熔煉製備Fe-Si-B-Nb合金鑄錠 將第一步中配備好的所有原料放置於真空電弧爐中，再將7g純鋯獨立放置於真空電弧爐中不與母合金接觸，在高純氬氣的保護下，進行熔煉，熔煉的電流從30A逐步加大到180A 250A，重複熔煉4次，每次熔煉的時間為38 42秒，隨爐冷卻，得到Fe-Si-B-Nb合金鑄錠，該Fe-Si-B-Nb合金鑄錠中元素Nb的原子百分比為2%，其餘元素的原子百分比為75%Fe、10%Si 和 15%B ； 第三步，製備Fe-Si-B-Nb非晶合金條帶作為醫用鐵基非晶材料備用將第二步中製得的Fe-Si-B-Nb合金鑄錠打磨去除氧化的表層後放入真空甩帶機中，再將真空甩帶機中的銅輪用800#、1000#、1200#和1800#的SiC金相砂紙依次打磨光滑，然後將上述打磨去除氧化的表層的Fe-Si-B-Nb合金鑄錠加熱到1400 1600°C熔化，在真空度為6. OX KT4Pa 8. OX l(T4Pa、甩帶速度為39m/s 45m/s和吹鑄壓力為IPa的條件下，將熔化的Fe-Si-B-Nb合金吹鑄形成(Fe75SiltlB15) 98Nb2非晶合金條帶，製得的(Fe75SiltlB15)98Nb2非晶合金條帶的長度為100 300cm，寬度為I 2mm，厚度為25 35Mm，作為醫用鐵基非晶材料備用。
全文摘要
本發明醫用鐵基非晶材料的製備方法，涉及以鐵作主要成分的非晶態合金，步驟是依據目標合金(Fe75Si10B15)98Nb2中各元素原子百分數at.%計算並配備所需質量的原料鐵粒、矽粒、硼粒和鈮塊，所有原料純度的質量百分比為99.99%；將所有原料放置於真空電弧爐中，在高純氬氣的保護下，進行熔煉，得到Fe-Si-B-Nb合金鑄錠；然後在真空甩帶機中將將熔化的Fe-Si-B-Nb合金吹鑄形成(Fe75Si10B15)98Nb2非晶合金條帶，作為醫用鐵基非晶材料。本發明克服了現有鈦合金作為生物材料的製備工藝操作複雜，質量不易控制，且原材料價格昂貴，成本較高的缺點。
文檔編號B22D11/06GK102936705SQ20121051087
公開日2013年2月20日 申請日期2012年12月4日 優先權日2012年12月4日
發明者秦春玲, 趙維民, 王志峰, 周君, 範生磊 申請人:河北工業大學