一种高压缩强塑性锌合金材料及其增材制造方法

本发明涉及骨植入再生材料，特别是一种可降解的高压缩强塑性锌合金材料及其增材制造方法。

背景技术：

1、大段骨缺损修复是骨科临床最大的挑战之一，作为黄金标准的自体骨移植仍然具有供给有限及多次手术的局限性，需要开发人工骨再生材料。理想的人工骨再生材料应满足良好的生物相容性、内联通的多孔结构、适当的降解速率以及与人骨匹配的力学性能。增材制造可降解锌合金为治疗大段骨缺损带来了前所未有的机遇：锌合金是人体必要的微量元素，参与细胞新陈代谢过程，具有良好的生物相容性；增材制造可精确控制锌合金多孔结构，精准制备锌合金的外形以匹配骨损伤解剖模型；锌合金的降解速率适中，且可通过多孔结构设计调控锌合金的降解速率。然而，目前增材制造多孔锌合金的力学性能仅处于人体松质骨的范围内，难以满足脊柱、四肢等承重骨的力学需求。

2、现有承重骨再生材料多采用增材制造钛合金、钽合金等惰性金属；现有增材制造可降解锌合金压缩强度难以满足人体皮质骨承重需求。现有增材制造钛合金、钽等惰性金属骨再生材料，在体内不可降解，长期植入有引发二次炎症甚至二次手术的风险；现有增材制造可降解金属并不能满足人体承重骨的承重需求。目前，增材制造锌合金材料为了保证材料的拉伸塑性，多采用低含量合金元素。然而，多孔锌合金骨再生材料在体内的受力环境以压应力为主。因此，需要开发具备匹配人体承重骨压缩强度并具有良好压缩塑性的锌合金材料。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的上述缺陷，提供一种可降解的高压缩强塑性锌合金材料及其增材制造方法。

2、为了实现上述目的，本发明提供了一种高压缩强塑性锌合金材料的增材制造方法，其中，用于制备可降解的骨填充材料或植入器械，包括如下步骤：

3、s100、采用气雾化制粉制备zn-mg二元或zn-mg-x三元合金球形粉末，并将制得的zn-mg二元或zn-mg-x三元合金球形粉末在真空干燥箱烘干1-10个小时后备用；

4、s200、将零件模型导入粉末床激光熔融装置，采用所述zn-mg二元或zn-mg-x三元合金球形粉末在基板上进行增材制造；

5、s300、采用线切割将增材制造后的所述零件模型与基板分离；以及

6、s400、将分离后的所述零件模型进行喷砂及超声处理后，并烘干。

7、上述的高压缩强塑性锌合金材料的增材制造方法，其中，步骤s200中，进行增材制造前对所述基板加热，加热温度为50-300℃。

8、上述的高压缩强塑性锌合金材料的增材制造方法，其中，所述零件模型为块体、压缩主导的柱体或与多孔结构结合的功能梯度结构件。

9、上述的高压缩强塑性锌合金材料的增材制造方法，其中，步骤s200中，粉末床激光熔融装置的激光功率为40-100w，扫描速率为100-2000mm/s，扫描间距与熔池宽度适配，保证相邻熔池搭接率为40％，采用zigzag扫描策略，层间旋转为0-90度。

10、上述的高压缩强塑性锌合金材料的增材制造方法，其中，步骤s100中，制备的zn-mg二元或zn-mg-x三元合金球形粉末筛分后粒径分布为15-53μm。

11、上述的高压缩强塑性锌合金材料的增材制造方法，其中，所述zn-mg二元球形粉末含zn和mg，其中mg含量为0.4％-5％，余量为zn。

12、上述的高压缩强塑性锌合金材料的增材制造方法，其中，所述zn-mg-x三元合金球形粉末含zn和mg，x为mn、sr、ca、ag、cu、li或稀土元素。

13、上述的高压缩强塑性锌合金材料的增材制造方法，其中，其中mg含量为0.4％-5％，mn含量为0.01％-3％，sr含量为0.01％-1％，ca含量为0.01％-0.5％，ag含量为0.01％-1％，cu含量为0.01％-3％，li含量为0.01％-1％，余量为zn。

14、上述的高压缩强塑性锌合金材料的增材制造方法，其中，还包括如下步骤：

15、s500、将zn-mg二元或zn-mg-x三元合金球形粉末增材制造的零件样品按照astme9-2009标准制备成压缩样品，打磨抛光后在丙酮、无水乙醇和去离子水中分别超声清洗设定时间后，采用万能材料力学试验机在室温下进行压缩实验，以验证压缩超塑性。

16、为了更好地实现上述目的，本发明还提供了一种采用上述的增材制造方法制备的高压缩强塑性锌合金材料。

17、本发明的技术效果在于：

18、1)增材制造使得锌合金第二相呈细小弥散分布，块体锌合金压缩屈服强度大于550mpa，压缩延伸率大于50％；功能梯度多孔锌合金孔隙率大于50％，压缩屈服强度大于100mpa，压缩延伸率大于50％；可以匹配人体皮质骨的力学性能；

19、2)锌合金降解均匀，降解速率适中，用于骨植入器械，可在前期提供力学支撑，后期随着骨组织再生在体内逐渐降解吸收；

20、3)锌合金具有良好的生物相容性。

21、以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

技术特征：

1.一种高压缩强塑性锌合金材料的增材制造方法，其特征在于，用于制备可降解的骨填充材料或植入器械，包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的高压缩强塑性锌合金材料的增材制造方法，其特征在于，步骤s200中，进行增材制造前对所述基板加热，加热温度为50-300℃。

3.如权利要求1所述的高压缩强塑性锌合金材料的增材制造方法，其特征在于，所述零件模型为块体、压缩主导的柱体或与多孔结构结合的功能梯度结构件。

4.如权利要求1所述的高压缩强塑性锌合金材料的增材制造方法，其特征在于，步骤s200中，粉末床激光熔融装置的激光功率为40-100w，扫描速率为100-2000mm/s，扫描间距与熔池宽度适配，保证相邻熔池搭接率为40％，采用zigzag扫描策略，层间旋转为0-90度。

5.如权利要求1所述的高压缩强塑性锌合金材料的增材制造方法，其特征在于，步骤s100中，制备的zn-mg二元或zn-mg-x三元合金球形粉末筛分后粒径分布为15-53μm。

6.如权利要求1所述的高压缩强塑性锌合金材料的增材制造方法，其特征在于，所述zn-mg二元球形粉末含zn和mg，其中mg含量为0.4％-5％，余量为zn。

7.如权利要求1所述的高压缩强塑性锌合金材料的增材制造方法，其特征在于，所述zn-mg-x三元合金球形粉末含zn和mg，x为mn、sr、ca、ag、cu、li或稀土元素。

8.如权利要求7所述的高压缩强塑性锌合金材料的增材制造方法，其特征在于，其中mg含量为0.4％-5％，mn含量为0.01％-3％，sr含量为0.01％-1％，ca含量为0.01％-0.5％，ag含量为0.01％-1％，cu含量为0.01％-3％，li含量为0.01％-1％，余量为zn。

9.如权利要求1所述的高压缩强塑性锌合金材料的增材制造方法，其特征在于，还包括如下步骤：

10.一种采用权利要求1-9中任意一项所述的增材制造方法制备的高压缩强塑性锌合金材料。

技术总结
一种高压缩强塑性锌合金材料及其增材制造方法，该方法用于制备可降解的骨填充材料或植入器械，包括如下步骤：采用气雾化制粉制备Zn‑Mg二元或Zn‑Mg‑X三元合金球形粉末，并将制得的Zn‑Mg二元或Zn‑Mg‑X三元合金球形粉末在真空干燥箱烘干1‑10个小时后备用；将零件模型导入粉末床激光熔融装置，采用所述Zn‑Mg二元或Zn‑Mg‑X三元合金球形粉末在基板上进行增材制造；采用线切割将增材制造后的所述零件模型与基板分离；以及将分离后的所述零件模型进行喷砂及超声处理后，并烘干。本发明还公开了采用该增材制造方法制备的高压缩强塑性锌合金材料。本发明可以匹配人体皮质骨的力学性能；降解均匀，降解速率适中，且具有良好的生物相容性。

技术研发人员：李亚庚,王鲁宁,郑钰哲
受保护的技术使用者：北京科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16