一种Fe-Mn-Cu-C系合金及其医学应用制造技术

本发明专利技术涉及医用金属材料领域，具体为一种Fe‑Mn‑Cu‑C系合金及其应用。合金组分及重量百分比为：Mn 10～35wt.％，Cu 0.2～5.0wt.％，C 0.2～1.5wt.％，余量为Fe。本发明专利技术利用Fe在人体环境中可发生腐蚀而生物降解的特性，在Fe中加入适量的Mn、Cu和C元素，经熔铸和锻造制备出一种Fe‑Mn‑Cu‑C合金，通过合金元素的协同作用，可提高合金的力学性能及在生物体环境下的腐蚀速率，并使得材料具有多种有益的生物学功能。兼具力学性能、降解性能及生物活性的Fe‑Mn‑Cu‑C合金，特别适用于医学领域中的植入器械材料。因此，在产品设计时，根据不同临床适应症，充分发挥Fe‑Mn‑Cu‑C材料的优异性能，可制备相应缝合线、吻合钉、心血管支架和网状编织支架等。

A Fe-Mn-Cu-C Alloy and Its Medical Application

The invention relates to the field of medical metal materials, in particular to an Fe Mn Cu C alloy and its application. The composition and weight percentage of the alloy are: Mn 10-35wt.%, Cu 0.2-5.0wt.%, C 0.2-1.5wt.%, and the remainder is Fe. The invention utilizes the characteristics of corrosion and biodegradation of Fe in human environment, adds appropriate amount of Mn, Cu and C elements to Fe, and prepares an Fe_Mn_Cu_C alloy by casting and forging. Through the synergistic action of alloy elements, the mechanical properties of the alloy and the corrosion rate in biological environment can be improved, and the material has many beneficial biological functions. Fe_Mn_Cu_C alloy with mechanical properties, biodegradability and biological activity is especially suitable for implant materials in medical field. Therefore, in product design, according to different clinical indications, give full play to the excellent performance of Fe_Mn_Cu_C material, can prepare corresponding suture, anastomotic nails, cardiovascular stents and reticulated braided stents.

【技术实现步骤摘要】
一种Fe-Mn-Cu-C系合金及其医学应用
本专利技术涉及医用金属材料领域，具体为一种Fe-Mn-Cu-C合金及其医学领域中的作为植入器械材料应用。
技术介绍
金属超细丝材或者管材在生物医用领域中具有重要应用价值，可用作缝合线、吻合钉、神经导管、支架等材料。目前，生物医用金属材料在该方面的临床应用中存在以下主要问题：第一，现有的可用作丝材或者支架金属材料如钛合金、不锈钢、Co基合金等属于不可降解吸收的金属材料，长期驻留人体易导致机体炎症、愈合迟缓、致敏、致癌等一系列不良反应，给患者造成潜在的危险因素。当机体病患组织修复或愈合之后，需二次手术取出，给患者带来额外的手术风险、经济压力和生理痛苦。第二，现有的植入金属材料均属于惰性材料，无生物活性，即使是在手术严格执行无菌操作及全身预防性抗炎治疗前提下，仍会出现细菌感染情况。植入物相关感染可引起局部组织破坏，病原体的全身播散和手术失效，导致严重疾病和并发症，还可能造成患者肢体严重伤残甚至危及生命。细菌感染通常难以控制，反复发作，增加伤口愈合时间，影响手术效果，给患者及其家庭带来巨大的身心痛苦和沉重的经济负担。第三，金属植入物的存在会使影像学观察出现金属伪影，从而导致相应区域影响模糊、组织结构变形等。另外，如果金属带有磁性的话还容易存在潜在的风险，如：植入物发热，位移等。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种Fe-Mn-Cu-C系合金及其医学应用，利用铁基合金优异的生物可降解性、力学性能，以及Cu元素的抗菌、促成骨功能，能够实现一种无需二次手术取出的且具有抗菌、促成骨功能植入金属材料。本专利技术的技术方案是：一种Fe-Mn-Cu-C系合金，该合金为四元合金，以Fe为主要元素，所添加合金元素包括Mn、Cu、C，合金纯度要求≧99.95wt.％；其中，Mn的含量为10～35wt.％，Cu的含量为0.2～3.0wt.％，C的含量为0.2～1.5wt.％。所述的Fe-Mn-Cu-C系合金，该合金通过Mn元素的添加，经热处理最终形成单一奥氏体组织。所述的Fe-Mn-Cu-C系合金，该合金优选成分为：Fe-28Mn-1Cu-0.8C、Fe-20Mn-2Cu-0.5C或Fe-30Mn-1.5Cu-1C。所述的Fe-Mn-Cu-C系合金，该合金的制备工艺为：将纯Fe、Mn、C和Cu按比例通过真空感应熔炼制成铁合金铸锭，铸锭在1050～1150℃保温0.5～1.5h后，锻造成Φ10～25mm的圆棒材。所述的Fe-Mn-Cu-C系合金，将Φ10mm的圆棒进行拉拔工艺进行丝材或者管材加工，最终形成Φ0.1～0.6mm直径的丝材，或者外径1.7～1.9mm、管壁厚110～120μm的管材。所述的Fe-Mn-Cu-C系合金，Fe-Mn-Cu-C系合金丝材或管材，在拉拔加工过程中，辅以热处理，处理过程为真空氛围下1050～1150℃保温0.5～1.5h后，水冷快速冷却到室温。所述的Fe-Mn-Cu-C系合金的应用，该合金适用于医学领域中的植入器械材料，用作缝合线、吻合钉、心血管支架或网状编织支架的材料。所述的Fe-Mn-Cu-C系合金的应用，该合金具有生物可降解性能，在生理盐水中的降解速率为0.10～0.30mm/a。所述的Fe-Mn-Cu-C系合金的应用，该合金具有强烈的杀菌功能，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌杀菌率为90％以上。本专利技术的设计思想是：本专利技术利用Fe在人体环境中可发生腐蚀而生物降解的特性，将Fe作为基体材料，在Fe中加入适量的Mn、Cu和C元素，通过熔铸和锻造的方法，制备一种Fe-Mn-Cu-C合金，通过Mn、Cu和C元素的协同作用，可同时提高材料的抗拉强度和塑性及在生物体环境下的腐蚀速率，并使得材料具有多种有益的生物学功能，如：抗菌功能可减少或避免术后细菌感染、抑制血管再狭窄功能、生物可降解性能、促成骨功能和磁兼容性。兼具力学性能、降解性能及生物活性的Fe-Mn-Cu-C合金，特别适用于医学领域中的植入器械材料。因此，在产品设计时，根据不同临床适应症，充分发挥Fe-Mn-Cu-C材料的优异性能，制备相应缝合线、吻合钉、心血管支架和网状编织支架等。本专利技术的优点及有益效果是：1、本专利技术利用Fe在人体环境中可发生腐蚀而生物降解的特性，通过在纯Fe中加入Mn、Cu、C元素，在提高材料的力学性能的同时，通过Cu元素与其他元素形成的第二相，使得基体与第二相之间的电位差加大，进一步提高合金在生物体环境下的腐蚀速率。利用Cu元素的生物学功能，通过在纯Fe中加入Cu元素，使得材料具有抗菌功能，减少或避免术中和术后引发的细菌感染；同时，在合金降解过程中释放的Cu离子具有可抑制血管再狭窄，促进成骨功能。2、本专利技术的含Cu铁基合金力学性能优异，抗拉强度可达到1000MPa以上，屈服强度在350MPa以上，延伸率为70％以上。优异的力学强度保证支架前期的力学支撑，可进一步将丝材细化，缩短体内降解时间，减小材料与组织的接触面积从而减小对组织的刺激作用。3、本专利技术的Fe合金在生理盐水中的降解速度可达0.25mm/a(毫米/年)，该合金具有强烈的杀菌功能，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌杀菌率大于90％。该Fe合金材料的溶血率为2.3％，细胞毒性为1级，满足植入物的生物安全性要求。该Fe合金材料经热处理可得到奥氏体组织，呈现顺磁性，具有较低的磁化率，核磁共振成像兼容性会更好。4、本专利技术的含Cu铁合金，适用于缝合线、吻合钉、心血管支架、网状编织支架等金属材料。附图说明图1为：Fe-Mn-Cu-C合金对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌作用；其中，(a)、(c)为对照组；(b)、(d)为Fe-Mn-Cu-C合金；(a)、(b)为大肠杆菌；(c)、(d)为金黄色葡萄球菌。图2为：Fe-Mn-Cu-C丝材作为吻合钉的吻合猪大肠效果；其中，(a)丝材；(b)吻合钉；(c)吻合猪大肠。具体实施方式在具体实施过程中，本专利技术针对目前金属存在的问题，在前期专利“一种可降解Fe-Mn-C三元铁合金材料及应用(公开号CN102776435A)”的基础上，设计一种改良成分含Mn、Cu、C元素的Fe-Mn-Cu-C合金，利用合金元素耦合效应的使得合金相比于之前的Fe-Mn-C合金，性能得到大幅度优化(见表1)，具有更加优异的力学性能、生物活性、磁兼容性和生物降解性，以及Cu元素的抗菌、抑制血管再狭窄、促成骨功能，能够实现在体内生物环境中被降解吸收，无需二次手术取出的植入金属材料，符合当前先进医疗理念和人体需求，是未来发展的主流和趋势。表1Fe-Mn-Cu-C合金性能与纯Fe和Fe-Mn-C合金对比本专利技术Fe-Mn-Cu-C合金作为丝材或者支架材料具有如下优势：(1)优异的力学性能。通过Mn、Cu、C元素的添加和耦合效应，使该合金具有较高的弹性模量、力学强度和塑性，Fe的弹性模量大于316L不锈钢及镁，支架径向支撑力较聚合物及镁基材料具有较大优势，在Fe中添加Mn获得Fe-Mn合金可形成奥氏体组织，解决铁合金MRI兼容性问题，这对于植入产品具有重要意义。(2)Fe具有生物安全性，Fe是体内营养元素之一，是构成血红蛋白、肌红蛋白、细胞色素和多种氧化酶、代谢酶的重要成分，是人体维持生命、进行细胞呼吸活动的催化剂。成人体内Fe的含量为4～5g。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种Fe‑Mn‑Cu‑C系合金，其特征在于：该合金为四元合金，以Fe为主要元素，所添加合金元素包括Mn、Cu、C，合金纯度要求≧99.95wt.％；其中，Mn的含量为10～35wt.％，Cu的含量为0.2～3.0wt.％，C的含量为0.2～1.5wt.％。

【技术特征摘要】
1.一种Fe-Mn-Cu-C系合金，其特征在于：该合金为四元合金，以Fe为主要元素，所添加合金元素包括Mn、Cu、C，合金纯度要求≧99.95wt.％；其中，Mn的含量为10～35wt.％，Cu的含量为0.2～3.0wt.％，C的含量为0.2～1.5wt.％。2.按照权利要求1所述的Fe-Mn-Cu-C系合金，其特征在于，该合金通过Mn元素的添加，经热处理最终形成单一奥氏体组织。3.按照权利要求1所述的Fe-Mn-Cu-C系合金，其特征在于，该合金优选成分为：Fe-28Mn-1Cu-0.8C、Fe-20Mn-2Cu-0.5C或Fe-30Mn-1.5Cu-1C。4.按照权利要求1所述的Fe-Mn-Cu-C系合金，其特征在于，该合金的制备工艺为：将纯Fe、Mn、C和Cu按比例通过真空感应熔炼制成铁合金铸锭，铸锭在1050～1150℃保温0.5～1.5h后，锻造成Φ10～25mm的圆棒材。5.按照权利要求4所述的Fe-Mn-Cu-C系合...

【专利技术属性】
技术研发人员：马政，谭丽丽，杨柯，于晓明，高明，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁,21