本发明专利技术的目的在于提供一种应用于医用植入体的超高抗菌性能钛合金材料及其制备方法，并使其固溶和时效的热处理状态下，具有有效的抵抗高浓度细菌(＞(8‑9)*10
【技术实现步骤摘要】
一种应用于医用植入体的超高抗菌性能钛合金及其制备
本专利技术涉及医用钛合金材料植入体的领域，具体为一种在超高浓度细菌的人体环境中抗感染的医用钛合金及其制备方法。
技术介绍
医用钛合金以其优异的生物相容性、耐腐蚀性能和综合力学性能，已广泛应用于制作多种口腔科、骨科用等医疗植入体材料。20世纪60年代，纯Ti作为人体植入物开始应用于临床，但是由于其强度较低，耐磨损性能较差，仅可以用于承受载荷较小部位的骨替代以及口腔修复。随着钛合金植入体材料的发展，进而出现了TC4钛合金，但是由于其中所含有的V元素会对生物体造成毒性作用，且生物毒性超过了Ni和Cr等材料的构成元素。而后，无V元素的α+β型钛合金诞生，Ti-6Al-7Nb是典型的α+β型钛合金，Nb是β同晶元素，能与β钛无限互溶，有利于钛合金保持β相的存在，改善钛合金的冷加工性能，使得钛基合金的弹性模量降低，Ti-6Al-7Nb可以更好地使得植入物材料与人体骨界面上力学性能相匹配，并且，Nb元素是生物相容性极佳的无毒元素。医用钛合金发展至今，已经广泛地应用于外科植入物和矫形器械(见表1)。表1外科植入物和矫形器械中的钛合金典型产品然而，在以上植入体手术后，存在一定手术部位或者植入部位的细菌感染问题，除了人体会遭受细菌感染的影响，植入体的细菌腐蚀也不容忽视。植入物时间越久，腐蚀程度越严重，腐蚀可能会对植入体的力学性能和生物相容性产生强烈的影响，不仅会影响到材料或器件的使用寿命，还会由于金属溶出物引起种植体周围组织的局部坏死和炎症反应，造成发炎、过敏和致癌等全身反应，影响宿主的健康。据统计，外科植入医疗器械引发的细菌感染已经成为医学领域内亟待解决的重要问题之一，根据世界卫生组织(WHO)颁布的《院内感染防治实用手册》中的有关数据，每天全世界有超过1400万人在遭受院内感染的痛苦，其中60％的细菌感染与使用的医疗器械有关。不仅给患者带来了巨大的身心痛苦和沉重的经济负担，也会对医院和社会等造成不同程度的负面影响。随着人们生活水平的日益提高，防菌、抗菌及抗病毒的卫生管理已成为当今社会极为关注的问题，抗菌功能型金属材料的开发可以有效地解决细菌繁殖的影响。抗菌功能型金属材料的产生作用的方式为自身抗菌性，但是目前所生产或设计的此类金属材料，在应用方面具有两点重要的局限性，如图1所示：(a)对细菌浓度低于(1-2)*105CFU/mL的低浓度细菌微生物的杀灭时间需长达24小时；(b)对细菌浓度高于(1-2)*106CFU/mL的高浓度细菌微生物的杀菌率无法达到90％以上。基于上述背景，如果能开发一种超高抗菌性能的钛合金医用植入体材料，使之不仅可以有效地快速抑制超高浓度细菌的繁殖，而且可以保证符合人体植入物所要求的良好的生物相容性。那么，可以使得医用植入钛合金材料得到更加广泛地应用。因此，本申请拟提供一种应用于医用植入体的超高抗菌性能钛合金及其制备方法，在很大程度上解决现有问题，对钛合金材料在医用植入体市场的应用性起到一定的积极作用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种应用于医用植入体的超高抗菌性能的钛合金材料及其制备方法，在现有医用钛合金的化学成分的基础上添加一定量的Ga元素，使其在单一固溶的热处理状态下，可具有有效的抵抗超高浓度细菌(＞(8-9)*106CFU/mL)的功能，显著降低钛合金植入体材料在使用中引发的细菌微生物腐蚀风险。本专利技术所述超高抗菌性能钛合金材料能够迅速地抑制术后部位的细菌繁殖，减轻病人二次手术以及药物治疗的风险，能够广泛应用于口腔科、骨科医学临床领域中使用的多种钛合金医疗植入体，具体为牙科植入体，骨螺钉，接骨板，(膝、踝、肩和髋)关节等常见医用外科植入物。为实现上述目的，本专利技术的技术方案是：本专利技术所述超高抗菌性能钛合金材料的成分为，按重量百分比计：Al：5.0-7.0；Nb：6.0-8.0；Ga：0.5-5.0；余量Ti。优选的化学成分为：Al：5.5-6.5；Nb：6.5-7.5；Ga：1.0-3.0；余量Ti。本专利技术中的Ga元素，是该超高抗菌钛合金材料中的重要合金元素，是保证医用钛合金材料具备对超高浓度细菌的抗菌功能的必要条件，Ga元素在术后部位的释放，能够扰乱细胞的新陈代谢，抑制细胞的持续生长，最终造成细胞的凋亡。本专利技术钛合金材料中的Ga的含量，按重量百分比计，成分为0.5-5.0；优选成分为1.0-3.0，以保证通过固溶处理使得Ga元素能够充分固溶于基体，在同人体体液的接触中，高抗菌性能钛合金材料能够通过均匀腐蚀持续地释放出Ga离子。本专利技术中合适的抗菌热处理制度为：固溶处理的温度为850-1100℃，保温0.5-3.0h，水冷至室温。优选的固溶温度和固溶时间，其特征在于：固溶处理的温度为950-1000℃，保温1.0-2.0h，水冷至室温。因此，本专利技术的有益效果是：1、本专利技术通过添加Ga元素，使得超高抗菌性能钛合金材料对大于(8-9)*106CFU/mL的高浓度细菌的杀菌率具有有效性(≥90％)，并且减少了对细菌的杀灭作用时间。2、本专利技术所述超高抗菌性能钛合金材料的热处理方法，为优化后的热处理制度，通过单一固溶热处理，钛合金材料可对超高浓度细菌具有有效的杀灭作用。3、本专利技术所述超高抗菌性能钛合金材料材料，可应用于口腔科、骨科医学临床领域中使用的多种钛合金医疗植入体，具体为牙科植入体，骨螺钉，接骨板，(膝、踝、肩和髋)关节等常见医用外科植入物。附图说明图1抗菌功能型金属材料的抗菌率，(a)共培养菌液浓度为(1-2)*105CFU/mL，(b)共培养菌液浓度大于(1-2)*106CFU/mL。具体实施方式根据超高抗菌性能钛合金材料设定的化学成分范围，本专利技术采用15公斤真空感应炉冶炼实施例和对比例锻造钛合金材料各10公斤，其化学成分见表2。表2实施例和对比例的钛合金材料主要化学成分(wt.％)根据本专利技术超高抗菌性能钛合金材料设定的热处理方法的参数范围，制定的固溶热处理的详细参数，见表3。表3实施例和对比例的热处理工艺参数1.体外抗菌性能检测根据“JISZ2801-2000《抗菌加工制品－抗菌性试验方法和抗菌效果》、GB/T2591-2003《抗菌塑料抗菌性能实验方法和抗菌效果》”等相关标准规定，定量测试了表2所示热处理后的超高抗菌性能钛合金材料对常见造成人体感染的细菌(大肠杆菌E.coli和金黄色葡萄球菌S.aureus)作用后的杀菌率。其中，共培养细菌浓度设定为(8-9)*106CFU/mL，细菌同对照样品和高抗菌性能钛合金材料样品共培养的时间为12小时。体外抗菌性能检测结果见表4，其中杀菌率的计算公式为：杀菌率(％)＝[(对照样品活菌数-超高抗菌性能钛合金材料活菌数)/对照样品活菌数]×100％，对照样品活菌数是普通钛合金材料样品上进行细菌培养后的活菌数，超高抗菌性能钛合金材料活菌数是指热处理后的超高抗菌性能钛合金材料上进行细菌培养后的活菌数。2.生物安全性评价根据国标GB/T16886.5-2003医疗器械生物学评价，对实施例和对比例超高抗菌性能钛合金材料对L929(小鼠成纤维细胞)在1-7天的细胞毒性进行了评价，测试结果见表4。表4实施例、对比例超高抗菌性能钛合金材料的相关性能测试实验结果从表3的结果可以看出，本专利技术实施例1-7的超高本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种超高抗菌性能钛合金材料，其特征在于，按重量百分比计：Al：5.0‑7.0；Nb：6.0‑8.0；Ga：0.5‑5.0；余量Ti。
【技术特征摘要】
1.一种超高抗菌性能钛合金材料，其特征在于，按重量百分比计：Al：5.0-7.0；Nb：6.0-8.0；Ga：0.5-5.0；余量Ti。2.按照权利要求1所述钛合金材料，其特征在于，按重量百分比计，优选的化学成分为：Al：5.5-6.5；Nb：6.5-7.5；Ga：1.0-3.0；余量Ti。3.一种权利要求1或2所述钛合金材料的热处理方法，其特征在于：固溶处理的温度为850-1050℃，保温0.5-3.0h，水冷至室温...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵金龙，席通，杨柯，杨春光，
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
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