抗菌促成骨医用纳米多孔钽铜合金及其制备方法技术

为了改善植入材料的细菌感染和骨相容性的问题，本发明专利技术提供了抗菌促成骨医用纳米多孔钽铜合金及其制备方法，采用机械合金化和放电等离子烧结的方法来制备医用纳米钽铜合金，选择球型硬脂酸为造孔剂，进而赋予纳米钽铜合金多孔结构，获得具有铜含量低、抗菌性能和促成骨性能优异的新型医用纳米多孔钽铜合金。本发明专利技术所制备的医用纳米多孔钽铜合金其多孔结构利于骨细胞粘附生长，为骨细胞生长提供了足够的三维生长空间，能够显著降低现有医疗技术中钽基合金植入医疗设备使用中引发的细菌感染风险，并且能够有效解决骨修复材料在临床运用中与人体相容性差等问题，在临床骨修复中具有广泛应用前景。广泛应用前景。广泛应用前景。

【技术实现步骤摘要】
抗菌促成骨医用纳米多孔钽铜合金及其制备方法


[0001]本专利技术属于生物医用金属材料领域，特别适用于人体骨组织缺损的填充材料
，具体为抗菌促成骨医用纳米多孔钽铜合金及其制备方法。

技术介绍

[0002]金属钽以其优良的化学稳定性、优异的生物学特性和独特的结构性质已经引起生物医学界的广泛关注。与现有医用金属材料相比，钽主要具有两方面的明显优势：(1)钽具有更为优异的化学稳定性和耐蚀性能，常温下，钽与盐酸、浓硝酸甚至“王水”都不发生化学反应，一般的无机盐对钽均没有腐蚀作用；(2)钽的生物相容性极佳，植入一段时间后，生物组织易在钽表面上生长，所以钽又有“亲生物金属”之称。
[0003]然而，由于钽本身不具备生物活性，植入后容易引发细菌感染，从而诱发植入体炎症和早期松动等一系列并发症，最终导致植入失败。另外，临床使用的实体植入物无论是强度还是弹性模量均远高于人体骨骼，会发生“应力遮挡效应”，导致应力遮挡区内的骨骼发生骨改建现象，进而使骨密度下降及强度下降，摘除骨板后容易发生二次骨折。
[0004]现有技术的不足在于：目前还没有自身具有抗细菌感染，并兼具优异生物相容性的低模量医用金属植入材料。

技术实现思路

[0005]为了解决上述问题，本专利技术提供了抗菌促成骨医用纳米多孔钽铜合金及其制备方法，以解决现有金属植入材料自身不具有既能抗菌又能促进骨整合的问题。将一种具有优良化学稳定性、生物学特性和独特结构性质的金属钽与具有优良抗菌性能的金属铜复合加工成为多孔状态，模拟人骨的自然结构将大大提高植入体与骨组织的机械结合，从而增加植入物的长期稳定性。所制备的纳米多孔钽铜合金的弹性模量小于实体，而更加适应人骨环境，减少应力遮挡效应。同时，使金属植入物本身具有抗菌性可以有效地解决金属表面的细菌感染问题，提高植入成功率，有望改善患者生活质量具有重要意义。
[0006]为实现上述目的，本专利技术具体提供如下技术方案：
[0007]在医用金属钽(Ta)中添加适量的金属铜元素(Cu)，通过机械合金化、添加造孔剂和放电等离子烧结体快速烧结，制备具有多孔并且铜以纳米颗粒形式存在的多孔钽铜合金。孔径为：400nm
‑
600nm，其化学成分为质量百分比：铜(Cu)含量区间为1
‑
3wt.％，余量为钽(Ta)，该合金中其它杂质元素含量应符合医用钽基合金国家标准中的相应要求，该合金具有显著的抗菌性能，且兼具优异的生物相容性，不仅有望降低钽金属植入器件在临床使用中周围组织的感染发生率，还能显著提高组织与钽金属器件的生物相容性，进而提升了钽金属植入器件的医疗功效与成功率。
[0008]在本专利技术的具有抗菌功能的医用纳米多孔钽铜合金的成分设计中，铜是本专利技术所述医用纳米多孔钽铜合金中最重要的合金元素，这是保证医用纳米多孔钽铜合金具有抗菌功能并兼具优异生物相容性的必要条件，也是本专利技术的主要创新点之一。本专利技术是在医用
多孔钽金属中加入适量的铜元素，且铜以纳米形式存在，以保证微量铜离子能够从钽合金表面持久释放，从而赋予钽金属抗菌功能。如果铜含量相对较低，钽铜合金不能释放足量的铜离子，会降低钽合金的抗菌功能。如果铜含量相对过高，则会导致钽铜合金释放过多的铜离子，会产生毒性，进而对其生物安全性产生负面影响。通过机械合金化能够显著降低原始铜粉与钽粉的粒径尺寸，将粉末粒子球磨至纳米量级，研究表明，纳米级的富铜相能够加速其铜离子释放，因此能够在低含量下依旧具备良好的抗菌效果和促成骨效果，只有在本专利技术提供的Cu含量的范围内，纳米多孔钽铜合金才能同时保证优异的抗菌性能与生物相容性能。
[0009]在本专利技术的具有抗菌功能的医用纳米多孔钽铜合金的多孔结构制备过程中，选择以球型硬脂酸为造孔剂，制备出其医用纳米多孔钽铜合金的孔径为：400nm
‑
600nm，孔隙率为：70％
‑
80％，也是本专利技术的另一个创新点。所制备的医用纳米钽铜合金的孔径在400nm
‑
600nm，孔隙率在70％
‑
80％能够很好的促进骨细胞粘附生长，为骨细胞生长提供了足够的三维生长空间，最为重要的是能够很好的平衡力学性能与孔隙之间的关系，能更好的模拟人体骨组织。如果孔隙率及孔径相对较低，人体微环境中的营养物质就很难进入材料中，进而不利于骨细胞粘附生长；如果孔隙率及孔径相对过高，则会导致材料力学性能不足，进而不利于骨组织愈合，只有在本专利技术制备的孔隙率及孔径范围内，医用纳米多孔钽铜合金才能更好的促进骨整合。
[0010]在本专利技术还提供了所述医用纳米多孔钽铜合金的制备方法，制备过程包括机械合金化、添加造孔剂和放电等离子烧结三个步骤：
[0011]步骤1，机械合金化：以纯度≥99.95％的钽粉和纯度≥99.90％的铜粉为原料，按照合金的化学成分质量百分比，将原料粉末放入机械合金化机中进行机械混合，球磨时间为18
‑
36h，球磨转数为200
‑
300r/min，将原料粉末粒径控制到纳米级；
[0012]步骤2，添加造孔剂：向球磨后的原料粉末中添加球型硬脂酸，机械混匀，其中，球型硬脂酸占原料粉末的质量百分比为10％
‑
50％；
[0013]步骤3，放电等离子烧结：将步骤2得到的混合粉末置于模具中，置于放电等离子烧结炉中进行烧结；烧结压力为30
‑
40MPa，烧结温度为800
‑
1000℃，保温时间为3
‑
5min，烧结速度为100℃/min，真空度小于6MPa，得到抗菌促成骨医用纳米多孔钽铜合金。
[0014]上述步骤1中优选工艺为：球磨过程中，球料质量比为15：1，控制剂为体积分数为5％的无水乙醇，球磨珠为氧化锆或硬质合金。
[0015]上述步骤3中优选工艺为：将步骤2得到的混合粉末置于模具中，先在2
‑
4MPa的压力下压至1min，然后将模具置于放电等离子烧结炉中进行烧结。
[0016]在本专利技术的具有抗菌功能的医用纳米多孔钽铜合金的多孔结构设计中，采用了不同含量的硬脂酸为造孔剂来制备的医用纳米多孔钽铜合金，所制备的多孔结构接近球形、边缘圆整，孔隙率可控，具有优良的力学性能，所选用的球型硬脂酸是本专利技术所述医用纳米多孔钽铜合金中最重要的造孔剂，这是保证医用纳米钽铜合金具有多孔结构的必要条件，这也是本专利技术的另一个创新点之一。本专利技术是通过在医用钽铜金属中加入适量的球型硬脂酸，以保证所制备的医用纳米多孔钽铜合金的孔隙率及孔径更好的模拟人体骨，减少植入所产生的应力屏蔽效应以及更好的与人体骨相结合。如果所添加的硬脂酸含量相对较低，其孔隙率及孔径不能很好的模拟人体骨的孔隙率及孔径，进而会影响所制备材的料的整体
性能。如果所添加的硬脂酸含量相对过高，孔径增大，则会导致孔径与力学性能无法达到相对平衡，只有在本专利技术所提供的硬脂酸含量的范围内，纳米钽铜合金才能同时保证具有与人体骨相匹配的多孔结构。特别指出的是，本专利技术所添加的造孔本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.抗菌促成骨医用纳米多孔钽铜合金，其特征在于：其化学成分为质量百分比：Cu：1
‑
3wt.％，其余为Ta；其多孔孔径为：100nm
‑
600nm，孔隙率为：20％
‑
80％。2.根据权利要求1所述的抗菌促成骨医用纳米多孔钽铜合金，其特征在于：所述Cu以纳米形式存在，其大小为10
‑
100nm。3.权利要求1
‑
2任意一项所述的抗菌促成骨医用纳米多孔钽铜合金的制备方法，其特征在于：包括步骤如下：a、高能球磨：以纯度≥99.95％的钽粉和纯度≥99.90％的铜粉为原料，按照合金的化学成分质量百分比，将原料粉末放入高能球磨机中进行机械混合；b、添加造孔剂：向球磨后的所述原料粉末中添加球型硬脂酸，机械混匀，其中，所述球型硬脂酸占所述原料粉末的质量百分比为5％
‑
50％，所述球型硬脂酸粒径大小为100
‑
200nm；c、放电等离子烧结：将步骤b得到的混合粉末置于模具中，置于放电等离子烧结炉中进行烧结，烧结完成后所得到的即为该抗菌促成骨医用纳米多孔钽铜合金。4.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：李艳芳，陈绵，李卫荣，庞栋，李春华，胡剑，邱靖，李荣慧，刘培玉，许秀丽，
申请(专利权)人：东莞市镁安医疗器械有限公司华东交通大学，
类型：发明
国别省市：