CN107630151A - 一种具有抗菌及促进骨愈合功能的新型β型钛合金 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种具有抗菌及促进骨愈合功能的新型β型钛合金材料及其制备方法，本发明在Ti‑Mo系合金中添加适量的铜、银和稀土元素，其化学成分为质量百分比：Mo：15‑25，Cu：1‑15；Ag：0.2‑1；La：0.02‑0.1；Ti：余量。该合金经过特殊的热处理，铜元素在钛合金表面富集，银元素固溶于基体中，从而赋予其生物医用功能，可广泛应用于骨科、口腔科等医学临床领域中使用的各类钛合金医疗器械，解决现有临床中医用钛合金具有潜在毒性、弹性模量与人体不匹配及植入后引发的细菌感染或成骨状态不佳等问题。

Description

一种具有抗菌及促进骨愈合功能的新型β型钛合金

技术领域

本发明涉及医用钛合金材料领域，具体提供一种具有抗菌及促进骨愈合功能的新型β型钛合金。

背景技术

从20世纪40年代开始至今，钛合金已被广泛应用于医用金属材料领域。与其它医用金属材料相比，钛合金具有耐蚀性强、比强度高、生物相容性优异、弹性模量较低等优点，从而逐渐成为口腔修复、矫形外科、种植体等领域中金属医疗器械的首选材料，如骨创伤产品(髓内钉、钢板、螺钉等)、人工关节(骻、膝、肩、踝、肘、腕、指关节等)、脊柱矫形内固定系统、牙种植体、牙托、牙矫形丝、介入支架、人工心脏瓣膜等。医用钛合金的发展可分为三个阶段：第一个阶段以纯钛(α型)和Ti-6Al-4V(α+β型)为代表；第二个阶段以Ti-6Al-7Nb(α+β型)和Ti-5Al-2.5Fe(α+β型)为代表；第三个阶段以开发弹性模量更低、生物相容性更好的β型钛合金为目标。目前，Ti-6Al-4V、Ti-6Al-7Nb以其优异的机械性能和加工性能，成为临床应用较广的外科植入材料。但研究表明，V是有毒元素，Al也有潜在毒性，这两种元素对患者健康将造成一定潜在危害，并且合金的弹性模量仍远高出人体硬组织，易对人体产生机械不适性，即“应力屏蔽”现象。美国等发达国家已经开发出Ti-15Mo(IMI205)β型钛合金，其β组织晶粒细小，机械性能更优异，具有比α+β型钛合金弹性模量更低并且对人体无毒性等优点。

在21世纪的医学领域中，金属医疗器械植入引发的细菌感染已经成为亟待解决的重要问题之一。据统计，美国骨科植入物相关感染的年发病率达到4.3％左右。世界卫生组织(WHO)颁布的《院内感染防治实用手册》中有关数据显示，全世界每天有超过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。医疗器械引发的细菌感染一旦发生就会对患者造成灾难性的后果。患者需再经历1-2次手术取出植入医疗器械并清除病灶，这给患者带来沉重的经济与精神负担，同时也会对医院和社会等造成一定的负面影响。例如，骨折术中使用植入物引发的感染会直接造成患者伤口经久不愈，经常会导致手术失败，甚至导致慢性骨髓炎等并发症，其治疗难度大，可造成肢体的严重伤残与功能障碍，甚至截肢和危及生命。因此，研究开发自身具有抗细菌感染功能的新型医用金属材料，以消除或减少相关金属医疗器械引发的细菌感染性疾病具有重大的社会和经济意义。

理想的骨科植入物应该具有促进成骨的生物功能，这样就能实现骨组织与植入物界面在机械与生物两方面更完美的结合，进而加快骨生长过程，促进骨重建及修复。已有研究表明，铜离子能够促进骨组织中的血管再生，最终促进骨组织的再生和修复，即成骨过程。同时，在铜离子和银离子的协同作用下，合金还具有强烈的抗菌功能。二者的生物医学功能已逐渐被人们所认可，可以预见，铜离子和银离子在生物医用材料中的应用将会逐渐增多。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有抗菌及促进骨愈合功能的新型β型钛合金，具体为在钛中同时添加适量的钼(Mo)、铜(Cu)、银(Ag)和稀土元素镧(La)，经过特殊的热处理后，合金能够在人体环境中微量和持续析出Cu²⁺和Ag⁺，从而赋予医用钛合金抗细菌感染及促进成骨功能。该新型钛合金可广泛应用于制造骨科、口腔科等医学临床领域中使用的各类钛合金医疗器械，有助于解决现有临床中医用钛合金具有潜在毒性、弹性模量与人体不匹配、植入后引发的细菌感染及成骨功能不佳等问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：在钛中添加适量的钼、铜、银和稀土元素镧，其化学成分为(质量百分比)：Mo：15-25，Cu：1-15；Ag：0.2-1；La：0.02-0.1；Ti：余量。杂质元素含量应满足外科植入物用Ti合金的相关要求。其中各元素的优选范围为：Mo：19-21，Cu：4-6；Ag：0.4-0.6；La：0.04-0.06；Ti：余量；且Cu、Ag、La三种元素满足质量比：100:10:1。

在本发明的生物功能化医用钛合金的成分设计中，Mo、Cu、Ag和La是该类合金中最重要的四种合金元素，Mo是钛合金中的β稳定元素，具有与β钛相同的晶格类型，该元素能够以置换方式大量溶入β钛中，产生较小的晶格畸变，因此在稳定β组织、强化合金的同时，能够保持合金的塑性。当添加的Mo元素超过一定量时，钛合金固溶处理后能得到稳定的β组织，弹性模量比α+β钛合金低的多，更接近骨组织，因此Ti-Mo系合金非常适用于骨科植入物。加入Cu和Ag是保证钛合金生物功能的必要条件，也是本发明的主要创新点。本发明是在现有医用β钛合金中加入一定量的Cu和Ag元素，以保证在特殊热处理条件下，Cu元素在表面形成富集层，Ag元素固溶于合金中。当钛合金处于人体环境中时，Cu²⁺和Ag⁺从钛合金表面微量和持续地溶出，从而发挥它们的生物医学功能。与此同时，本发明提供的钛合金中含有稀土元素La，La元素的添加能强化合金的抗菌性能，有效地改善并强化合金表面氧化膜本身与基体的结合力，使氧化膜成为牢固的保护层，从而提高合金抗氧化腐蚀能力，同时，稀土元素有净化合金中的杂质，填补合金晶核及缺陷的作用，能生成阻碍晶粒继续生长的膜，从而使晶粒细化。

本发明提供了所述具有抗菌及促进骨愈合功能的新型β型钛合金的制备方法，包括如下步骤：

(1)配料：将原料按质量百分比称重，混合均匀；

(2)熔炼：采用真空自耗电弧炉对合金进行熔炼，或采用其它适用于钛合金的方法进行熔炼。

真空自耗电弧炉熔炼步骤如下：装卡压制好的自耗电极，放置引弧料，闭炉抽真抽空，使炉内真空度为6×10⁴Pa，真空自耗电弧熔炼采用低电压大电流，引弧阶段电压为40V，电流为1600A，正常熔炼电压为36V，电流为2800A，熔炼结束后，快速提升电极，翻转坩埚浇注，停弧浇注后铸件随炉冷却。为确保铸锭均匀性，采用二次熔炼。

真空非自耗水冷铜坩埚电弧炉熔炼步骤如下：将混合后的钛，钼，银，铜和镧置于坩埚内，抽真空至熔炼炉内真空度为8×10⁴Pa，再通入氩气保护，起弧电流为50A，熔炼时的工作电流为400A，电压为220V，熔炼结束后，坩埚底部采用通水冷却，冷却时间为2500～3000秒，每个合金锭均熔炼五次，以确保合金成分的均匀性。

本发明还提供了所述具有抗感染及促进骨愈合功能的新型β型钛合金的特殊热处理工艺，该钛合金的热处理方法为分级热处理：将钛合金放入箱式电阻炉内加热至950-1050℃，保温1-2h后炉冷至600-700℃，保温3h，空冷至室温。

本发明还提供了所述具有抗感染及促进骨愈合功能的新型β型钛合金的热处理优选工艺，该热处理优选工艺为：将钛合金放入箱式电阻炉内加热至1000℃，保温2h后炉冷至650℃，保温3h，空冷至室温。

经过特殊热处理后，该钛合金表面形成厚度为50-100nm的铜元素富集层。

本发明的有益效果是：

1、本发明提出的钛合金抗菌及促成骨性能优异，弹性模量为40～50GPa，与人骨弹性模量接近，且具有优异的力学性能，抗拉强度达到1000Mpa以上，延伸率不小于20％。

2、本发明提供的新型β型钛合金中所加入的适量钼、铜、银和稀土元素均无明显细胞毒性，且原料成本相对较低，降低了合金的研发和生产成本。

3、本发明中的新型β型钛合金经过特殊热处理后，铜元素在钛合金表面形成富集层，银元素均匀地分布于基体中，使钛合金在人体环境中时，微量的银离子和铜离子从钛合金表面溶出，从而赋予钛合金抗细菌感染和促成骨功能。

4、本发明提供一种具有抗感染及促进骨愈合功能的新型β型钛合金，适用于制造金属医疗植入器械(骨科植入物、口腔种植体等)，为发展新型功能性金属医疗器械提供了材料保障。

附图说明

图1采用X射线光电子能谱(XPS)分析出的实施例及对比例经热处理后表面成分中Cu元素富集区的厚度变化。

具体实施方式

实施例1～7：

实施例1～7的合金成分及热处理方式具体数据见表1。

对比例1～9：

对比例1～9合金成分含量及热处理制度见表1。表1实施例和对比例钛合金的化学成分(wt％)及热处理工艺

1、抗菌性能检测

根据“JIS Z 2801-2000《抗菌加工制品－抗菌性试验方法和抗菌效果》、GB/T21510-2008《纳米无机材料抗菌性能检测方法》”等标准规定，定量测试了表1所示合金对常见细菌(大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等)作用后的杀菌率。抗菌性能检测结果见表2，其中杀菌率的计算公式为：杀菌率(％)＝[(对照样品活菌数-抗菌钛合金活菌数)/对照样品活菌数]×100，对照样品活菌数是对比例1样品上进行细菌培养后的活菌数，抗菌钛合金活菌数是指新型β型钛合金上进行细菌培养后的活菌数。

2、成骨性能检测

将实施例和对比例加工成圆柱状骨科植入器件，将其植入到兔子的骨组织内，利用Micro-CT检测植入圆柱样品7天后，植入物周围的骨形成情况，同时利用CTAn程序对Micro-CT结果进行新骨形成状况的分析。植入物周围骨体积变化百分比见表2。

3、生物安全性能检测

根据国标GBT16886.5-2003医疗器械生物学评价，采用噻唑蓝(MTT)比色法测定细胞生存率，进而评价实施例和对比例钛合金的生物安全性。然后根据5级毒性评价标准分级(0，1级符合生物医用材料的要求)，对各组结果进行评价，结果见表2。

4、耐腐蚀性能检测

根据电化学腐蚀性能检测中点蚀电位的变化，能反映出材料耐微生物腐蚀能力的高低。对实施例和对比例的钛合金进行耐蚀性能检测，即采用不锈钢点蚀电位测量方法(国家标准：GB/T 17899-1999)得到阳极极化曲线，测定其耐蚀性能，测试结果见表2。

表2实施例和对比例样品的性能结果表

5、力学性能检测

拉伸实验在MTS810拉伸实验机上进行，拉伸速度为0.5mm/min，拉伸样品参照国标GB/T228.1-2010制备，相关结果见表3。

表3钛合金力学性能结果表

6、XPS检测铜元素富集区

XPS分析是一种对材料表面进行的微量检测分析技术，可以对许多元素进行定量或半定量分析，XPS信息来自样品表面几个至十几个原子层，因此实验技术上要保证所分析的样品能够反映样品的固有表面性质。实验测量在ESCALAB-250俄歇表面测量系统上进行，其中单色X射线源为1486.6eV，150W的铝Kα。实施例和对比例样品表面上Cu元素的深度分布情况见附图1。

适量的铜、银和稀土元素含量是本发明提出的钛合金能够发挥良好的生物学及力学性能的关键所在。从抗菌测试结果可以看出，不含铜、银和稀土元素的样品(对比例1)，其表面未溶出Cu²⁺和Ag⁺，不具备抗菌性能，而在实施例1～7的铜含量(1-15wt.％)、银含量(0.2-1wt.％)及稀土元素含量(0.02-0.1wt.％)范围内，抗菌性能良好，且随合金元素含量的增多，样品的抗菌性能增强。成骨性能测试结果可以看出，Cu²⁺未溶出(对比例1，4)时，不能发挥出成骨功能，Cu²⁺或Ag⁺溶出较多(对比例5，7)时，造成生物细胞毒性，从而成骨性能也不佳。热处理制度也是非常重要的参数，样品经过热处理后，钛合金表面形成一定厚度的铜元素富集层。由耐蚀性能检测结果可以看出，随着铜和银含量的增加，样品的点蚀电位下降，耐蚀性能下降。实施例1-7经过特殊热处理后的耐蚀性能良好，点蚀电位在800mV以上，经优选热处理后的样品(实施例4)点蚀电位高于非优选热处理的样品(实施例3和5)，耐蚀性能较好，而铜、银或稀土元素含量过高(对比例3，5，7)或热处理温度不恰当(对比例8，9)，都使得耐蚀性能降低，点蚀电位低于800mV。由表3的力学性能测试结果可知，合金元素含量较低(对比例1，4)或热处理温度偏低(对比例9)时，屈服强度较低，合金元素含量较高(对比例3，5，7)或热处理温度偏高(对比例8)时，伸长率不满足要求，且弹性模量增大。结合力学性能及生物医用功能，优选成分范围内的样品(实施例2～6)其实验结果更为优异。由XPS检测结果可知，实施例1-7经过特殊热处理后，表面富铜相厚度在50-100nm之间，因此，对比例的性能不佳与富铜相厚度不在此范围内有关，由此可以得知，控制样品的合金元素含量及采取适当的热处理制度，对得到兼具无毒性、低弹性模量、良好的力学性能及生物性能的新型医用β型钛合金十分关键。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种具有抗菌及促进骨愈合功能的新型β型钛合金，其特征在于，按照质量百分比计，所述钛合金的化学成分如下：Mo：15-25，Cu：1-15；Ag：0.2-1；La：0.02-0.1；Ti：余量。

2.按照权利要求1所述具有抗菌及促进骨愈合功能的新型β型钛合金，其特征在于，按照质量百分比计，所述钛合金的化学成分如下：Mo：19-21，Cu：4-6；Ag：0.4-0.6；La：0.04-0.06；Ti：余量；且Cu、Ag、La三种元素满足质量比：100:10:1。

3.按照权利要求1-2任一所述具有抗菌及促进骨愈合功能的新型β型钛合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)配料：将原料按质量百分比称重，混合均匀；

(2)熔炼：采用真空自耗电弧炉对合金进行熔炼，或采用其它适用于钛合金的方法进行熔炼；

采用真空自耗电弧炉熔炼步骤如下：装卡压制好的自耗电极，放置引弧料，闭炉抽真抽空，使炉内真空度为6×10⁴Pa，真空自耗电弧熔炼引弧阶段电压为40V，电流为1600A，正常熔炼电压为36V，电流为2800A，熔炼结束后，提升电极，翻转坩埚浇注，停弧浇注后铸件随炉冷却；为确保铸锭均匀性，采用二次熔炼；

采用真空非自耗水冷铜坩埚电弧炉熔炼步骤如下：将混合后的钛，钼，银，铜和镧置于坩埚内，抽真空至熔炼炉内真空度为8×10⁴Pa，再通入氩气保护，起弧电流为50A，熔炼时的工作电流为400A，电压为220V，熔炼结束后，坩埚底部通水冷却，冷却时间为2500～3000秒，每个合金锭均熔炼五次，以确保合金成分的均匀性。

4.一种权利要求1所述具有抗菌及促进骨愈合功能的新型β型钛合金的热处理方法，其特征在于，该钛合金的热处理方法为分级热处理：将钛合金加热至950-1050℃，保温1-2h后炉冷至600-700℃，保温3h，空冷至室温。

5.按照权利要求4所述具有抗菌及促进骨愈合功能的新型β型钛合金的热处理方法，其特征在于，该钛合金的热处理方法为：将钛合金放入箱式电阻炉内加热至1000℃，保温2h后炉冷至650℃，保温3h，空冷至室温。

6.按照权利要求1、2、4、5任一所述具有抗菌及促进骨愈合功能的新型β型钛合金，其特征在于：所述钛合金表面具有厚度为50-100nm的铜元素富集层。

7.一种权利要求1所述具有抗菌及促进骨愈合功能的新型β型钛合金在医疗植入器械方面的应用，其特征在于：该合金作为骨科植入物、口腔种植体方面的应用。