CN108300897A - 一种低模量含银抗感染医用钛合金 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供了一种低模量含银抗感染医用钛合金，在现有低模量钛合金Ti‑15Mo化学成分的基础上添加适量的银元素及其他元素，经过特殊的抗菌热处理后，在钛合金基体中析出一种纳米钛银金属间化合物，从而赋予钛合金整体抗细菌感染的功能，同时不改变Ti‑15Mo合金的低模量力学特性。本发明将材料成分设计与抗菌热处理工艺结合起来，使钛合金同时拥有低弹性模量的力学特性和抗细菌感染的生物学功能。

Description

一种低模量含银抗感染医用钛合金
技术领域
本发明涉及一种低模量含银抗感染医用钛合金。
背景技术
医用钛合金临床应用存在的最大问题之一就是合金的弹性模量与周围骨组织间的相差太大，在临床应用中造成“应力屏蔽”效应，成为植入体与周围骨结合不好的主要原因之一。Ti-15Mo钛合金是无毒、无过敏性合金元素的β型钛合金，具有较低的弹性模量，有利于植入体和骨骼之间的应力缓冲和均匀传递，已广泛用于人工髋关节、人工牙齿根、接骨板和植入棒等生物植入体。
医疗器械与骨科植入物引发的细菌感染是术后严重的并发症之一，给人类带来了严重的健康威胁和沉重的经济负担。据统计，我国每年用于骨折的植物材料已超过500万例，而生物材料相关感染的发生率为0.5-6％，如何有效预防人体植入材料的相关感染已成为生物材料和临床医学等研究领域的重要问题。
Ag对金葡菌和大肠杆菌有很强的杀菌作用，其作用机理为：Ag离子损伤与其接触的细菌细胞膜，细菌的蛋白质凝固、DNA损伤、正常组织与繁衍的平衡遭到破坏。通过表面改性技术如表面镀银、含银抗菌涂层、酸碱热处理及微弧氧化等，钛与钛合金可以获得抗菌性能，但获得的抗菌性只存在于材料表面，在使用过程中抗菌性能随涂层的降解与磨损而逐渐衰退，甚至完全丧失。已有文献和专利报道，通过在纯钛和钛合金中添加适量银元素的方法获得了具有良好、长期抗菌性能的抗菌钛合金，但是这些钛合金的弹性模量与纯钛一样，达到100-110GPa，没有实现低模量的效果，无法消除植入体与骨组织间弹性模量差异造成的应力屏蔽。因此如何既能实现低模量，又能具有抗细菌感染的效果就成为医用钛合金发展的方向之一。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低模量含银抗感染医用钛合金，即在低模量Ti-15Mo钛合金化学成分的基础上添加适量的银及其他元素，经过特殊的抗菌热处理后，在医用钛合金的基体中析出一种纳米级钛银金属间化合物，从而赋予医用钛合金抗细菌感染的功能，同时热处理过程中保持基体合金低模量的力学特性。该钛合金可广泛应用于骨科等医学临床领域中使用的各类钛合金植入物，既能缓解现有钛合金植入物的“应力屏蔽”现象，又能解决植入物引发的细菌感染问题。
为实现上述目的，本发明的具体技术方案为：
一种低模量含银抗感染医用钛合金，其化学成分的重量百分比为：Ag 1-20％；Mo13.00-17.00％，余量为Ti；
所述低模量含银抗感染医用钛合金的抗菌热处理工艺为：在850-1200℃下保温1h-7h，使合金中的所有合金化元素充分均匀地固溶于钛合金基体中，一方面，实现成分的均匀化；另一方面，实现钛合金β相转变。水冷或空冷至室温后，使钛合金中所有合金元素过饱和固溶于基体中，保持钛合金完全β相特性，获得低模量的力学特性。然后在300-750℃下保温5-15h，空冷至室温，使得过饱和固溶于钛合金基体中的银元素以纳米钛银金属间化合物的形式析出，在不改变基体相组成的基础上，赋予钛合金抗菌的效果。通过上述热处理，本发明所述的钛合金不仅具有了低模量的力学特性，而且具有了抗细菌感染的生物功能。在抗菌热处理过程中，温度与保温时间是两个非常重要的参数，过低的温度不利于纳米钛银金属件化合物的析出，过长的保温时间使析出相的尺寸明显增大，显著影响钛合金的抗菌性能与弹性模量。
进一步地，钛合金化学成分的重量百分比为：Ag 2-18％，Mo 13.00-17.00％，余量为Ti。
进一步地，钛合金化学成分的重量百分比为：Ag 5-15％，Mo 13.00-17.00％，余量为Ti。
进一步地，钛合金化学成分的重量百分比为：Ag7-13％，Mo 13.00-17.00％，余量为Ti。
进一步地，所述低模量含银抗感染医用钛合金的抗菌热处理工艺为：850-1200℃下保温2-4h，水冷或空冷至室温；在300-750℃下保温5-15h，空冷至室温。
通过合金成分的设计与抗菌热处理工艺的优化实现钛合金低模量与抗感染性能的统一是本发明的主要特点。Ti-15Mo合金具有较低的弹性模量，对于减少“应力屏蔽”的发生，降低骨密度的损失以及降低植入体的最终失效具有非常重要的意义。此外，在抗菌热处理工艺作用下，银以纳米钛银金属间化合物的形式在钛合金基体内弥散析出，析出相会在与细菌接触时，通过接触杀菌的方式杀死与之接触的细菌，从而赋予低模量钛合金抗细菌感染的功能，纳米银的析出并不改变钛合金低模量的力学特性，因此经过上述成分设计与抗菌热处理的钛合金就具有了低模量和抗细菌感染的双重功效。
本发明的有益效果是：
1、本发明在医学界现已承认的Ti-15Mo医用钛合金中添加适量的银及其他元素，从而获得具有广谱抗菌性能的低模量抗感染医用钛合金新材料。
2、本发明中的抗菌热处理工艺使均匀弥散分布的纳米钛银金属件化合物从钛合金基体中析出，低模量Ti-15Mo型钛合金被赋予了抗细菌感染的性能。
具体实施方式
实施例
在Ti-15Mo化学成分基础上添加不同质量的银及其他元素，其化学成分的重量百分比为：Ag 1-20；Mo 13.00-17.00；余量为Ti。采用不同的热处理工艺进行抗菌热处理，对得到的低模量抗感染钛合金进行弹性模量与抗菌性能检测，结果见表1。
弹性模量的测定按照《GB/T 22315-2008金属材料弹性模量和泊松比试验方法》，采用静态法测试合金的杨氏模量，试验中试样的应变采用引伸计测量。在记录的轴向力和轴向变形曲线上确定直线段，在该直线段上读取相距尽量远的两点之间的轴向力变化量(DF)和相对应的轴向变形变化量(DL)，计算杨氏模量：式中S0和Lel分别是试样平行长度部分的原始横截面积和轴向引伸计标距。
按照下述公式计算低模量含银抗感染医用钛合金对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的杀菌率：
杀菌率(％)＝[(对照样品活菌数-低模量抗感染钛合金活菌数)/对照样品活菌数]×100
式中，对照样品活菌数是对照样品(cp-Ti)上进行细菌培养后的活菌数，低模量抗感染钛合金活菌数是指低模量含银抗感染医用钛合金上进行细菌培养后的活菌数。
抑菌试验按照《JIS Z 2801-2000抗菌加工制品-抗菌性试验方法和抗菌效果》等标准规定，具体为：
分别取试验用菌液0.3ml滴加到对照样品(商业纯钛)、低模量含银抗感染医用钛合金样品上。用灭菌镊子将覆盖膜分别覆在各个样品上，使菌液均匀接触样品，置于灭菌平皿中，放在恒温培养箱中37℃、相对湿度90％以上条件下培养24h。
取出已培养24h的样品，分别加入洗脱液，反复清洗样品与覆盖膜，充分摇匀后，分别取0.1ml滴加到板营养琼脂培养基，每个样品做三个平行样，用灭菌三角耙涂匀，置于37℃恒温箱中培养48h后按照GB/T 4789.2的方法进行活菌计数。
表1Ti-15Mo型低模量含银抗感染医用钛合金的弹性模量与抗菌性能

Claims (5)

1.一种低模量含银抗感染医用钛合金，其特征在于，其化学成分的重量百分比为：Ag1-20％，Mo 13.00-17.00％，余量为Ti。所述钛合金的抗菌热处理工艺为850-1200℃下保温1-7h，水冷或空冷至室温，然后在300-750℃下保温5-15h，空冷至室温。
2.根据权利要求1所述的低模量含银抗感染医用钛合金，其特征在于，其化学成分的重量百分比为：Ag 2-18％，Mo 13.00-17.00％，余量为Ti。
3.根据权利要求1所述的低模量含银抗感染医用钛合金，其特征在于，其化学成分的重量百分比为：Ag 5-15％，Mo 13.00-17.00％，余量为Ti。
4.根据权利要求1所述的低模量含银抗感染医用钛合金，其特征在于，其化学成分的重量百分比为：Ag7-13％，Mo 13.00-17.00％，余量为Ti。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的低模量含银抗感染医用钛合金，其特征在于，所述低模量含银抗感染医用钛合金的抗菌热处理工艺为：850-1200℃下保温2-4h，水冷或空冷至室温；在300-750℃下保温5-15h，空冷至室温。
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