CN110170069B - 一种增强支抗微种植体医用钛合金材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及医用钛合金材料领域，具体为一种生物安全的增强支抗微种植体医用钛合金材料及其制备方法。该医用钛合金的化学成分如下(重量％)：Zr：16‑18；Cu：3‑15；余量为Ti，该医用钛合金的制备方法：开坯锻造后轧制前，在1000‑1200℃保温0.5～6h，水冷至室温；750～900℃轧制，应变速率大于0.1s‑1。本发明提供的一种生物安全的增强支抗微种植体医用钛合金材料及其制备方法加工的支抗微种植体具有优异的生物安全性、植入稳定性高、能够快速实现绝对支抗，可用广泛于口腔正畸支抗领域。

Description

一种增强支抗微种植体医用钛合金材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及钛合金材料及口腔正畸领域，具体为一种增强支抗微种植体医用钛合金材料及其制备方法。
背景技术
在正畸治疗的过程中，为到达面部结构平衡与稳定的美学效果，支抗技术发挥着举足轻重的作用。做到“该动的牙动，不该动的牙不移动”，才能保证高质量的正畸矫正治疗效果。正畸矫治过程中，任何施于施治牙使其移动的力的同时，必然产生一个方向相反、大小相同的力，而支持这种移动矫正牙体引起的反作用力的情况称作“支抗”。实际上支抗是一个提供产生牙齿矫治力的基础。长期以来正畸临床需要探寻稳定、有效且不依赖患者合作的新支抗方法，直到微种植体支抗的出现，才在很大程度上攻克了这一临床难题。微种植体支抗是将正畸科学与种植科学结合起来的一门新技术，是用微种植钛钉植入骨内，以骨骼作为支抗，可以满足在矫治过程中对支抗的需求，尤其在成人正畸方面显示出其独特的优势，已成为国内外正畸学者基础研究的热点。此类种植体支抗与传统支抗装置相比，具有创伤性小、操作简单、疗效可靠、植入部位的选择较灵活、无需等待骨整合可即刻负载、患者不适感较轻、达到治疗目的后容易移除等无可比拟的优越性。然而，随着支抗技术的发展，口腔医生与患者也逐渐面临两个问题。首先，由于目前大多数的微种植体支抗螺钉产品的原材料多为Ti-6Al-4V等钛合金，其含有Al、V等元素，这些金属元素的微量释放将在一定程度上影响种植体的生物相容性，进而对其周围骨组织产生不利影响，有可能导致支抗失效，稳定性变差，支抗螺钉容易脱落。第二，支抗螺的钉增强支抗功能与稳定性是矛盾的，如何打破这个瓶颈，既能实现增强支抗功能又提高稳定性是支抗微种植体螺钉发展趋势。
综上所述，本发明将提供一种生物安全的增强支抗微种植体医用钛合金材料及其制备方法，实现支抗微种植体螺钉功能与结构力学的统一，提升支抗微种植体螺钉的功能性与有效性，为国产口腔正畸用支抗微种植体螺钉的发展提供新的基础与机遇。
发明内容
本发明的目的在于提供一种增强支抗微种植体医用钛合金材料及其制备方法，该医用钛合金制备得到的增强支抗微种植体具有优异的生物安全性、植入稳定性高、能够快速实现绝对支抗，可广泛用于口腔正畸支抗领域。
本发明采用的技术方案是：
一种生物安全的增强支抗微种植体医用钛合金材料，其特征在于：按重量百分比计，该钛合金的化学成分为：Zr：16-18；Cu：3-15；余量为Ti。
作为优选的技术方案：铜含量为重量百分比Cu：10-13。
本发明还提供了上述医用钛合金的制备方法，冶炼所得的医用钛合金采用以下热加工及热处理工艺：
首先热处理：
开坯锻造后轧制前，在1000-1200℃的环境中保温0.5～6h，水冷至室温。
第二热加工：
在750～900℃的环境中轧制，应变速率大于0.1s-1，轧制后获得的棒料用于后续支抗微种植体加工。
本发明的有益效果是：
本发明的目的在于提供一种生物安全的增强支抗微种植体医用钛合金材料及其制备方法，通过在钛合金中添加适量的Cu元素，从而使其制备得到的增强支抗微种植体具有优异的生物安全性。
本发明在开坯锻造后轧制前进行一次固溶热处理，然后再进行热加工，通过此方法，使得本发明提供的医用钛合金强度得到大幅提高，且其组织内析出纳米析出相Ti2Cu、Zr2Cu，同时提高植入稳定性、快速实现绝对支抗，可用广泛于口腔正畸支抗领域。
附图说明
图1为微种植体设计图纸
具体实施方式
以下用实施例对本发明作更一步的描述。这些实施例仅仅是对本发明最佳实施方式的描述，并不对本发明的范围有任何限制。
实施例：实施例1-6为含有Cu元素的医用材料钛合金，其化学成分见表1。根据本发明的化学成分范围进行控制冶炼。并经过如下热处理与热加工工艺：
首先热处理：开坯锻造后轧制成棒材前，在1000-1200℃的环境中保温0.5～6h，水冷至室温。
第二热加工：在750～900℃的环境中轧制，应变速率大于0.1s-1，轧制后获得的棒料用于后续增强支抗微种植体加工。
对比例：对比例1、2为常规医用钛合金TiZr，对比例3、4为含有少量Cu元素的医用钛合金，对比例5、6为含有多量Cu元素的医用钛合金，其化学成分见表1。其中，对比例1、3、5经历本发明提供的热加工热处理工艺；对比例2、4、6经历常规热加工热处理工艺：开坯锻造后，700～850℃轧制成棒材。
表1实施例和对比例材料化学成分(wt.％)
材料 Zr Cu Ti
实施例1 16.2 5.5 余量
实施例2 16.1 8.1 余量
实施例3 16.5 11.1 余量
实施例4 16.8 12.5 余量
实施例5 17.2 14.1 余量
实施例6 16.9 15.1 余量
对比例1 16.5 - 余量
对比例2 16.1 - 余量
对比例3 17.7 1.1 余量
对比例4 16.2 2.5 余量
对比例5 17.3 16.5 余量
对比例6 16.9 18.1 余量
1、增强支抗微种植体稳定性评价
将所有对比例与实施例棒材参照附图1图纸加工成带螺纹微种植体，随后进行动物实验评价稳定性。将对比例与实施例微种植体分别植入到各组大鼠双侧胫骨生长板下2mm处,先用1.8mm(或1.6mm)钻头，钻入深度2.0mm，通过数显扭力螺丝刀将微种植体扭进已钻好洞里，调节好扭力，力求每个螺钉同样力拒。植入1周后，用力学测试仪测量微种植体与周围骨的结合力用以评价微种植体稳定性。结果见表2。
2、细胞毒性评价
对实施例和对比例材料进行生物安全性能检测。采用MTS试剂进行细胞毒性实验。该试剂可被活细胞内的脱氢酶类转化成水溶性甲臢化合物，而死细胞无此功能。将培养瓶中的细胞用胰蛋白酶消化后配制成浓度为5×104/ml的细胞悬液，加入到96孔板中，每孔加入100μl。在5％CO2培养箱中培养8h后，吸弃原培养基，用PBS轻轻清洗2次后，加入100μl材料浸提液，同时设置阴性对照组(加入完全培养基)和阳性对照组(含有10％DMSO的完全培养基)。将96孔板放回CO2培养箱中继续培养24h、48h和72h。到了既定时间点，取出96孔板，加入10μl MTS(SignalwayAntibody，USA)，培养箱中孵育4h后，在酶标仪490nm波长下测量吸光度值，并计算细胞相对增殖率(Relative growth rate，RGR)，RGR＝(实验组OD值/培养基OD值)×100％，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要求)。结果见表2。
表2实施例和对比例材料相关性能检测结果
Figure BDA0002076773580000061
从表2的结果可看出，当医用钛合金中Cu元素的含量较低时(对比例1-4)，微种植体与骨组织结合力值较低。尽管对比例5、6中的Cu元素含量较高，但是由于过多的Cu元素会影响材料的生物相容性，即细胞毒性评级仅为3级，进而导致结合力下降。只有当Cu元素重量百分比在10-13之间时具有最高的BIC，证明其具有优异的结合能力，实现了稳定性提高、绝对支抗的目的。
此外，从表2的结果可看出，当对比例1、2分别经历本发明提供的以及常规热加工热处理工艺后，对比例1的结合力优于对比例2。同时，对于同样是低含量Cu元素的对比例3、4，以及同样是高含量Cu元素的对比例5、6，在分别经历了本发明提供的以及常规热加工热处理工艺后，对比例3、5的结合力优于对比例4、6。
通过以上分析可知，当Cu元素的含量处于优选范围时，经历本发明提供的热加工热处理工艺后，本发明提供增强支抗微种植体医用钛合金具有优异的生物安全性、植入稳定性高、能够快速实现绝对支抗，可用广泛于口腔正畸支抗领域。
本发明未尽事宜为公知技术。
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 (3)

1.一种增强支抗微种植体医用钛合金材料，其特征在于：按重量百分比计，该钛合金的化学成分为：Zr：16-18；Cu：3-15；余量为Ti；
所述钛合金的制备方法为：开坯锻造后轧制前，在900-1200℃的环境中保温0.5~6 h，水冷至室温；然后在750~900℃的环境中轧制，应变速率大于0.1 s-1，轧制后获得的棒料用于后续微种植体支抗螺钉的加工。
2.按照权利要求1所述的增强支抗微种植体医用钛合金材料，其特征在于：其铜含量为重量百分比Cu：10-13。
3.一种权利要求1所述的钛合金材料作为口腔正畸支抗微种植体材料的应用。
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