CN110951992B - 一种低弹性模量抗菌医用钛合金 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低弹性模量抗菌医用钛合金，为钛铁铜锡铌合金,原子百分比含量为：Fe 6%，Cu 1‑5%，Sn2‑3%，Nb2‑3%，余量为Ti和不可避免的杂质，本发明得到的钛合金弹性模量为80‑90 GPa比传统医用合金低30‑40GPa，抗菌性能达到75%‑96%，细胞毒性均为0级，且有利于细胞增殖。

Description

一种低弹性模量抗菌医用钛合金

技术领域

本发明涉及一种低弹性模量抗菌医用钛合金，属于医用钛合金和有色金属领域。

背景技术

医用钛合金具有良好的生物相容性，抗腐蚀性和低的弹性模量等优点，已经被广泛用于医疗卫生行业。例如，钛合金已经大量制备成各种医疗器械，器具；口腔医学方面的假牙，牙套等；人体内部的各种关节(髋关节，膝关节，肩关节，指关节，踝关节等)；以及在创伤中所需的钢板螺钉等。

然而钛合金在医学使用过程中存在着许多问题。毒性问题，钛合金在植入人体中经过多年后发现钛合金中的元素会发生微量的扩散，经过数十年科学家对医用钛合金中毒性元素做出总结。Al元素的存在会在人的机体中引起骨软化，贫血，神经紊乱等症状；V元素由于其化学性质不稳定，会引起生物学上的炎症和纤维包囊；Ni元素与细胞接触会引起细胞毒性，临床表现为皮炎，湿疹等；Cr元素对人体内脏有严重毒害作用，可能会引起血液的病变，是致癌金属之一。人体中自身存在的元素，即使合金中存在少量元素扩散也不会对人体造成什么危害。有毒元素的存在会大幅度降低钛合金的生物相容性，可能会产生人体的排异反应，甚至对生命产生巨大的威胁。

弹性模量问题是生物力学相容性考虑的重要问题。人体内骨头的弹性模量10-40Gpa左右，不同年龄，不同性别，不同部位的骨质都有所差别，但弹性模量大多集中在这个区间。弹性模量相差过大，人体内承受的大部分力会有弹性模量高的钛合金承受，会使得人体内的骨骼和肌肉不承受力，当人体肌肉和骨骼长时间不接受锻炼会导致肌肉萎缩，甚至肌肉细胞消失，这就造成了应力屏蔽现象。为了减少应力屏蔽现象，尽可能在保证合金强度的同时，降低弹性模量。

细菌感染问题，根据世界卫生组织公布数据显示，每年有1400万以上的人遭受病菌感染痛苦，其中有60％的病菌感染与医疗器械有关。而对于医疗器械引发的感染一旦发生，重者会夺去患者生命，轻者也会给患者带来经济与精神负担。例如，骨折后，植入型医疗器械引发的感染会导致患者手术失败，损害患者正常细胞，甚至会危及生命。

因此，研究开发一种具有抗菌，无毒的低弹性模量医用钛合金对减少细菌感染，消除患者痛苦具有重大意义。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种低弹性模量抗菌医用钛合金，在无毒性元素的基础上提供一种力学性能合适，抗菌性医用钛合金，能够解决现有临床中由医用钛合金弹性模量高引发的应力屏蔽现象和医用钛合金植入引发的细菌感染等问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种低弹性模量抗菌医用钛合金，为钛铁铜锡铌合金,原子百分比含量为：Fe6％，Cu 1-5％，Sn2-3％，Nb2-3％，余量为Ti和不可避免的杂质。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述Cu原子百分比含量为3-5％。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述钛合金的制备方法如下：

A、熔炼：按照配比称取原料配制合金，将配好成分的合金置于电弧炉的水冷铜坩埚中，利用真空非自耗电弧炉进行熔炼；

B、冷却：熔炼完毕的合金锭随坩埚冷却，为确保合金成分均匀，每个合金锭要在电弧炉中反复熔炼至少8次；

C、热处理：将钛合金放入马弗炉中加热，保温一段时间进行热轧，使得轧制后的合金厚度为4-5mm，随后进行淬火，保证合金为β-Ti固溶体。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤A中熔炼前电弧炉的背底真空高于2.0×10^-2Pa，弧焊电源电流工作范围为300-500A，电压工作范围为15-30V。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤C中热轧时马弗炉的加热温度为750-850℃，保温1h。所述步骤C中热轧时马弗炉的加热温度为750-850℃，保温1h。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤C中热轧时马弗炉的加热温度为800℃，保温1h。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述热轧时每次下压量为7-10％的变形量，保温5-8分钟，重复多次，直至轧制后的合金厚度为4-5mm。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述热轧时每次下压量为7％的变形量，保温6分钟，重复多次，直至轧制后的合金厚度为4mm。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤C中淬火温度为800℃。

由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：

1、本发明的钛合金可广泛用于骨科，口腔科等医学领域，通过d电子理论、钼当量角度计算设计出力学性能合适的合金，与传统医用钛合金TC4相比，具有较低的弹性模量，解决现有临床中由医用钛合金弹性模量高引发的应力屏蔽现象。

2、加入适量的Cu元素，进行恰当的固溶，在一定的热处理条件下使合金具有有效的抗菌和抗感染性能，能够解决医用钛合金植入引发的细菌感染问题。

3、本发明通过成分改良和一定的热处理工艺所得到的医用钛合金为β组织，具有良好的生物相容性和良好的力学性能。

附图说明

图1是本发明轧制态合金单轴拉伸条件下的工程应力-应变曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细说明：

一种低弹性模量抗菌医用钛合金，为钛铁铜锡铌合金,选用的元素为：Ti,Fe,Cu,Sn,Nb医用领域的元素。原子百分比含量为：Fe 6％，Cu 1-5％，Sn2-3％，Nb2-3％，余量为Ti和不可避免的杂质，Cu的原子百分比含量优选为3-5％。

所述钛合金的制备方法如下：

A、熔炼：按照配比称取原料配制合金，将配好成分的合金置于电弧炉的水冷铜坩埚中，利用真空非自耗电弧炉进行熔炼；

熔炼前电弧炉的背底真空高于2.0×10^-2Pa，弧焊电源电流工作范围为300-500A，电压工作范围为15-30V。熔炼过程中根据熔体状态需要适当调整熔炼设备相关参数。

B、冷却：熔炼完毕的合金锭随坩埚冷却，为确保合金成分均匀，每个合金锭要在电弧炉中反复熔炼至少8次；

C、热处理：将钛合金放入马弗炉中加热，加热温度为750-850℃，优选800℃，保温1h进行热轧，每次下压量为7-10％的变形量，优选7％的变形量，保温5-8分钟，优选6分钟，重复多次，直至轧制后的合金厚度为4-5mm，优选4mm，随后在800℃进行淬火，保证合金为β-Ti固溶体。

实施例1

本实例中化学成分原子百分比为：Fe 6％，Cu 3-5％，Sn 2-3％，Nb 2-3％，余量为Ti和不可避免的杂质。

具体为Fe：6％，Cu：5％，Sn：2％，Nb：2％，Ti：余量；Fe：6％，Cu：3％，Sn：2％，Nb：2％，Ti：余量；Fe：6％，Cu：1％，Sn：2％，Nb：2％，Ti：余量和Fe：6％，Cu：5％，Sn：3，Nb：3，Ti：余量进行炼制，通过非自耗真空电弧熔炼炉进行熔炼。熔炼时电弧炉的背底真空度低于1.8×10^-2Pa，弧焊电源工作电流为400A，工作电压为20V。合金经初次熔炼成一个整体后，在坩埚中翻面进行二次熔炼，如此反复，共计8次。

待合金熔炼完毕，在热处理炉中800℃保温40分钟，在200型二辊轧机进行11道次轧制，每次下压量为1.35mm两道次之间将合金放回炉中保温5分钟，铸锭最初平均高度为18.0mm，最终轧制完厚度为5.0mm，最大轧制变形量大于70％，合金用水冷方式冷至室温，制得力学性能良好的抗菌性医用钛合金。

将合金板用电火花线切割成拉伸试样，用带有引伸计的拉伸力学试验机进行力学性能测试。测试结果表明制备的钛合金具有优异的机械性能，具体如表1：

表1本发明轧制态合金的基本力学性能表

如表1和图1(轧制态合金单轴拉伸条件下的工程应力-应变曲线)所示，可以看出该合金有着相对于传统医用钛合金(110-120GPa)较低的弹性模量，同时有着满足医用合金较好的综合力学性能。

实施例2

将实施例1制得的钛合金进行抗菌性测试。

医用钛合金的抗菌性能通过对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑制和杀死作用来体现，具体过程为：对培养基进行制备并对实用器皿进行灭菌。将材料切割成直径为1cm的圆片，用1500目砂纸打磨光滑后放入24孔板中，并滴加50微升菌液，并在24孔板中样品周围滴加充足的无菌水保证板内湿度。将24孔板放在恒温培养箱中37℃，相对湿度为90％的条件下培养24h。

培养24h后，将24孔板中的样品和样品上的菌液取出放入塑料离心管中，并加入5ml无菌水离心震荡将细菌与样品分离，随后将各菌液稀释10000倍，并取0.2ml菌液滴加到固体培养基上，并用无菌的三角耙将菌液涂匀，每个样品做3个平行样，放于37℃的恒温培养箱中培养24h，随后通过GB/T 4789.2的方法进行活菌计数。

抗菌率按照以下公式计算：杀菌率(％)＝[(对照样品活菌数-抗感染样品活菌数)/对照样品活菌数]×100％

该式中，对照样品为在不添加材料的24孔板上进行细菌培养过后的活菌数，抗感染样品活菌数为含铜的TiFeCuSnNb合金上进行细菌培养过后的活菌数。抗菌率见表2。

实施例3

将实施例1制得的钛合金进行安全性能测试。

通过试验样品浸出液来测定样品的安全性能。浸出液通过5ml无菌液浸泡七天表面积为4平方厘米的样品薄片得到。配置培养基(85％DMEM+15％胎牛血清+1％双抗)备用；从超低温冰箱中取出HMVEC细胞，立即放入灭菌的生物安全柜中；待冻存液完全融化后，将冻存管中的细胞平均分配到两个灭菌的1.5ml离心管中，向离心管中补充培养基到1ml(基本上是500微升细胞，500微升培养基)，4℃，1000r/min离心5min；

弃上清液，取1ml新鲜培养基加入离心管中，轻轻吹打，使细胞悬浮，将两个离心管中悬浮的细胞转移到一个培养皿中，补充培养基至6ml，轻轻吹打60下，使细胞混匀放入恒温培养箱中培养。用枪吸出培养液；加入1ml PBS轻轻震荡洗涤，吸出PBS，重复洗涤三次；加入新鲜的含15％胎牛血清的培养基；

放入培养箱中继续培养。用枪吸出培养皿中旧的培养基；用1ml PBS冲洗三次；加入适量的胰蛋白酶消化液，显微镜下观察，直至细胞所有棱角消失，周围翘起时，吸出消化液，加入2ml含15％胎牛血清的培养基；用枪轻轻吹打，使贴壁细胞悬浮；调整细胞密度(一般一盘长满细胞的培养皿可传1-2盘)，置入新培养皿中并加入含15％胎牛血清的新鲜培养基进行培养。将96孔板最外面一圈每孔加入200μl PBS，接着里面每孔加入100μl，铺板使待测细胞调密度1000-10000/孔；5％CO₂，37℃孵育，至细胞单层铺满孔底，加入实验材料的浸出液，设置4个复孔，每孔10μl；在培养箱内培养48小时；每孔加入10μl CCK-8溶液，用加了相应量细胞悬浮液和CCK-8溶液但没有加入浸出液的孔作为空白对照；在细胞培养箱内继续孵育0.5-4小时，在450nm测定吸光度od值。本试验重复四次取平均值计算细胞相对增殖率RGR。计算公式为:RGR＝(实验组od值/空白组od值)×100％，得出结果后根据5级毒性评价标准分级。见表2

表2 TiFeCuSnNb合金的生物性能测试结果表：

从表2中可以看出：铜含量为1-5％时，抗菌性能达到75％以上，铜含量为3-5％时，抗菌效果最佳，基本能够达到90％以上，通过毒性评级均为0级，不含有毒元素。

Claims (6)

1.一种低弹性模量抗菌医用钛合金，其特征在于：为钛铁铜锡铌合金，原子百分比含量为：Fe 6%，Cu 1-5%，Sn 2-3%，Nb 2-3%，余量为Ti和不可避免的杂质；

所述钛合金的制备方法如下：

A、熔炼：按照配比称取原料配制合金，将配好成分的合金置于电弧炉的水冷铜坩埚中，利用真空非自耗电弧炉进行熔炼；

B、冷却：熔炼完毕的合金锭随坩埚冷却，为确保合金成分均匀，每个合金锭要在电弧炉中反复熔炼至少8次；

C、热处理：将钛合金放入马弗炉中加热，保温一段时间进行热轧，使得轧制后的合金厚度为4-5mm，随后进行淬火，保证合金为β-Ti固溶体；

所述步骤A中熔炼前电弧炉的背底真空高于2.0×10^-2Pa，弧焊电源电流工作范围为300-500A，电压工作范围为15-30V；

所述步骤C中热轧时马弗炉的加热温度为750-850℃，保温1h。

2.根据权利要求1所述的一种低弹性模量抗菌医用钛合金，其特征在于：所述Cu原子百分比含量为3-5%。

3.根据权利要求1所述的一种低弹性模量抗菌医用钛合金，其特征在于：所述步骤C中热轧时马弗炉的加热温度为800℃，保温1h。

4.根据权利要求1或3所述的一种低弹性模量抗菌医用钛合金，其特征在于：所述热轧时每次下压量为7-10%的变形量，保温5-8分钟，重复多次，直至轧制后的合金厚度为4-5mm。

5.根据权利要求4所述的一种低弹性模量抗菌医用钛合金，其特征在于：所述热轧时每次下压量为7%的变形量，保温6分钟，重复多次，直至轧制后的合金厚度为4mm。

6.根据权利要求1所述的一种低弹性模量抗菌医用钛合金，其特征在于：所述步骤C中淬火温度为800℃。

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