CN111979468A - 一种抗菌正畸弓丝及其制造方法 - Google Patents

一种抗菌正畸弓丝及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明的目的在于提供一种抗菌正畸弓丝及其制造方法，其组成包括Ti、Cu、Nb和Ni，各原子的百分比为：Ti占45‑51％，Cu占10‑25％，Nb占2‑5％，其余为Ni。其制造方法如下：真空电弧熔炼含有Cu和Nb的TiNi基形状记忆合金。经过锻造、拉拔和轧制加工成抗菌记忆合金丝材，丝材冷加工变形量至少为30％。将抗菌记忆合金丝材在400‑550℃下保温1‑2h进行热处理和定型处理。上述处理后的正畸弓丝可以直接使用或进一步抛光处理后进行表面处理。本发明具有优异的抗菌功能，可以有效预防或减少正畸治疗过程由于细菌粘附而引起的口腔问题，同时，该弓丝具有良好的超弹性，可以提供持久而柔和的矫治力，且合金加工性能优良，表面摩擦系数低，具有优异的正畸治疗效果。

Description

一种抗菌正畸弓丝及其制造方法
技术领域
本发明涉及的是一种生物医用材料及其制造方法，具体地说是一种牙弓丝及其制造方法。
背景技术
目前比较常见的正畸弓丝主要有不锈钢弓丝、镍钛合金弓丝和β-钛弓丝，其中应用最为广泛的镍钛合金弓丝是在20世纪70年代被应用于正畸临床医疗中的，镍钛合金作为形状记忆合金(Shape Memory Alloys,SMA)具有独特的超弹性和形状记忆效应，在临床治疗中因其能释放出较为持续、柔和的矫治力而受到临床正畸医生的青睐。在实际临床医疗当中，牙齿矫正患者往往因为长期佩戴正畸弓丝而会出现食物残渣滞留和牙釉质脱矿等现象，这种情况极有可能导致口腔细菌黏附而形成牙菌斑。因此，针对临床医疗，需要找到一种既能提供柔和矫治力，同时又具有一定抗菌性能，且生物相容性较好的新型弓丝材料，以提高矫治疗效、效率，缩短疗程。
在已有合金中引入抗菌金属元素可以得到具有抗菌功能的医用金属材料，如具有抗菌功能的载铜不锈钢、载铜钛合金和载铜钴基合金等。对于镍钛合金，通过添加铜元素进行合金化，也可以获得具有抗菌功能的TiNiCu形状记忆合金。然而，当TiNi合金中Cu元素含量高于10％后，合金的脆性大幅度增加，不能满足使用性能要求。
发明内容
本发明的目的在于提供兼具超弹性、抗菌功能和低摩擦系数的一种抗菌正畸弓丝及其制造方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明一种抗菌正畸弓丝，其特征是：其组成包括Ti、Cu、Nb和Ni，各原子的百分比为：Ti占45-51％，Cu占10-25％，Nb占2-5％，其余为Ni。
本发明一种抗菌正畸弓丝还可以包括：
1、Ti、Ni、Cu和Nb的具体配比为Ti：Ni：Cu：Nb＝46：38.5：12.5：3。
本发明一种抗菌正畸弓丝制造方法，其特征是：
(1)采用高真空非自耗电弧熔炼设备熔炼，在1800℃下进行，熔炼过程采用氩气保护，并进行6次熔炼，每次重熔前进行180°翻转；在合金熔炼过程中，首先熔炼铜含量高于10％的高铜含量的TiNiCu合金，然后再以该合金为中间合金，加入Nb中，熔炼出TiNiCuNb合金；
(2)熔炼后的合金经热锻加工成横截面积为1600mm2的棒材；
(3)经拉拔，得到直径为0.3-0.7mm的丝材，丝材状态为冷变形至少为30％；
(4)将丝材进行电化学抛光；
(5)将抛光后的丝材在定型模具中进行退火处理，退火处理条件为400-550℃下保温1-2h后，空冷。
本发明一种抗菌正畸弓丝制造方法还可以包括：
1、增加氮离子注入改性步骤：
将丝材超声清洗，采用双元素离子注入机，采用氮气做为注入的等离子源，注入电压为90Kv，注入电流为3～5mA，注入时间10-18h。
2、TiNiCuNb合金中Cu元素的原子百分含量在10-25％之间，Nb元素的原子百分含量在2-5％范围内，Ti元素的原子百分含量在45-51％范围内，其余为Ni元素。
本发明的优势在于：本发明具有优异的抗菌功能，可以有效预防或减少正畸治疗过程由于细菌粘附而引起的口腔问题，同时，该弓丝具有良好的超弹性，可以提供持久而柔和的矫治力，且合金加工性能优良，表面摩擦系数低，具有优异的正畸治疗效果。
附图说明
图1为本发明的合金与金黄色葡萄球菌共培养后的细菌存活率图；
图2为本发明正畸弓丝的三点弯曲性能测试图；
图3为本发明正畸弓丝材料的摩擦系数曲线图；
图4为本发明氮离子注入改性弓丝材料表面的摩擦系数曲线图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1-4，本发明提供一种抗菌型正畸弓丝，合金中各元素的原子百分比如下：
Ti：45-51％
Cu：10-25％
Nb：2-5％
Ni：其余。
抗菌记忆合金TiNiCuNb合金的制备方法如下：
实施方式1：
合金熔炼所使用的原材料是纯度为99.99％的钛、纯度为99.9％的镍和纯度为99.99％的铜，和由上述纯金属所熔炼的高铜含量TiNiCu合金。在合金熔炼过程中，首先熔炼铜含量高于10％的高铜含量的TiNiCu合金，然后再以该合金为中间合金，加入Nb中，熔炼出TiNiCuNb合金。
按照比例为Ti：Ni：Cu：Nb＝46：38.5：12.5：3，进行金属熔炼，具体步骤如下：
步骤一，熔炼采用高真空非自耗电弧熔炼设备，在1800℃下进行，熔炼过程采用氩气保护，并进行6次熔炼，每次重熔前进行180°翻转来提高合金成分的均匀性。
步骤二，熔炼后的合金经热锻加工成横截面积为1600mm2的棒材
步骤三，再经多道次拉拔，最后得到直径为0.3-0.7mm的丝材，丝材状态为冷变形30％。
步骤四，将丝材进行电化学抛光。
步骤五，将抛光后的丝材在定型模具中进行退火处理。退火处理条件为400-550℃下保温1-2h后，空冷。
本发明具有以下优点：
本发明公开了一种新型兼具超弹性、抗菌功能和低摩擦系数的正畸弓丝及其制作方法。该弓丝在镍钛合金基础上，同时引入Cu元素和Nb元素，其中Cu元素含量高于10％，且具有良好的超弹性。同时，热氧化处理将组织调控、表面改性和定型处理一步完成，操作简单、经济、易行。采用离子注入改性，可大幅度降低摩擦系数，减少正畸力的损失，可以有效提高正畸效率。
对得到的正畸弓丝进行抗菌性能测试，结果如图1所示。从结果中可以看出，新型抗菌TiNiCuNb正畸弓丝比传统TiNi弓丝具有明显的抗菌性能。
截取正畸弓丝，进行紫外光照结合臭氧灭菌2h，备用。另外，选取镍钛合金弓丝作为阴性对照组，选取纯铜作为阳性对照组。采用金黄色葡萄球菌(Staph.aureus,ATCC25923)进行抗抗菌性能测试。实验中，将-80℃冷藏期的细菌活化后，进行培养和使用。取相应的细菌置于LB液体培养基中在摇床中37℃130rpm条件下培养12h，以此液体培养基中的细菌溶液作为本实验要用到的菌悬液，控制其弄浓度为109CFU/ml。将稀释好的菌悬液与合金试样共培养24h，然后移除试样，同比例适当稀释菌悬液，采用紫外分光光度计测试与试样共同培养后的菌悬液在600nm的吸光度值，通过下式计算细菌的相对增殖度(RGR)。
Figure BDA0002626754790000041
式中，Ds为测试组菌悬液的平均吸光度值(OD)，Dn为阴性对照组(镍钛合金)的菌悬液的平均吸光度值(OD)，D0为孔板背景平均吸光度。
对得到的正畸弓丝进行体外三点弯曲性能测试，结果如图2所示。从图中可见，本专利所提出的TiNiCuNb弓丝具有优异的超弹性，卸载后的残余变形约为0.2mm。
三点弯曲性能测试在Bose生物材料试验机(Bose ELF 3200，Bose公司，美国)上进行。压头的下压速率为7.5±2.5mm/min，试样长度为50mm，需要测试的试样应该进行对称的三点弯测试，下部两支点间的距离为10mm，各支点的半径为0.10±0.05mm。
对正畸弓丝进行850℃固溶处理1h，然后在400℃时效处理60min。其他与实施例1相同。采用该工艺制备的正畸弓丝其摩擦系数由原来的1.0下降至0.4。图3为采用上述工艺所得合金片材在销盘式摩擦磨损试验机上测试所得的摩擦系数曲线。
氮离子注入改性的正畸弓丝的制备过程如下：
实施方式2：
步骤一：制备铜元素原子百分含量为12％的TiNiCu合金，并以该合金为中间合金熔炼最终元素原子百分比为：Ti：Ni：Cu：Nb＝46：38.5：12.5：3的TiNiCuNb合金，并制备丝材。
步骤一，熔炼后的合金经热锻加工成横截面积为1600mm2的棒材
步骤二，将合金棒材经多道次拉拔，最后得到直径为0.3-0.7mm的丝材，丝材状态为冷变形30％。
步骤三，将丝材进行光亮化处理。
步骤四，将抛光后的丝材在定型模具中进行400℃下保温2h的退火处理。
步骤五，将热处理后的丝材超声清洗后，采用北京机械工业自动化研究所的SYZ-100双元素离子注入机，采用氮气做为注入的等离子源，注入电压为90Kv，注入电流为3～5mA，注入时间10-18h。
对所得的离子注入18h改性后的正畸弓丝进行摩擦系数测试，结果如图4所示。从图中可以看出，氮离子注入改性后新型抗菌正畸弓丝具有优异的抗菌性能和低的摩擦系数。

Claims (5)

1.一种抗菌正畸弓丝，其特征是：其组成包括Ti、Cu、Nb和Ni，各原子的百分比为：Ti占45-51％，Cu占10-25％，Nb占2-5％，其余为Ni。
2.根据权利要求1所述的一种抗菌正畸弓丝，其特征是：Ti、Ni、Cu和Nb的具体配比为Ti：Ni：Cu：Nb＝46：38.5：12.5：3。
3.一种抗菌正畸弓丝制造方法，其特征是：
(1)采用高真空非自耗电弧熔炼设备熔炼，在1800℃下进行，熔炼过程采用氩气保护，并进行6次熔炼，每次重熔前进行180°翻转；在合金熔炼过程中，首先熔炼铜含量高于10％的高铜含量的TiNiCu合金，然后再以该合金为中间合金，加入Nb中，熔炼出TiNiCuNb合金；
(2)熔炼后的合金经热锻加工成横截面积为1600mm2的棒材；
(3)经拉拔，得到直径为0.3-0.7mm的丝材，丝材状态为冷变形至少为30％；
(4)将丝材进行电化学抛光；
(5)将抛光后的丝材在定型模具中进行退火处理，退火处理条件为400-550℃下保温1-2h后，空冷。
4.根据权利要求3所述的一种抗菌正畸弓丝制造方法，其特征是：
增加氮离子注入改性步骤：
将丝材超声清洗，采用双元素离子注入机，采用氮气做为注入的等离子源，注入电压为90Kv，注入电流为3～5mA，注入时间10-18h。
5.根据权利要求3所述的一种抗菌正畸弓丝制造方法，其特征是：TiNiCuNb合金中Cu元素的原子百分含量在10-25％之间，Nb元素的原子百分含量在2-5％范围内，Ti元素的原子百分含量在45-51％范围内，其余为Ni元素。
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