專利名稱：抗感染醫(yī)用鈦合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及醫(yī)用鈦合金材料領(lǐng)域，具體為一種抗感染醫(yī)用鈦合金。
背景技術(shù)：
醫(yī)用鈦合金以其優(yōu)異的生物相容性、耐蝕性能和綜合力學(xué)性能，已廣泛應(yīng)用于制作多種骨科、口腔科用醫(yī)療器械，如人工關(guān)節(jié)(鶻、膝、肩、踝、肘、腕、指關(guān)節(jié)等)、骨創(chuàng)傷產(chǎn)品(髓內(nèi)釘、鋼板、螺釘?shù)?、脊柱矯形內(nèi)固定系統(tǒng)等骨科植入物產(chǎn)品，以及口腔正畸產(chǎn)品(托槽、帶環(huán)、矯治弓絲、支抗用種植體)等。Ti-6A1-4V、Ti-6Al-7Nb是目前臨床應(yīng)用的典型醫(yī)用鈦合金。然而，作為常見的術(shù)后并發(fā)癥，有關(guān)醫(yī)用醫(yī)療器械引發(fā)的細(xì)菌感染已經(jīng)成為21世紀(jì)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域內(nèi)亟待解決的重要問題之一。據(jù)統(tǒng)計，美國骨科植入物相關(guān)感染的年發(fā)病率達(dá)到4. 3%左右。根據(jù)世界衛(wèi)生組織(WHO)頒布的《院內(nèi)感染防治實用手冊》中的有關(guān)數(shù)據(jù)，每天全世界有超過1400萬人在遭受院內(nèi)感染的痛苦，其中60%的細(xì)菌感染與使用的醫(yī)療器械有關(guān)。在醫(yī)療水平相對發(fā)達(dá)的美國，因醫(yī)療器械的使用引發(fā)的細(xì)菌感染比率非常高，而且涉及到很多臨床領(lǐng)域，包括心血管介入、骨科、整形、口腔、神經(jīng)外科等。醫(yī)療器械引發(fā)的細(xì)菌感染一旦發(fā)生就會對患者造成災(zāi)難性的后果?；颊哌€需再經(jīng)歷1-2次的手術(shù)取出植入醫(yī)療器械并清除病灶，給患者帶來沉重的經(jīng)濟(jì)與精神負(fù)擔(dān)，同時也會對醫(yī)院和社會等造成不同程度的負(fù)面影響。例如，骨折術(shù)中使用植入物引發(fā)的感染會直接造成患者傷口經(jīng)久不愈，經(jīng)常會導(dǎo)致手術(shù)失敗，甚至導(dǎo)致慢性骨髓炎等并發(fā)癥，其治療難度大，可造成肢體的嚴(yán)重傷殘與功能障礙，甚至截肢和危及生命。因此，研究開發(fā)自身具有抗細(xì)菌感染功能的新型醫(yī)用材料，以消除或減少相關(guān)醫(yī)療器械引發(fā)的細(xì)菌感染性疾病具有重大的社會經(jīng)濟(jì)意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供了一種抗感染醫(yī)用鈦合金，在現(xiàn)有醫(yī)用鈦合金Ti-6Al_7Nb的化學(xué)成分基礎(chǔ)上添加適量的銅元素，經(jīng)過特殊的抗菌熱處理后，在醫(yī)用鈦合金的基體中析出一種鈦銅相，從而賦予醫(yī)用鈦合金抗細(xì)菌感染功能。該鈦合金可廣泛應(yīng)用于骨科、口腔科等醫(yī)學(xué)臨床領(lǐng)域中使用的各類鈦合金醫(yī)療器械。解決現(xiàn)有臨床中由醫(yī)用鈦合金醫(yī)療器械植入引發(fā)的細(xì)菌感染等問題。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是在α+β雙相醫(yī)用鈦合金Ti-6Al-7Nb的化學(xué)成分基礎(chǔ)上添加適量的銅元素，其化學(xué)成分為重量百分比Ti :余量；Cu :1-10 ；A1 5. 5-6. 5 ；Nb :6. 5-7. 5 ;雜質(zhì)元素含量應(yīng)滿足我國外科植入物用Ti_6Al_7Nb合金的相關(guān)要求。其中銅含量的優(yōu)選為重量百分比Cu :3-6。在本發(fā)明的抗感染醫(yī)用鈦合金的成分設(shè)計中，銅(Cu)是該類合金中最重要的合金元素，這是保證鈦合金抗細(xì)菌感染功能的必要條件，也是本發(fā)明的主要創(chuàng)新點(diǎn)。本發(fā)明是在醫(yī)用鈦合金中加入適量的銅元素，以保證在特殊熱處理條件下，鈦銅相在鈦合金中的均勻彌散析出。鈦銅相主要為CuTi2,當(dāng)這種含有在基體內(nèi)均勻彌散分布CuTi2的鈦合金處于潮濕的環(huán)境或者液體中時，Cu2+從鈦合金表面溶出，從而賦予鈦合金抗細(xì)菌感染功能。如果銅含量相對較低，即使經(jīng)過特殊熱處理，鈦合金基體中亦不能析出鈦銅相，因而不具備穩(wěn)定的抗細(xì)菌感染性能。如果銅含量相對過高，則會導(dǎo)致在鈦合金中過多地析出鈦銅相，會嚴(yán)重影響到鈦合金的力學(xué)性能及加工工藝性能。本發(fā)明還提供了上述抗感染醫(yī)用鈦合金的特殊抗菌熱處理工藝。首先在900-1000°C保溫O. 5-2h，使鈦合金中的銅能充分均勻的固溶于基體中，空冷或水冷至室溫后，使鈦合金中的銅處于過飽和狀態(tài)。然后在350-550°C保溫O. 5-6h，空冷或水冷至室溫，過飽和的銅從鈦合金中析出足夠量的鈦銅相，使鈦銅相均勻彌散分布。在熱處理過程中溫度與保溫時間是兩個非常重要的參數(shù)。如溫度過低，從動力學(xué)角度來講，將不利于鈦銅相的析出，保溫時間過長會使析出相的尺寸明顯增大，影響到鈦合金的抗菌性能及力學(xué)性能和耐蝕性能。本發(fā)明還提供了所述抗感染醫(yī)用鈦合金材料的熱處理優(yōu)選工藝950°C下保溫
O.5-1. 5h，水冷至室溫，然后在450°C下保溫3-5h，空冷或水冷至室溫。本發(fā)明的有益效果是
I、本發(fā)明提出，在現(xiàn)已臨床應(yīng)用的醫(yī)用鈦合金中添加適量銅元素，從而獲得具有廣譜抗菌性能的抗感染醫(yī)用鈦合金新材料。2、本發(fā)明中的鈦合金經(jīng)過特殊熱處理后，在鈦合金基體中均勻彌散分布有鈦銅析出相CuTi2，從而賦予該鈦合金抗細(xì)菌感染功能。
具體實施例方式實施例I
在目前廣泛臨床應(yīng)用的醫(yī)用Ti-6Al-7Nb中添加不同含量的銅元素，其化學(xué)成分為(重量)％，Ti :余量；Cu :1-10 ；A1 6 ；Nb :7，并采用不同的熱處理工藝進(jìn)行抗菌熱處理，具體見表I。對所得到的抗感染醫(yī)用Ti-6Al-7Nb進(jìn)行抗菌性能和生物安全性能檢測結(jié)果見表I。按照下述公式計算抗感染醫(yī)用鈦合金對常見細(xì)菌(大腸桿菌、金黃色葡萄球菌等)作用后的殺菌率
殺菌率(%)=[(對照樣品活菌數(shù)-抗感染鈦合金活菌數(shù))/對照樣品活菌數(shù)]X100式中，對照樣品活菌數(shù)是對照樣品(Ti-6Al-7Nb)上進(jìn)行細(xì)菌培養(yǎng)后的活菌數(shù)，抗感染醫(yī)用鈦合金活菌數(shù)是指抗感染醫(yī)用鈦合金上進(jìn)行細(xì)菌培養(yǎng)后的活菌數(shù)。抑菌試驗按照“JIS Z 2801-2000《抗菌加工制品一抗菌性試驗方法和抗菌效果》、GB/T 21510-2008《納米無機(jī)材料抗菌性能檢測方法》”等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，具體為
分別取試驗用菌液O. 3mL滴加到對照樣品(Ti-6Al-7Nb)、抗感染醫(yī)用鈦合金樣品上。用滅菌鑷子將覆蓋膜分別覆在各個樣品上，使菌液均勻接觸樣品，置于滅菌平皿中，放在恒溫培養(yǎng)箱中37°C、對濕度90%以上條件下培養(yǎng)24h。取出已培養(yǎng)24h的樣品，分別加入15mL洗脫液，反復(fù)清洗樣品及覆蓋膜，充分搖勻后，分別取O. ImL滴加到板營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基，每個樣品做三個平行樣，并用滅菌三角耙涂勻，置于37°C恒溫箱中培養(yǎng)48h后按照GB/T 4789. 2的方法進(jìn)行活菌計數(shù)。同時對樣品進(jìn)行生物安全性能檢測。采用噻唑藍(lán)(MTT)比色法測定細(xì)胞生存率，進(jìn)而評價樣品的生物安全性。將MG63細(xì)胞的凍存管從液氮中取出，37°C水浴中快速融化，離心棄上清，加入新鮮配制的含10%胎牛血清的DMEM高糖培養(yǎng)基中反復(fù)吹打成細(xì)胞懸液后移入培養(yǎng)瓶中，置于37°C、飽和濕度、體積分?jǐn)?shù)為5%的CO2恒溫培養(yǎng)箱中靜置培養(yǎng)，隔日換液。3-4天傳代，倒置相差顯微鏡觀察細(xì)胞形態(tài)。取生長旺盛的MG63細(xì)胞，2. 5 g/L胰蛋白酶消化后用含10%胎牛血清的DMEM培養(yǎng) 液制備成細(xì)胞密度約為6 X IO4 / mL的單細(xì)胞懸液，接種于5塊96孔培養(yǎng)板，每板設(shè)A、B、C、D、E實驗組及調(diào)零組，每組10孔，實驗組每孔中均加入細(xì)胞懸液100 μ 1,37°C >5 % CO2條件下靜置培養(yǎng)。待細(xì)胞貼壁生長后棄去原培養(yǎng)液，PBS反復(fù)沖洗，按實驗分組加樣。加樣后24h、48h、72h、96h、120h后每孔加入新鮮配制的5mg/ mL的無菌MTT溶液，繼續(xù)培養(yǎng)4小時終止培養(yǎng)。小心棄去原培養(yǎng)液，每孔加入150μ1 DMS0，室溫下微量振蕩器振蕩培養(yǎng)板10 min使結(jié)晶物充分溶解。用酶聯(lián)免疫檢測儀在490 nm波長處測定各孔光密度(optical density,0D)值。本實驗重復(fù)三次取各組平均值。計算細(xì)胞相對增殖率(relative growth rate,RGR),計算公式RGR=(實驗組OD值/培養(yǎng)基OD值)X 100%,然后根據(jù)5級毒性評價標(biāo)準(zhǔn)分級(0，I級符合生物醫(yī)用材料的要求)，對各組結(jié)果進(jìn)行評價，結(jié)果見表I。表I抗感染醫(yī)用Ti-6Al_7Nb性能結(jié)果表
權(quán)利要求
1.一種抗感染醫(yī)用鈦合金，其特征在于在α+β雙相醫(yī)用鈦合金Ti-6Al-7Nb的化學(xué)成分基礎(chǔ)上添加適量的銅元素，其化學(xué)成分為重量百分比Ti :余量；Cu :1-10 ；A1 5. 5-6. 5 ；Nb 6. 5-7. 5。
2.按照權(quán)利要求I所述的抗感染醫(yī)用鈦合金，其特征在于其銅含量為重量百分比Cu3-6。
3.按照權(quán)利要求I所述的抗感染醫(yī)用鈦合金，其特征在于其熱處理工藝為溫度900-1000°C下保溫O. 5-2h，空冷或水冷至室溫，然后在350_550°C下保溫O. 5_6h，空冷或水冷至室溫。
4.按照權(quán)利要求3所述的抗感染醫(yī)用鈦合金，其特征在于熱處理工藝為950°C下保溫O. 5-1. 5h，水冷至室溫，然后在450°C下保溫3-5h，空冷或水冷至室溫。
全文摘要
本發(fā)明的目的在于提供了一種抗感染醫(yī)用鈦合金，在現(xiàn)有醫(yī)用鈦合金Ti-6Al-7Nb的化學(xué)成分基礎(chǔ)上添加適量的銅元素，經(jīng)過特殊的抗菌熱處理后，在醫(yī)用鈦合金的基體中析出一種鈦銅相，從而賦予醫(yī)用鈦合金抗細(xì)菌感染功能。該鈦合金可廣泛應(yīng)用于骨科、口腔科等醫(yī)學(xué)臨床領(lǐng)域中使用的各類鈦合金醫(yī)療器械。解決現(xiàn)有臨床中由醫(yī)用鈦合金醫(yī)療器械植入引發(fā)的細(xì)菌感染等問題。
文檔編號C22C14/00GK102943190SQ20111023284
公開日2013年2月27日 申請日期2011年8月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月15日
發(fā)明者任玲, 李述軍, 楊柯, 郝玉琳 申請人:中國科學(xué)院金屬研究所