[发明专利]一种具有抗菌作用的锆基块体非晶/纳米晶合金及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种块体非晶/纳米晶合金材料，更具体地说，是一种含银元素的具有抗菌作用的锆基块体非晶/纳米晶合金及其制备方法。

背景技术

生物医用金属材料是用于生物医学领域的金属或合金，具有高机械强度和抗疲劳性能，是临床应用最广泛的承力植入材料。此类材料的应用非常广泛，涉及硬组织、软组织、人工器官和外科辅助器材等各个方面。已经用于临床的医用金属材料主要有不锈钢、钴基合金和钛基合金等。此外，还有形状记忆合金、贵金属以及纯金属钽、铌、锆等。医用金属材料应用中的主要问题是：由于生理环境的腐蚀，会造成金属离子向周围组织扩散导致毒副作用、植入材料自身性质的蜕变以及植入手术后的细菌感染。细菌能在植入人体的内植物材料表面及相邻的组织中形成生物被膜，从而对局部组织产生破坏引起感染。即使术前给予系统的抗生素预防治疗，人工全髋及全膝关节置换术的感染发生率仍然分别达到0.5%和4%，而需要住院进行抗生素治疗，取出螺钉或拆除外固定支架的严重钉道感染的发生率平均为5.8%。可见，人工关节和内植物术后的相关感染仍然是生物医用金属应用的一大难题，开发具有抗菌功能的生物医用金属材料对降低植入手术后的感染率具有重大的意义。为了使医用金属材料获得抗菌功能，通常是在医用金属材料（如钛合金、医用不锈钢或者钴铬钼合金）表面通过离子注入或者磁控溅射的手段获得含有高效抗菌元素铜或银的薄膜，从而使医用金属材料具有抗菌功能。但是由于薄膜与基体结合力较差以及植入材料在使用过程中会发生磨损，该类材料的抗菌功能在使用一定时间后会逐渐丧失。另外一类方法就是在医用金属中加入铜或银元素合金化使之具有抗菌功能，如在不锈钢中加入一定量的铜，再通过抗菌热处理使合金析出细小的ε-Cu相，从而获得抗菌功能，同样，在不锈钢中加入一定量的银也可以获得具有抗菌功能的不锈钢。

锆基非晶合金具有高强度、高硬度、高断裂韧性和优异的耐腐蚀性能，因而受到人们广泛的关注和研究，尤其是在结构材料和生物材料领域的应用。锆基非晶合金在模拟人体溶液中具有很高的耐腐蚀性与良好的生物相容性。另外，锆基非晶合金还具有高的弹性极限和较低的弹性模量，如弹性变形量为2%左右（医用不锈钢仅为0.3%），弹性模量为70～100GPa（钛及钛合金为110～125GPa，医用316L不锈钢为200GPa），比目前常用的医用金属材料更接近自然骨（自然骨的弹性极限约为1%，弹性模量为20～40GPa），同时，锆基非晶合金还具有良好的生物相容性，这使得锆基非晶合金在人工关节，股骨头支撑体及牙科种植体等生物医用方面具有广阔的应用前景。因而开发含有高效抗菌银元素的锆基非晶合金，使其具有抗菌功能同时具有非晶合金优良的力学和化学性能，这种结构功能一体化的锆基非晶合金在生物医用领域具有较好的应用前景。

另外，由于病菌无处不在，有害细菌时刻威胁着人们的健康和生活。为了避免细菌的交叉传染，抗菌材料的研究和应用越来越受到人们的重视。

发明内容

本发明技术解决问题：针对目前医用金属材料特别是植入材料术后细菌感染几率较高这一问题，为了降低其细菌感染几率，提供一种ZrAl-Co-Ag块体非晶合金，合金中含有3%～10%高效抗菌Ag元素，能有效地抑制金黄色葡萄球菌的生长。

本发明的另一解决问题：另外通过对该Zr-Al-CoAg块体非晶合金在803～853K下热处理，获得在非晶基体中含有5～50nm的面心立方（fcc）-Ag的非晶/纳米晶复相材料，可以进一步提高其抗菌性能，这种结构功能一体化的锆基非晶/纳米晶合金在生物医用领域具有良好的应用前景。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明含有高效的抗菌元素Ag，具有良好的抗菌或抑菌功能，本发明的具有抗菌功能的锆基非晶/纳米晶合金为块体非晶合金领域首次报道；

(2)本发明通过热处理后，非晶合金基体中析出nm级别的面心立方（fcc）-Ag，这种非晶/纳米晶结构的合金具有更优良的抗菌性能；

(3)本发明具有强的非晶形成能力，采用铜模铸造法可以制备出临界直径不小于8mm的锆基非晶合金；

(4)本发明与传统的生物医用合金相比，具有更高的屈服强度（1990MPa～2000MPa），较低的弹性模量(93GPa～94GPa)，力学生物相容性更好。

附图说明