[发明专利]一种抗菌Ti-Nb-Zr-Ag合金锭的制备方法

说明书

本发明公开一种抗菌Ti‑Nb‑Zr‑Ag合金锭的制备方法，属于生物医用材料制备技术领域。本发明所述材料由Ti、Nb、Zr和抗菌元素Ag组成，其中Ti、Nb、Zr、Ag的质量百分比分别为Ti 52～62%、Nb 15~38%、Zr 5～13%、Ag 2～10%；将Ti、Nb、Zr金属锭与Ag金属锭按成分配比称取后分别放入两个不同的熔池中，采用分步法熔炼，通过大电流与强电磁搅拌电流作用借助电弧熔炼Ti‑Nb‑Zr合金锭，降低了合金与Ag熔点的差异，从而实现后续较低电流即可熔炼出成分均匀化Ti‑Nb‑Zr‑Ag合金锭。本发明制备Ti‑Nb‑Zr‑Ag合金锭成分和组织均匀、弹性模量低（39.7~55.6GPa）、抗压强度较高（1098~1430MPa），有助于改善医用钛金属的应力屏蔽现象和抗菌性。

技术领域

本发明涉及一种抗菌Ti-Nb-Zr-Ag合金锭的制备方法，属于生物医用钛金属制备领域。

背景技术

目前临床应用的人造生物医用金属材料中，钛及钛合金以其优异力学性能，广泛应用于人工关节、脊柱矫形内固定系统、牙种植体等硬组织的替代和修复。目前临床医用钛具有一定的生物相容性，但是其本身不具有抗菌性，长期植入人体会引起细菌等微生物在其表面黏附，从而导致感染发生，这类感染称为“生物材料相关的感染（biomaterial-centered infection，BCI）”。BCI一旦发生，将对患者造成灾难性的后果，从而导致患者还需要经历后续治疗或者再次手术的风险。因此，赋予钛合金的抗菌性，从而不明显降低钛合金基体的力学性能，是解决医用钛合金抗感染问题的一个重要途径。

目前，针对提高钛及其合金的抗菌性研究已经展开较多。专利CN201110232843.0发明了一种抗感染医用钛金属材料，即在医用纯钛（Ti）中添加适量的铜元素，具有独特的抗细菌感染功能，可广泛应用于骨科、口腔科等医学临床领域中使用的各类钛金属医疗器械，以解决现有临床中由医用纯钛医疗器械植入引发的细菌感染等问题，然而所涉及得纯钛弹性模量高，不利于消除“应力屏蔽”现象。专利CN201110232840.7和专利CN201110232842.6分别在医用钛合金Ti-6Al-4V和Ti-6Al-7Nb的化学成分基础上添加适量的铜元素，经过特殊的抗菌热处理后，在医用钛合金的基体中析出一种钛铜相，从而赋予医用钛合金抗细菌感染功能，但是专利所涉及的基体在人体环境容易释放Al或者V等有毒元素，容易引起周围组织的病变；专利CN 107760923 A公开了一种低弹性模量Ti-Ta-Ag生物材料及其制备方法，所涉及钛合金采用放电等离子烧结而成，其弹性模量仍在57-108GPa，弹性模量较高。纯钛中加入Ag能显著改善基体的抗菌性（Nakajo K, Takahashi M,Kikuchi M,et al. Inhibitory effect of Ti-Ag alloy on artificial biofilmformation. Dental Materials Journal, 2014, 33(3):389.），然而加入5、10、20和30wt%Ag后Ti-Ag合金的弹性模量几乎都高达100GPa以上，（Kikuchi M, Takahashi M, Okuno O.Elastic moduli of cast Ti–Au, Ti–Ag, and Ti–Cu alloys. Dental Materials,2006, 22(7):641-646.），远高于人骨弹性模量（10-30GPa），显然不利于消除或者避免“应力屏蔽”现象，容易导致植入体与周围机体组织之间的应力协同传递，最终影响植入体的使用寿命和治愈效果。因此，如何解决临床用钛合金弹性模量高、强度低和无抗菌性的系列瓶颈问题，制备一种弹性模量与机体组织接近，且具有抗菌性能的生物医用钛合金，成为本领域技术人员急需解决的技术问题。

发明内容

本发明针对目前医用钛及其合金在临床应用过程中存在易感染和应力屏蔽现象等问题，目的在于进一步提高人工植入物的抗菌性，同时降低其弹性模量，避免应力屏蔽现象，解决植入物与骨组织的弹性模量不匹配和易感染而导致其与周围机体组织结合不良等问题。

本发明通过以下技术方案实现，具体包括以下步骤：