[发明专利]一种抗细菌感染用铸造钴基合金及其热处理工艺

说明书

技术领域

本发明涉及钴基合金材料技术领域，具体为一种抗细菌感染用铸造钴基合金及其热处理工艺，其具有独特的抗细菌感染功能，可广泛应用于骨科、口腔科、心血管支架等医学临床领域中使用的各类外科植入用钴基合金医疗器械。

背景技术

医用钴基合金由于其良好的耐腐蚀性能、耐磨损性能和抗热疲劳性能，热导率高，热膨胀系数较低，杨氏模量不随其强度变化而变化等诸多优点。国际ISO医用钴基标准中共列出了作为外科植入物材料的5种钴基合金：可铸造的钴铬钼（CoCrMo）合金（ISO5832-4），可锻造的钴铬钼（CoCrMo）合金（ISO5832-12），可锻造的钴铬钨镍（CoCrWNi）合金（ISO5832-5），可锻造的钴镍铬钼（CoNiCrMo）合金（ISO5832-6），可锻造的钴镍铬钼钨铁（CoNiCrMoWFe）合金（ISO5832-7），其中可铸造的钴铬钼（CoCrMo）合金（ISO5832-4）和可锻造的钴镍铬钼（CoNiCrMo）合金（ISO5832-6），广泛用于制作植入物，可锻造的钴铬钨镍（CoCrWNi）合金（ISO5832-5）现在也广泛用于加工心血管支架。

然而，由外科植入医疗器械引发的细菌感染已经成为21世纪医学领域内亟待解决的重要问题之一。据统计，美国骨科植入物相关感染的年发病率达到4.3％左右。根据世界卫生组织（WHO）颁布的《院内感染防治实用手册》中的有关数据，每天全世界有超过1400万人在遭受院内感染的痛苦，其中60％的细菌感染与使用的医疗器械有关。骨科等术后感染会直接造成患者伤口经久不愈，经常会导致手术失败，甚至导致慢性骨髓炎等并发症，不仅给患者带来了巨大的身心痛苦和沉重的经济负担，也会对医院和社会等造成不同程度的负面影响。

因此，研究开发自身具有抗细菌感染功能的钴基合金新材料，从材料角度上消除或减少相关植入医疗器械引发的细菌感染性疾病具有重要的社会和经济意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种抗细菌感染用铸造钴基合金及其热处理工艺，该铸造钴基合金能够显著降低现有医疗技术中外科植入物用钴基合金医疗器械使用中引发的细菌感染风险。

本发明的技术方案是：

一种抗细菌感染用铸造钴基合金，按重量百分比计，该铸造钴基合金的化学成分为：Cr：26.5-30.5％；Mo：4.5-7.0％；Cu：1.0-6.0％；N：0.1-0.4％；La或Ce：0.01-0.1％；余量为Co％；合金中杂质元素含量应符合医用铸造钴基合金国家标准中的相应要求。

在本发明的抗细菌感染用铸造钴基合金的成分设计中，铜（Cu）是合金中最重要的合金化元素，本发明中的铸造钴基合金中的含铜量为1.0-6.0wt％，以保证在热处理条件下，富铜相在钴基合金基体中的均匀弥散析出。当铜含量较低时，即使经过热处理，钴基合金基体中也不易析出足够的富铜相，因而不具备稳定的抗菌性能。当铜含量相对过高时，会导致钴基合金在高温下析出相对粗大的富铜相，严重影响到钴基合金的耐腐蚀性能，同时也严重影响到合金在浇铸过程中的流动性。

本发明所提供的铸造钴基合金含有稀土元素镧或铈，其添加量为0.01-0.1wt%。稀土元素的添加有两点好处，一是进一步强化钴基合金的抗菌性能，二是提高氧化膜与基体材料的结合强度以增强耐蚀性能。低于0.01wt%的稀土添加不能起到上述作用，含量超过0.1wt%，会由于稀土元素的溶解度局限出现大尺寸的夹杂物，这种夹杂物的存在严重降低了钴基合金的耐点腐蚀性能。

本发明所提供的铸造钴基合金中含有氮元素。氮的加入有助于提高合金的强度和耐腐蚀性。而且氮元素在人体内是宏量元素，对人体没有危害。但过多的氮加入会影响合金的热成形性能等冶金学因素，含量较低不能起到应有的作用，因此本发明钴基合金中氮含量控制在0.1-0.4wt%。

本发明所提供的铸造钴基合金中的其它元素如Co、Cr和Mo等，用于保证该材料良好的力学性能、耐腐蚀性能和耐磨损性能。

本发明抗细菌感染用铸造钴基合金的热处理工艺为：940-1060℃保温1-10小时，空冷至室温。其目的为保证钴基合金基体中能够析出足够的富铜相以起到抗细菌感染的功能。

因此，本发明的抗细菌感染用铸造钴基合金创新地实现了铜离子的抗细菌感染作用与钴基合金的完美结合，赋予医用铸造钴基合金抗细菌感染功能并兼具钴基合金的其它优良性能，能够显著降低现有医疗技术中外科植入物用钴基合金等医疗器械使用中引发的细菌感染风险，可广泛应用于骨科、口腔科、心血管支架等医学临床领域中使用的各类外科植入用医疗器械。