[发明专利]一种低模量含铜抗感染钛合金

说明书

本发明的目的在于提供了一种低模量含铜抗感染钛合金，在现有医用钛合金Ti‑13Nb‑13Zr化学成分的基础上添加适量的铜及其他元素，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纳米尺寸的钛铜金属间化合物，从而赋予钛合金整体抗细菌感染的功能，同时不改变Ti‑13Nb‑13Zr基体合金的低模量特性。本发明创造性地将材料成分设计与热处理工艺结合起来，实现了钛合金低弹性模量力学性能和抗细菌感染功能性的统一。

技术领域

本发明涉及一种低模量含铜抗感染钛合金。

背景技术

Ti-13Nb-13Zr钛合金是一种新型不含有害元素、弹性模量低、抗腐蚀性和生物相容性良好的近β型生物医用钛合金。它利用无毒害的β稳定元素Nb替代V，中性元素Zr代替Al，具有比Ti-6Al-4V和Ti-6Al-7Nb更加优良的生物相容性。这类合金的另外一个显著特点是具有低弹性模量的力学特性，弹性模量达到79GPa，从而有效地避免了由于植入体材料与骨组织间弹性模量差异造成的“应力屏蔽”，现已被世界医学界所承认，被广泛应用于骨修复中。

医疗器械与骨科植入物引发的细菌感染已经成为医学领域亟待解决的重要问题之一。资料表明：全髓关节置换术后感染率为0.1％-1％；全膝关节置换术后的感染率为1％-4％；全肘关节置换术后的感染率为4％-47％；眼睛旁路的术后感染率为4％-30％。抗细菌感染新型医用材料的研究与开发对减少与消除临床手术过程中的细菌感染型疾病具有重要意义。

Cu离子对金葡菌和大肠杆菌有很强的杀菌作用，抗菌的机理为：Cu离子或含有铜离子的第二相与细菌的细胞膜接触，使得细菌的蛋白质凝固、DNA损伤、细胞组织繁衍的平衡遭到破坏。钛与钛合金等人体植入物可以通过表面镀银或铜、涂含铜或含银抗菌涂层、酸碱热处理及微弧氧化等表面改性技术获得一定的抗细菌感染的能力，但其抗菌性存在表面局域性与时间上的长效性问题。已有文献和专利报道，通过在纯钛、Ti-6Al-4V和Ti-6Al-7Nb中添加适量铜元素的方法获得了具有良好、长期抗菌性能的抗菌钛合金，但是这些钛合金的弹性模量与纯钛一样，达到100-110GPa，没有实现低模量的效果，无法消除植入体与骨组织间弹性模量差异造成的“应力屏蔽”。因此如何既能实现低模量，又能具有抗细菌感染的效果就成为医用钛合金发展的方向之一。

发明内容

本发明的目的在于提供既具有低模量的力学性能又具有抗细菌感染的钛合金材料，即在Ti-13Nb-13Zr钛合金化学成分的基础上添加适量的铜及其他元素，经过特殊的抗菌热处理后，在医用钛合金的基体中析出纳米级钛铜金属间化合物，从而赋予医用钛合金抗细菌感染的功能，又不改变合金的低模量力学特性。该钛合金可广泛应用于临床领域中使用的各类钛合金植入物，既能缓解现有钛合金植入物的“应力屏蔽”现象，又能解决植入物引发的细菌感染问题。

为实现上述目的，本发明的具体技术方案为：

一种低模量含铜抗感染钛合金，其化学成分的重量百分比为：铜1-10％，铌11.0-15.0％，锆11.0-15.0％，余量为钛；

所述低模量含铜抗感染钛合金的抗菌热处理工艺为：800-1100℃下保温1-6h，使钛合金中的所有合金化元素充分均匀地固溶于钛合金基体中，一方面，实现成分的均匀化；另一方面，实现钛合金完全β相转变。水冷或空冷至室温后，使钛合金中所有合金元素过饱和固溶于基体中，保持钛合金完整β相特性，获得低模量特性。然后在300-700℃下保温5-15h，空冷至室温。使得过饱和固溶于钛合金基体中的铜元素以纳米级钛铜金属间化合物的形式析出，在不改变基体相组成的基础上，赋予钛合金抗菌的效果。通过上述热处理，本发明所述的钛合金不仅具有了低模量的力学特性，而且具有了抗细菌感染的生物功能。在抗菌热处理过程中，温度与保温时间是两个非常重要的参数，过低的温度不利于纳米钛铜金属间化合物的析出，过长的保温时间使析出相的尺寸明显增大，显著影响钛合金的抗菌性能与弹性模量。

进一步地，钛合金化学成分的重量百分比为：铜2-8％，铌11.0-15.0％，锆11.0-15.0％，余量为钛。