專利名稱：一種抗感染醫用鈦金屬材料的制作方法
技術領域：
本發明涉及醫用鈦金屬材料領域，具體為一種抗感染醫用鈦金屬材料。
背景技術：
醫用純鈦以其優異的生物相容性已經被廣泛應用于臨床醫學領域中。早在20世紀50年代，純鈦就被加工成骨板、骨釘、股骨頭等植入醫療器械用于骨科修復手術中。隨后，純鈦不斷地被得到臨床應用，現在主要應用于口腔修復領域，如冠橋類(嵌體、核、冠、橋)，支架類(局部義齒支架、全口義齒基托)，各種附著體類，以及贗復體等產品。然而，作為常見的術后并發癥，有關醫用醫療器械引發的細菌感染已經成為21世紀醫學領域內亟待解決的重要問題之一。據統計，美國骨科植入物相關感染的年發病率達到4. 3%左右。根據世界衛生組織(WHO)頒布的《院內感染防治實用手冊》中的有關數據，每天全世界有超過1400萬人在遭受院內感染的痛苦，其中60%的細菌感染與使用的醫療器械有關。在醫療水平相對發達的美國，因醫療器械的使用引發的細菌感染比率非常高，而且涉及到很多臨床領域，包括心血管介入、骨科、整形、口腔、神經外科等。醫療器械引發的細菌感染一旦發生就會對患者造成災難性的后果。患者還需再經歷1-2次的手術取出植入醫療器械并清除病灶，給患者帶來沉重的經濟與精神負擔，同時也會對醫院和社會等造成不同程度的負面影響。例如，骨折術中使用植入物引發的感染會直接造成患者傷口經久不愈，經常會導致手術失敗，甚至導致慢性骨髓炎等并發癥，其治療難度大，可造成肢體的嚴重傷殘與功能障礙，甚至截肢和危及生命。因此，研究開發自身具有抗細菌感染功能的新型醫用材料，以消除或減少相關醫療器械引發的細菌感染性疾病具有重大的社會經濟意義。
發明內容
本發明的目的在于提供了一種抗感染醫用鈦金屬材料，即在醫用純鈦(Ti)中添加適量的銅元素，經過特殊的抗菌熱處理，在醫用純鈦基體中形成一種鈦銅相，從而賦予醫用鈦抗細菌感染功能。該醫用鈦金屬材料可廣泛應用于骨科、口腔科等醫學臨床領域中使用的各類鈦金屬醫療器械，以解決現有臨床中由醫用純鈦醫療器械植入引發的細菌感染等問題。為實現上述目的，本發明采用的技術方案是在醫用純鈦(Ti)中添加1-30 wt. %的銅元素，該鈦金屬材料的化學成分如下(wt. %), Ti :余量；Cu 1-30 ;雜質元素含量應滿足我國外科植入物用純鈦的相關要求。其中銅元素含量的優選范圍為10-20 wt%。在本發明的抗感染醫用鈦金屬材料成分設計中，銅(Cu)是最重要的合金元素，這是保證醫用鈦金屬材料抗細菌感染功能的必要條件，也是本發明的主要創新點。本發明中的醫用鈦金屬材料中的含銅量為l_30wt. %，以保證在特殊熱處理條件下，鈦銅相在鈦中的均勻彌散析出。鈦銅相主要為CuTi2,當這種含有在基體內均勻彌散分布CuTi2的鈦金屬處于潮濕的環境或者液體中時，會有Cu2+從鈦表面溶出，從而賦予鈦抗細菌感染功能。當銅含量相對較低時，即使經過特殊熱處理，鈦基體中亦不能析出鈦銅相，因而不具備穩定的抗細菌感染性能。當銅含量相對過高時，會導致在鈦中過多地析出鈦銅相，從而嚴重影響到鈦的力學性能及加工工藝性能，甚至生物安全性能。本發明還提供了上述抗感染醫用鈦金屬材料的特殊抗菌熱處理工藝，其是本發明中的重要組成部分。具體為首先在900-1000°C保溫O. 5-2h，使銅元素能充分均勻地固溶于基體中，水冷至室溫后，使鈦中的銅處于過飽和狀態。然后在350-550°C保溫O. 5-6h，空冷或水冷至室溫。鈦基體中會析出足夠多量的鈦銅相，并且均勻彌散分布。在上述時效熱處理過程中，溫度與保溫時間是兩個非常重要的參數。如溫度過低，從動力學角度來講，將不利于鈦銅相的析出，保溫時間過長會使析出相的尺寸過于增大，將會影響到鈦金屬的抗菌性能、力學性能和耐蝕性能。本發明還提供了所述抗感染醫用鈦金屬材料的熱處理優選工藝950°C溫度下保溫O. 5-1. 5h，水冷至室溫，450°C溫度下保溫3-5h，空冷或水冷至室溫。本發明的有益效果是
I、本發明提出，在現已臨床應用的醫用純鈦中添加1.0-30. Owt. %的銅元素，從而獲得具有廣譜抗菌功能的抗感染醫用鈦金屬新材料。2、本發明中的抗感染醫用鈦金屬材料經過特殊熱處理后，在鈦基體中均勻彌散分布有鈦銅析出相(CuTi2),從而賦予該鈦金屬抗細菌感染功能。
圖I本發明提供的抗感染醫用鈦金屬材料的X射線衍射分析結果，證明該抗感染醫用鈦金屬中含有α -Ti和CuTi2鈦銅相。
具體實施例方式實施例I
在目前廣泛臨床應用的醫用純鈦(Ti)中添加不同含量的銅元素，即，Ti :余量；Cu:l-30wt. %，并對該抗感染醫用鈦金屬進行抗菌熱處理，具體銅含量及熱處理工藝見表I。對所有成分樣品進行抗菌性能及生物安全性能檢測。抗菌性能測試按照下述公式計算抗感染醫用鈦金屬材料對常見細菌(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-抗感染鈦活菌數)/對照樣品活菌數]X100式中，對照樣品活菌數是對照樣品(純鈦)上進行細菌培養后的活菌數，抗感染醫用鈦活菌數是指抗感染醫用鈦金屬上進行細菌培養后的活菌數。抗菌試驗按照“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《納米無機材料抗菌性能檢測方法》”等標準規定，具體為
分別取試驗用菌液O. 3mL滴加到對照樣品(純鈦)、抗感染醫用鈦樣品上。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，放在恒溫培養箱中37°C、對濕度90%以上條件下培養24h。取出已培養24h的樣品，分別加入15mL洗脫液，反復清洗樣品及覆蓋膜，充分搖勻后，分別取O. ImL滴加到板營養瓊脂培養基，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48h后按照GB/T 4789. 2的方法進行活菌計數。對所有成分樣品進行生物安全性能檢測。采用噻唑藍(MTT)比色法測定細胞生存率，進而評價抗感染鈦金屬材料的生物安全性。將MG63細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高糖培養基中反復吹打成細胞懸液后移入培養瓶中，置于37°C、飽和濕度、體積分數為5%的CO2恒溫培養箱中靜置培養，隔日換液。3-4天傳代，倒置相差顯微鏡觀察細胞形態。取生長旺盛的MG63細胞，2. 5 g/L胰蛋白酶消化后用含10%胎牛血清的DMEM培養液制備成細胞密度約為6 X 104/mL的單細胞懸液，接種于5塊96孔培養板，每板設A、B、C、
D、E實驗組及調零組，每組10孔，實驗組每孔中均加入細胞懸液100 μ 1，37°C、5 % CO2條
件下靜置培養。待細胞貼壁生長后棄去原培養液，PBS反復沖洗，按實驗分組加樣。加樣24h、48h、72h、96h、120h后，每孔加入新鮮配制的5mg/ mL的無菌MTT溶液，繼續培養4h終止培養。小心棄去原培養液，每孔加入150μ1 DMS0，室溫下微量振蕩器振蕩培養板10 min使結晶物充分溶解。用酶聯免疫檢測儀在490nm波長處測定各孔光密度(optical density, 0D)值。測試中重復三次取各組平均值。計算細胞相對增殖率(relative growth rate, RGR),計算公式RGR=(實驗組OD值/培養基OD值)X 100%,然后根據5級毒性評價標準分級(0，I級符合生物醫用材料的要求)，對各組結果進行評價，結果見表I。表I樣品抗菌性能和生物安全性檢測結果
權利要求
1.一種抗感染醫用鈦金屬材料，其特征在于在醫用純鈦中添加1-30 的銅元素，該鈦金屬材料的化學成分為重量百分比Ti :余量；Cu :1-30。
2.按照權利要求I所述抗感染醫用鈦金屬材料，其特征在于銅元素含量范圍為10-20 wt%。
3.按照權利要求I所述抗感染醫用鈦金屬材料，其特征在于該抗感染醫用鈦金屬材料的熱處理方法為900-1000°C溫度下保溫O. 5-2h，水冷至室溫，然后在350_550°C溫度下保溫O. 5-6h，空冷或水冷至室溫。
4.按照權利要求3所述抗感染醫用鈦金屬材料，其特征在于所述抗感染醫用鈦金屬材料的熱處理工藝為950°C溫度下保溫O. 5-1. 5h，水冷至室溫，450°C溫度下保溫3_5h，空冷或水冷至室溫。
全文摘要
本發明的目的在于提供了一種抗感染醫用鈦金屬材料，即在醫用純鈦(Ti)中添加適量的銅元素，經過特殊的抗菌熱處理，在醫用純鈦基體中形成一種鈦銅相，從而賦予醫用鈦抗細菌感染功能。其具有獨特的抗細菌感染功能，可廣泛應用于骨科、口腔科等醫學臨床領域中使用的各類鈦金屬醫療器械，以解決現有臨床中由醫用純鈦醫療器械植入引發的細菌感染等問題。
文檔編號A61L27/06GK102936671SQ20111023284
公開日2013年2月20日 申請日期2011年8月15日 優先權日2011年8月15日
發明者任玲, 李述軍, 楊柯, 郝玉琳 申請人:中國科學院金屬研究所