一種抗細菌感染用鑄造鈷基合金及其熱處理工藝的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及鈷基合金材料技術領域，具體為一種抗細菌感染用鑄造鈷基合金及其 熱處理工藝，其具有獨特的抗細菌感染功能，可廣泛應用于骨科、口腔科、心血管支架等醫 學臨床領域中使用的各類外科植入用鈷基合金醫療器械。
【背景技術】
[0002] 醫用鈷基合金由于其良好的耐腐蝕性能、耐磨損性能和抗熱疲勞性能，熱導率 高，熱膨脹系數較低，楊氏模量不隨其強度變化而變化等諸多優點。國際ISO醫用鈷基 標準中共列出了作為外科植入物材料的5種鈷基合金：可鑄造的鈷鉻鑰（CoCrMo)合金 (IS05832-4)，可鍛造的鈷鉻鑰（CoCrMo)合金（IS05832-12)，可鍛造的鈷鉻鎢鎳（CoCrWNi) 合金（IS05832-5 )，可鍛造的鈷鎳鉻鑰（CoNiCrMo)合金（IS05832-6 )，可鍛造的鈷鎳鉻鑰鎢 鐵（CoNiCrMoWFe)合金（IS05832-7 )，其中可鑄造的鈷鉻鑰（CoCrMo)合金（IS05832-4 )和可 鍛造的鈷鎳鉻鑰（CoNiCrMo)合金（IS05832-6 )，廣泛用于制作植入物，可鍛造的鈷鉻鎢鎳 (CoCrWNi)合金（IS05832-5)現在也廣泛用于加工心血管支架。
[0003] 然而，由外科植入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。骨科等術后感 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，不 僅給患者帶來了巨大的身心痛苦和沉重的經濟負擔，也會對醫院和社會等造成不同程度的 負面影響。
[0004]因此，研究開發自身具有抗細菌感染功能的鈷基合金新材料，從材料角度上消除 或減少相關植入醫療器械引發的細菌感染性疾病具有重要的社會和經濟意義。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的在于提供一種抗細菌感染用鑄造鈷基合金及其熱處理工藝，該鑄造 鈷基合金能夠顯著降低現有醫療技術中外科植入物用鈷基合金醫療器械使用中引發的細 菌感染風險。
[0006] 本發明的技術方案是：
[0007] -種抗細菌感染用鑄造鈷基合金，按重量百分比計，該鑄造鈷基合金的化學成分 為：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% ; 余量為Co%;合金中雜質元素含量應符合醫用鑄造鈷基合金國家標準中的相應要求。
[0008] 在本發明的抗細菌感染用鑄造鈷基合金的成分設計中，銅（Cu)是合金中最重要 的合金化元素，本發明中的鑄造鈷基合金中的含銅量為1. 0-6.Owt%，以保證在熱處理條件 下，富銅相在鈷基合金基體中的均勻彌散析出。當銅含量較低時，即使經過熱處理，鈷基合 金基體中也不易析出足夠的富銅相，因而不具備穩定的抗菌性能。當銅含量相對過高時，會 導致鈷基合金在高溫下析出相對粗大的富銅相，嚴重影響到鈷基合金的耐腐蝕性能，同時 也嚴重影響到合金在澆鑄過程中的流動性。
[0009] 本發明所提供的鑄造鈷基合金含有稀土元素鑭或鈰，其添加量為0. 01-0.lwt%。稀 土元素的添加有兩點好處，一是進一步強化鈷基合金的抗菌性能，二是提高氧化膜與基體 材料的結合強度以增強耐蝕性能。低于〇. 〇lwt%的稀土添加不能起到上述作用，含量超過 0.lwt%，會由于稀土元素的溶解度局限出現大尺寸的夾雜物，這種夾雜物的存在嚴重降低 了鈷基合金的耐點腐蝕性能。
[0010] 本發明所提供的鑄造鈷基合金中含有氮元素。氮的加入有助于提高合金的強度和 耐腐蝕性。而且氮元素在人體內是宏量元素，對人體沒有危害。但過多的氮加入會影響合 金的熱成形性能等冶金學因素，含量較低不能起到應有的作用，因此本發明鈷基合金中氮 含量控制在0.l-o. 4wt%。
[0011] 本發明所提供的鑄造鈷基合金中的其它元素如Co、Cr和Mo等，用于保證該材料良 好的力學性能、耐腐蝕性能和耐磨損性能。
[0012] 本發明抗細菌感染用鑄造鈷基合金的熱處理工藝為：940-1060°C保溫1-10小時， 空冷至室溫。其目的為保證鈷基合金基體中能夠析出足夠的富銅相以起到抗細菌感染的功 能。
[0013]因此，本發明的抗細菌感染用鑄造鈷基合金創新地實現了銅離子的抗細菌感染作 用與鈷基合金的完美結合，賦予醫用鑄造鈷基合金抗細菌感染功能并兼具鈷基合金的其它 優良性能，能夠顯著降低現有醫療技術中外科植入物用鈷基合金等醫療器械使用中引發的 細菌感染風險，可廣泛應用于骨科、口腔科、心血管支架等醫學臨床領域中使用的各類外科 植入用醫療器械。
[0014] 本發明的有益效果是：
[0015] 1、本發明通過實驗研究，在現有醫用鑄造鈷基合金中添加l_6wt%的銅元素和稀 土元素鑭或鈰〇. 01-0. lwt%，獲得了具有抗細菌感染功能的外科植入物用鑄造鈷基合金新 材料。
[0016] 2、本發明中的抗細菌感染醫用鑄造鈷基合金可廣泛應用于骨科、口腔科、心血管 支架等醫學臨床領域中使用的各類醫療器械。
【具體實施方式】
[0017] 實施例1-3、對比例1-4鈷基合金的化學成分見表1。
[0018] 表1實施例和對比例的鑄造鈷基合金化學成分（wt，％)
[0019]
[0020] 所有實施例和對比例鈷基合金在抗菌性能檢測前均經過如下熱處理工藝： 940-1060°C/l-10h/ 空冷。
[0021] 1、體外抗菌性能檢測
[0022] 根據"JISZ2801-2000《抗菌加工制品一抗菌性試驗方法和抗菌效果》、GB/ T2591-2003《抗菌塑料抗菌性能實驗方法和抗菌效果》"等相關標準規定，定量測試了表1 所示成分的普通醫用鑄造鈷基合金、抗細菌感染鈷基合金對常見感染菌(大腸桿菌、金黃色 葡萄球菌）作用后的殺菌率。體外抗菌性能檢測結果見表2,其中殺菌率的計算公式為：殺 菌率（%)=[(對照樣品活菌數_抗感染鑄造鈷基合金活菌數）/對照樣品活菌數]X100,對 照樣品活菌數是對比例樣品上進行細菌培養后的活菌數，抗感染鑄造鈷基合金活菌數是指 抗細菌感染鑄造鈷基合金上進行細菌培養后的活菌數。
[0023] 2、體內抗細菌感染性能檢測
[0024] 將對比例鈷基合金螺釘和實施例鈷基合金螺釘分別植入兔子的脛骨內，并將每組 中2只兔子人為地感染大腸桿菌，另外2只感染金黃色葡萄球菌。
[0025] 手術過程如下：按照60mg/kg動物體重的比例，在動物皮下注射氯胺酮與甲苯噻 嗪；然后按照〇.lmg/kg動物體重的比例，在動物皮下注射阿托品進行麻醉。手術在嚴格的 無菌環境下進行。動物股骨嚴格消毒后，手術中暴露股骨干骺端，用直徑為3mm的鉆頭，在 股骨上鉆深度為l〇mm的圓孔。隨后，分別植入在菌液(濃度為1X106CFU/mL)中浸泡8h的 對比例螺釘和實施例鑄造鈷基合金螺釘。
[0026] 逐層縫合，術后動物活動不受限，標準抗疼痛治療3天。在5天和14天分別處死 動物后取材，進行細菌學與組織學檢測。螺釘取出后，釘孔取拭子，在固體培養基中37°C培 養24h，細菌計數。檢測結果見表2。
[0027] 3、耐腐蝕性能
[0028] 根據鈷基合金點蝕電位測量方法（國家標準：GB/T17899-1999)對本發明實施例鈷 基合金及對比例鈷基合金進行耐腐蝕性能測試，測試結果見表2。
[0029] 4、生物安全性評價
[0030] 根據國標GBT16886. 5-2003醫療器械生物學評價，對實施例和對比例鈷基合金對 L929 (小鼠成纖維細胞）在1-7天的細胞毒性進行了評價，結果見表2。
[0031] 從表2給出的結果可以看出，本發明實施例1-3的抗細菌感染鈷基合金無論是體 外還是動物體內均表現出優異的抗菌性能，同時還滿足植入醫療器械對耐蝕性能以及生物 安全性能的要求。銅、稀土La或Ce、氮三種元素的含量是本發明提出的抗細菌感染用鑄造 鈷基合金能夠發揮抗細菌感染功能、耐蝕性能、生物安全性能的關鍵所在。
[0032] 銅元素是發揮抗細菌感染功能的主要因素，銅含量過高雖然能夠保證抗菌性能， 但從鈷基合金基體中析出的富銅相體積分數過大因而影響其耐點蝕性能(如對比例1)，有 大量的銅離子釋放，進而影響其生物安全性能(如對比例1)。如果銅含量過低，含銅鑄造鈷 基合金則不具備抗菌功能(如對比例2)。
[0033] 稀土元素的添加，也會促進鈷基合金的抗菌性能和耐點蝕性能，如果添加量過高， 其易形成稀土的夾雜物，影響鈷基合金的耐點蝕性能(如對比例3)。
[0034] 沒有上述Cu、稀土La或Ce、N的添加，則鑄造鈷基合金不會顯示良好的殺菌性能 (如對比例4).
[0035] 通過以上分析可知，只有當銅、稀土La或Ce、氮的含量達到一個平衡范圍，它們之 間相互補充、相互配合，才能使得含銅鈷基合金具備抗細菌感染功能、耐蝕性能、優異的生 物安全性能。
[0036] 表2實施例鈷基合金、對比例鈷基合金的性能測試具體實驗結果
[0037]
【主權項】
1. 一種抗細菌感染用鑄造鈷基合金，其特征在于：按重量百分比計，該鑄造鈷基合金 的化學成分為：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% ;余量為Co ;合金中雜質元素含量符合醫用鑄造鈷基合金國家標準中的相應要 求。
2. 按照權利要求1所述的醫用鈷基合金的熱處理工藝，其特征在于：在940-1060°C保 溫1-10小時，空冷至室溫。
【專利摘要】本發明公開了一種抗細菌感染用鑄造鈷基合金及其熱處理工藝，屬于醫用鈷基合金材料領域。該鈷基合金的化學成分如下（重量%）：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；余量為Co，合金中雜質元素含量應符合醫用鑄造鈷基合金國家標準中的相應要求。本發明的醫用鈷基合金新材料具有獨特的抗細菌感染功能，能夠顯著降低現有醫療技術中醫療器械使用中引發的細菌感染風險，可廣泛應用于骨科、口腔科、心血管支架等醫學臨床領域中使用的各類外科植入用鈷基合金醫療器械。
【IPC分類】C22C19-07, C22F1-10
【公開號】CN104651669
【申請號】CN201310578365
【發明人】楊春光, 王帥, 任玲, 楊柯
【申請人】中國科學院金屬研究所
【公開日】2015年5月27日
【申請日】2013年11月15日