[發(fā)明專利]一種具有抗菌作用的鋯基塊體非晶/納米晶合金及其制備方法

有效

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• 申請日: 2012-06-15
• 公開（公告）號: CN102703842A
• 公開（公告）日: 2012-10-03
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張濤;花能斌;黃璐;逄淑杰;李然
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號: C22C45/10
• 分類號: C22C45/10;A61L27/04;A61L27/50
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責(zé)任公司 11251
• 代理人: 成金玉

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種塊體非晶/納米晶合金材料，更具體地說，是一種含銀元素的具有抗菌作用的鋯基塊體非晶/納米晶合金及其制備方法。

背景技術(shù)

生物醫(yī)用金屬材料是用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的金屬或合金，具有高機(jī)械強(qiáng)度和抗疲勞性能，是臨床應(yīng)用最廣泛的承力植入材料。此類材料的應(yīng)用非常廣泛，涉及硬組織、軟組織、人工器官和外科輔助器材等各個方面。已經(jīng)用于臨床的醫(yī)用金屬材料主要有不銹鋼、鈷基合金和鈦基合金等。此外，還有形狀記憶合金、貴金屬以及純金屬鉭、鈮、鋯等。醫(yī)用金屬材料應(yīng)用中的主要問題是：由于生理環(huán)境的腐蝕，會造成金屬離子向周圍組織擴(kuò)散導(dǎo)致毒副作用、植入材料自身性質(zhì)的蛻變以及植入手術(shù)后的細(xì)菌感染。細(xì)菌能在植入人體的內(nèi)植物材料表面及相鄰的組織中形成生物被膜，從而對局部組織產(chǎn)生破壞引起感染。即使術(shù)前給予系統(tǒng)的抗生素預(yù)防治療，人工全髖及全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)的感染發(fā)生率仍然分別達(dá)到0.5%和4%，而需要住院進(jìn)行抗生素治療，取出螺釘或拆除外固定支架的嚴(yán)重釘?shù)栏腥镜陌l(fā)生率平均為5.8%。可見，人工關(guān)節(jié)和內(nèi)植物術(shù)后的相關(guān)感染仍然是生物醫(yī)用金屬應(yīng)用的一大難題，開發(fā)具有抗菌功能的生物醫(yī)用金屬材料對降低植入手術(shù)后的感染率具有重大的意義。為了使醫(yī)用金屬材料獲得抗菌功能，通常是在醫(yī)用金屬材料（如鈦合金、醫(yī)用不銹鋼或者鈷鉻鉬合金）表面通過離子注入或者磁控濺射的手段獲得含有高效抗菌元素銅或銀的薄膜，從而使醫(yī)用金屬材料具有抗菌功能。但是由于薄膜與基體結(jié)合力較差以及植入材料在使用過程中會發(fā)生磨損，該類材料的抗菌功能在使用一定時間后會逐漸喪失。另外一類方法就是在醫(yī)用金屬中加入銅或銀元素合金化使之具有抗菌功能，如在不銹鋼中加入一定量的銅，再通過抗菌熱處理使合金析出細(xì)小的ε-Cu相，從而獲得抗菌功能，同樣，在不銹鋼中加入一定量的銀也可以獲得具有抗菌功能的不銹鋼。

鋯基非晶合金具有高強(qiáng)度、高硬度、高斷裂韌性和優(yōu)異的耐腐蝕性能，因而受到人們廣泛的關(guān)注和研究，尤其是在結(jié)構(gòu)材料和生物材料領(lǐng)域的應(yīng)用。鋯基非晶合金在模擬人體溶液中具有很高的耐腐蝕性與良好的生物相容性。另外，鋯基非晶合金還具有高的彈性極限和較低的彈性模量，如彈性變形量為2%左右（醫(yī)用不銹鋼僅為0.3%），彈性模量為70～100GPa（鈦及鈦合金為110～125GPa，醫(yī)用316L不銹鋼為200GPa），比目前常用的醫(yī)用金屬材料更接近自然骨（自然骨的彈性極限約為1%，彈性模量為20～40GPa），同時，鋯基非晶合金還具有良好的生物相容性，這使得鋯基非晶合金在人工關(guān)節(jié)，股骨頭支撐體及牙科種植體等生物醫(yī)用方面具有廣闊的應(yīng)用前景。因而開發(fā)含有高效抗菌銀元素的鋯基非晶合金，使其具有抗菌功能同時具有非晶合金優(yōu)良的力學(xué)和化學(xué)性能，這種結(jié)構(gòu)功能一體化的鋯基非晶合金在生物醫(yī)用領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景。

另外，由于病菌無處不在，有害細(xì)菌時刻威脅著人們的健康和生活。為了避免細(xì)菌的交叉?zhèn)魅荆咕牧系难芯亢蛻?yīng)用越來越受到人們的重視。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明技術(shù)解決問題：針對目前醫(yī)用金屬材料特別是植入材料術(shù)后細(xì)菌感染幾率較高這一問題，為了降低其細(xì)菌感染幾率，提供一種ZrAl-Co-Ag塊體非晶合金，合金中含有3%～10%高效抗菌Ag元素，能有效地抑制金黃色葡萄球菌的生長。

本發(fā)明的另一解決問題：另外通過對該Zr-Al-CoAg塊體非晶合金在803～853K下熱處理，獲得在非晶基體中含有5～50nm的面心立方（fcc）-Ag的非晶/納米晶復(fù)相材料，可以進(jìn)一步提高其抗菌性能，這種結(jié)構(gòu)功能一體化的鋯基非晶/納米晶合金在生物醫(yī)用領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)本發(fā)明含有高效的抗菌元素Ag，具有良好的抗菌或抑菌功能，本發(fā)明的具有抗菌功能的鋯基非晶/納米晶合金為塊體非晶合金領(lǐng)域首次報道；

(2)本發(fā)明通過熱處理后，非晶合金基體中析出nm級別的面心立方（fcc）-Ag，這種非晶/納米晶結(jié)構(gòu)的合金具有更優(yōu)良的抗菌性能；

(3)本發(fā)明具有強(qiáng)的非晶形成能力，采用銅模鑄造法可以制備出臨界直徑不小于8mm的鋯基非晶合金；

(4)本發(fā)明與傳統(tǒng)的生物醫(yī)用合金相比，具有更高的屈服強(qiáng)度（1990MPa～2000MPa），較低的彈性模量(93GPa～94GPa)，力學(xué)生物相容性更好。

附圖說明