本发明涉及医用钛合金材料植入体的领域，具体为一种在超高浓度细菌的人体环境中抗感染的医用钛合金及其制备方法。
背景技术
医用钛合金以其优异的生物相容性、耐腐蚀性能和综合力学性能，已广泛应用于制作多种口腔科、骨科用等医疗植入体材料。20世纪60年代，纯ti作为人体植入物开始应用于临床，但是由于其强度较低，耐磨损性能较差，仅可以用于承受载荷较小部位的骨替代以及口腔修复。随着钛合金植入体材料的发展，进而出现了tc4钛合金，但是由于其中所含有的v元素会对生物体造成毒性作用，且生物毒性超过了ni和cr等材料的构成元素。而后，无v元素的α+β型钛合金诞生，ti-6al-7nb是典型的α+β型钛合金，nb是β同晶元素，能与β钛无限互溶，有利于钛合金保持β相的存在，改善钛合金的冷加工性能，使得钛基合金的弹性模量降低，ti-6al-7nb可以更好地使得植入物材料与人体骨界面上力学性能相匹配，并且，nb元素是生物相容性极佳的无毒元素。
医用钛合金发展至今，已经广泛地应用于外科植入物和矫形器械(见表1)。
表1外科植入物和矫形器械中的钛合金典型产品
然而，在以上植入体手术后，存在一定手术部位或者植入部位的细菌感染问题，除了人体会遭受细菌感染的影响，植入体的细菌腐蚀也不容忽视。植入物时间越久，腐蚀程度越严重，腐蚀可能会对植入体的力学性能和生物相容性产生强烈的影响，不仅会影响到材料或器件的使用寿命，还会由于金属溶出物引起种植体周围组织的局部坏死和炎症反应，造成发炎、过敏和致癌等全身反应，影响宿主的健康。据统计，外科植入医疗器械引发的细菌感染已经成为医学领域内亟待解决的重要问题之一，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。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。随着人们生活水平的日益提高，防菌、抗菌及抗病毒的卫生管理已成为当今社会极为关注的问题，抗菌功能型金属材料的开发可以有效地解决细菌繁殖的影响。
抗菌功能型金属材料的产生作用的方式为自身抗菌性，但是目前所生产或设计的此类金属材料，在应用方面具有两点重要的局限性，如图1所示：(a)对细菌浓度低于(1-2)*105cfu/ml的低浓度细菌微生物的杀灭时间需长达24小时；(b)对细菌浓度高于(1-2)*106cfu/ml的高浓度细菌微生物的杀菌率无法达到90％以上。
基于上述背景，如果能开发一种超高抗菌性能的钛合金医用植入体材料，使之不仅可以有效地快速抑制超高浓度细菌的繁殖，而且可以保证符合人体植入物所要求的良好的生物相容性。那么，可以使得医用植入钛合金材料得到更加广泛地应用。
因此，本申请拟提供一种应用于医用植入体的超高抗菌性能钛合金及其制备方法，在很大程度上解决现有问题，对钛合金材料在医用植入体市场的应用性起到一定的积极作用。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种应用于医用植入体的超高抗菌性能的钛合金材料及其制备方法，在现有医用钛合金的化学成分的基础上添加一定量的ga元素，使其在单一固溶的热处理状态下，可具有有效的抵抗超高浓度细菌(＞(8-9)*106cfu/ml)的功能，显著降低钛合金植入体材料在使用中引发的细菌微生物腐蚀风险。本发明所述超高抗菌性能钛合金材料能够迅速地抑制术后部位的细菌繁殖，减轻病人二次手术以及药物治疗的风险，能够广泛应用于口腔科、骨科医学临床领域中使用的多种钛合金医疗植入体，具体为牙科植入体，骨螺钉，接骨板，(膝、踝、肩和髋)关节等常见医用外科植入物。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
本发明所述超高抗菌性能钛合金材料的成分为，按重量百分比计：al：5.0-7.0；nb：6.0-8.0；ga：0.5-5.0；余量ti。优选的化学成分为：al：5.5-6.5；nb：6.5-7.5；ga：1.0-3.0；余量ti。
本发明中的ga元素，是该超高抗菌钛合金材料中的重要合金元素，是保证医用钛合金材料具备对超高浓度细菌的抗菌功能的必要条件，ga元素在术后部位的释放，能够扰乱细胞的新陈代谢，抑制细胞的持续生长，最终造成细胞的凋亡。本发明钛合金材料中的ga的含量，按重量百分比计，成分为0.5-5.0；优选成分为1.0-3.0，以保证通过固溶处理使得ga元素能够充分固溶于基体，在同人体体液的接触中，高抗菌性能钛合金材料能够通过均匀腐蚀持续地释放出ga离子。
本发明中合适的抗菌热处理制度为：固溶处理的温度为850-1100℃，保温0.5-3.0h，水冷至室温。优选的固溶温度和固溶时间，其特征在于：固溶处理的温度为950-1000℃，保温1.0-2.0h，水冷至室温。
因此，本发明的有益效果是：
1、本发明通过添加ga元素，使得超高抗菌性能钛合金材料对大于(8-9)*106cfu/ml的高浓度细菌的杀菌率具有有效性(≥90％)，并且减少了对细菌的杀灭作用时间。
2、本发明所述超高抗菌性能钛合金材料的热处理方法，为优化后的热处理制度，通过单一固溶热处理，钛合金材料可对超高浓度细菌具有有效的杀灭作用。
3、本发明所述超高抗菌性能钛合金材料材料，可应用于口腔科、骨科医学临床领域中使用的多种钛合金医疗植入体，具体为牙科植入体，骨螺钉，接骨板，(膝、踝、肩和髋)关节等常见医用外科植入物。
附图说明
图1抗菌功能型金属材料的抗菌率，(a)共培养菌液浓度为(1-2)*105cfu/ml，(b)共培养菌液浓度大于(1-2)*106cfu/ml。
具体实施方式
根据超高抗菌性能钛合金材料设定的化学成分范围，本发明采用15公斤真空感应炉冶炼实施例和对比例锻造钛合金材料各10公斤，其化学成分见表2。
表2实施例和对比例的钛合金材料主要化学成分(wt.％)
根据本发明超高抗菌性能钛合金材料设定的热处理方法的参数范围，制定的固溶热处理的详细参数，见表3。
表3实施例和对比例的热处理工艺参数
1.体外抗菌性能检测
根据“jisz2801-2000《抗菌加工制品－抗菌性试验方法和抗菌效果》、gb/t2591-2003《抗菌塑料抗菌性能实验方法和抗菌效果》”等相关标准规定，定量测试了表2所示热处理后的超高抗菌性能钛合金材料对常见造成人体感染的细菌(大肠杆菌e.coli和金黄色葡萄球菌s.aureus)作用后的杀菌率。其中，共培养细菌浓度设定为(8-9)*106cfu/ml，细菌同对照样品和高抗菌性能钛合金材料样品共培养的时间为12小时。体外抗菌性能检测结果见表4，其中杀菌率的计算公式为：杀菌率(％)＝[(对照样品活菌数-超高抗菌性能钛合金材料活菌数)/对照样品活菌数]×100％，对照样品活菌数是普通钛合金材料样品上进行细菌培养后的活菌数，超高抗菌性能钛合金材料活菌数是指热处理后的超高抗菌性能钛合金材料上进行细菌培养后的活菌数。
2.生物安全性评价
根据国标gb/t16886.5-2003医疗器械生物学评价，对实施例和对比例超高抗菌性能钛合金材料对l929(小鼠成纤维细胞)在1-7天的细胞毒性进行了评价，测试结果见表4。
表4实施例、对比例超高抗菌性能钛合金材料的相关性能测试实验结果
从表3的结果可以看出，本发明实施例1-7的超高抗菌性能钛合金材料均表现出优异的抗菌性能，同时还满足钛合金材料在医用植入支架材料领域中生物相容性的使用要求。合适的ga含量以及热处理工艺(固溶热处理)是本发明提出的超高抗菌性能钛合金材料能够发挥抗菌性能以及呈现良好生物相容性的基础。
固溶处理对于超高抗菌性能钛合金材料的抗菌性能和生物相容性有着重要的影响。固溶温度过低，超高抗菌性能钛合金材料中会生成有害的金属间相，有害金属间相的存在，使得材料的ga离子释放量增加，虽然可以保证材料的抗菌性能，但是材料的生物相容性得到被破坏(对比例1-1)。固溶温度过高，造成晶界过烧，晶粒粗大现象明显，晶粒与晶界处电阻不平衡的趋势变大，造成了合金中金属元素间的原电池效应，使得材料的耐腐蚀性能降低，同样造成了材料的生物相容性变差(对比例1-2)。固溶时间过短，使得富ga相无法完全固溶入到基体当中，使得材料的耐腐蚀性能降低，材料对人体的毒性增加，生物相容性的融合度降低(对比例1-3)；固溶时间过长，也同样会造成原电池效应，严重破坏高抗菌性能钛合金材料的耐腐蚀性能，提高了材料的毒性元素释放量(对比例1-4)。
超高抗菌性能钛合金材料中ga元素的添加量，对材料的抗菌性能以及耐腐蚀性能有着重要的平衡作用，ga的添加量过低造成超高抗菌性能钛合金材料的抗菌性能降低，无法达到有效的抗菌功效(对比例2)，ga的添加量过高，虽然可以保证材料具有有效的抗菌性能，使得材料的生物相容性变差，细胞毒性级别上升(对比例3)。
通过以上实施例和对比例结果可知，只有当ga含量，固溶温度和固溶时间，它们之间相互补充、相互配合，才能使得热处理后的超高抗菌性能钛合金材料兼具抗菌功能以及良好的耐腐蚀性能。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。