一种抑菌锆合金材料及其制备方法和应用

本发明涉及锆合金材料，尤其涉及一种抑菌锆合金材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、牙齿是人们日常生活中必不可少的器官，但恒牙脱落之后不会再有新牙萌生。牙周疾病、牙齿龋坏、发育异常和外伤等因素都会使得恒牙脱落导致牙列缺损(dentitiondefect)或牙列缺失(edentulous)。缺牙后，不仅使患者的咀嚼功能和语言功能变差，还会影响患者消化系统和循环系统的功能，给患者的身心健康与生活质量造成不利影响。针对牙列的缺损或缺失，目前临床上只能采用义齿修复的方法来治疗。相较于其他的义齿修复手段，种植义齿修复具有义齿服役时间长、结构稳固性高、异物感小和维护方便等优点，是针对牙列缺失最优也是最后的修复手段。

2、过去数十年中，工业纯钛(cp-ti)及其合金因优良的生物相容性、良好的耐腐蚀性能和高的强度质量比而广泛用作牙科植入金属材料。但是ti及其合金也存在一些难以克服的缺点，如cp-ti的强度不足，已经商业化应用的1～4级ti的屈服强度(170～485mpa)和断裂强度(240～550mpa)较低，制造d≤3.5mm的种植体时会存在很大的断裂风险，这限制了现有植入体的尺寸；ti及其合金的弹性模量e过高，1～4级ti(102～105gpa)和ti-6al-4v合金(wt.％，没有特别说明，下同；110gpa)的弹性模量远高于人骨(10～40gpa)，这会诱发应力遮挡效应的产生，使得金属种植体周围的骨被吸收，最终导致种植体松动脱落乃至需要二次手术治疗。而且，部分ti合金的生物相容性不佳，之前的报道表明ti-6al-4v合金在人体内释放出的al和v会给患者的长期健康带来风险，引发诸如阿尔兹海默症等精神系统疾病。更进一步讲，ti及其合金还会因其良好的生物活性，容易成为细菌感染的目标。考虑到口腔植入物会永久暴露于复杂的口腔微生物群，这无疑增加了种植体周围组织感染的风险。有报道称，种植后90％的种植体显示出感染迹象，50％有不可逆的组织损伤，5～11％必须通过二次手术移除。从整体看，口腔种植体周围炎的患病率为22％，远高于其他部位种植体周围炎的发病率，对患者造成长期健康困扰。

3、zr具有比ti更加良好的生物相容性，这来自于zr更加良好的骨相容性、更低的腐蚀产物毒性和更低的弹性模量，在牙科植入金属材料领域，很大程度上可以认为zr是ti的上位替代。然而，ti的低成本、高的强度质量比和长达数十年作为牙科植入物材料临床使用的经验仍旧是ti难以割舍的优势。zr(4d25s2)与ti(3d24s2)在元素周期表中位于相同族不同周期，两者理化性能相近，可以形成无限固溶体。zr与ti对于彼此而言都是一种β相稳定剂，当α-β相变温度最低时两者的质量比约为zr：ti＝66：34。zr-ti合金的耐腐蚀性能会随着zr含量的增加而变好。考虑到ti作为基体的不足，以zr作为基体发展zr-ti合金作为一种新型的潜在牙科植入物材料近年来得到了广泛的关注。

4、之前的研究表明zr-ti合金的生物相容性优于cp-ti，因此zr-ti合金也理所应当会面临微生物感染的风险。因此，发展一种抑菌的β相zr-ti合金以用作新型牙科植入金属材料是具有良好前景的。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种抑菌锆合金材料及其制备方法和应用，解决生物相容性良好的zr-ti合金易产生微生物感染的问题。

2、为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

3、本发明提供了一种抑菌锆合金材料，包括以下质量分数的组分：

4、cu 3～7％、ti 25～35％、fe 0.05～0.5％，余量为zr。

5、本发明还提供了一种抑菌锆合金材料的制备方法，包括以下步骤：

6、(1)按照上述质量分数将原料进行熔炼，得到合金锭；

7、(2)将合金锭预热后进行热压，得到坯料；

8、(3)将坯料均匀化处理后预热，进行热轧处理，得到板材；

9、(4)将板材封装后预热、淬火，得到抑菌锆合金材料。

10、进一步的，在所述一种抑菌锆合金材料的制备方法中，步骤(1)中，所述熔炼在氩气保护下进行，所述熔炼的温度为2000～2200℃，所述熔炼的次数为6～8次，每次熔炼的时间为3～5min。

11、进一步的，在所述一种抑菌锆合金材料的制备方法中，步骤(2)中，所述热压的温度为640～660℃。

12、进一步的，在所述一种抑菌锆合金材料的制备方法中，步骤(3)中，所述均匀化处理的真空度为4×10-3～6×10-3pa，所述均匀化处理的温度为750～850℃，所述均匀化处理的时间为40～60min。

13、进一步的，在所述一种抑菌锆合金材料的制备方法中，步骤(3)中，所述热轧处理的温度为640～660℃；所述板材的厚度为1.0～1.5mm。

14、进一步的，在所述一种抑菌锆合金材料的制备方法中，步骤(4)中，所述封装的真空度为4×10-5～6×10-5pa，所述封装为在真空石英管中封装。

15、进一步的，在所述一种抑菌锆合金材料的制备方法中，步骤(2)、步骤(3)与步骤(4)中，所述预热的温度独立的为640～660℃，所述预热的时间独立的为10～20min。

16、进一步的，在所述一种抑菌锆合金材料的制备方法中，步骤(4)中，所述淬火的介质为水。

17、本发明还提供了一种抑菌锆合金材料作为牙科植入物的应用。

18、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

19、(1)本发明所述抑菌锆合金材料，避免了al、v、cr和ni等具有生物毒性元素的添加，同时，cu的添加使得合金材料对大肠埃希氏菌(e.coli)和金黄色葡萄球菌(s.aureus)均表现出了一定的抑制作用；

20、(2)本发明所述抑菌锆合金材料在生理盐水中表现出优良的耐腐蚀性能，其耐腐蚀性能优于cp-ti，也优于zr-30ti合金，可在口腔种植修复中用作种植体以及基台材料。

技术特征：

1.一种抑菌锆合金材料，其特征在于，包括以下质量分数的组分：

2.权利要求1所述的一种抑菌锆合金材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

3.如权利要求2所述的一种抑菌锆合金材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述熔炼在氩气保护下进行，所述熔炼的温度为2000～2200℃，所述熔炼的次数为6～8次，每次熔炼的时间为3～5min。

4.如权利要求2或3所述的一种抑菌锆合金材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述热压的温度为640～660℃。

5.如权利要求4所述的一种抑菌锆合金材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述均匀化处理的真空度为4×10-3～6×10-3pa，所述均匀化处理的温度为750～850℃，所述均匀化处理的时间为40～60min。

6.如权利要求2或5所述的一种抑菌锆合金材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述热轧处理的温度为640～660℃；所述板材的厚度为1.0～1.5mm。

7.如权利要求6所述的一种抑菌锆合金材料的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，所述封装的真空度为4×10-5～6×10-5pa，所述封装为在真空石英管中封装。

8.如权利要求5或7所述的一种抑菌锆合金材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)、步骤(3)与步骤(4)中，所述预热的温度独立的为640～660℃，所述预热的时间独立的为10～20min。

9.如权利要求8所述的一种抑菌锆合金材料的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，所述淬火的介质为水。

10.权利要求1所述的一种抑菌锆合金材料作为牙科植入物的应用。

技术总结
本发明属于锆合金材料技术领域，公开了一种抑菌锆合金材料及其制备方法和应用。所述抑菌锆合金材料包括质量分数组分：Cu 3～7％、Ti 25～35％、Fe 0.05～0.5％，余量为Zr。本发明还提供了抑菌锆合金材料的制备方法，包括：按照上述质量分数将原料进行熔炼，得到合金锭；将合金锭预热后进行热压，得到坯料；将坯料均匀化处理后预热，进行热轧处理，得到板材；将板材封装后预热、淬火，得到抑菌锆合金材料。本发明避免了生物毒性元素的添加，Cu对大肠埃希氏菌和金黄色葡萄球菌均表现出抑制作用，合金材料表现出优良的耐腐蚀性能，可在口腔种植修复中用作种植体以及基台材料。

技术研发人员：姚美意,崔越,胡丽娟,谢耀平
受保护的技术使用者：上海大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16