一種抗細(xì)菌感染用鑄造鈷基合金及其熱處理工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及鈷基合金材料技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種抗細(xì)菌感染用鑄造鈷基合金及其 熱處理工藝，其具有獨(dú)特的抗細(xì)菌感染功能，可廣泛應(yīng)用于骨科、口腔科、心血管支架等醫(yī) 學(xué)臨床領(lǐng)域中使用的各類外科植入用鈷基合金醫(yī)療器械。
【背景技術(shù)】
[0002] 醫(yī)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(dǎo)率 高，熱膨脹系數(shù)較低，楊氏模量不隨其強(qiáng)度變化而變化等諸多優(yōu)點(diǎn)。國際ISO醫(yī)用鈷基 標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)在也廣泛用于加工心血管支架。
[0003] 然而，由外科植入醫(yī)療器械引發(fā)的細(xì)菌感染已經(jīng)成為21世紀(jì)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域內(nèi)亟待解 決的重要問題之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國骨科植入物相關(guān)感染的年發(fā)病率達(dá)到4. 3%左右。根據(jù)世 界衛(wèi)生組織（WHO)頒布的《院內(nèi)感染防治實(shí)用手冊(cè)》中的有關(guān)數(shù)據(jù)，每天全世界有超過1400 萬人在遭受院內(nèi)感染的痛苦，其中60%的細(xì)菌感染與使用的醫(yī)療器械有關(guān)。骨科等術(shù)后感 染會(huì)直接造成患者傷口經(jīng)久不愈，經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致手術(shù)失敗，甚至導(dǎo)致慢性骨髓炎等并發(fā)癥，不 僅給患者帶來了巨大的身心痛苦和沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，也會(huì)對(duì)醫(yī)院和社會(huì)等造成不同程度的 負(fù)面影響。
[0004]因此，研究開發(fā)自身具有抗細(xì)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(guān)植入醫(yī)療器械引發(fā)的細(xì)菌感染性疾病具有重要的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種抗細(xì)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(xiàn)有醫(yī)療技術(shù)中外科植入物用鈷基合金醫(yī)療器械使用中引發(fā)的細(xì) 菌感染風(fēng)險(xiǎn)。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：
[0007] -種抗細(xì)菌感染用鑄造鈷基合金，按重量百分比計(jì)，該鑄造鈷基合金的化學(xué)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(zhì)元素含量應(yīng)符合醫(yī)用鑄造鈷基合金國家標(biāo)準(zhǔn)中的相應(yīng)要求。
[0008] 在本發(fā)明的抗細(xì)菌感染用鑄造鈷基合金的成分設(shè)計(jì)中，銅（Cu)是合金中最重要 的合金化元素，本發(fā)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?xiàng)l件 下，富銅相在鈷基合金基體中的均勻彌散析出。當(dāng)銅含量較低時(shí)，即使經(jīng)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(wěn)定的抗菌性能。當(dāng)銅含量相對(duì)過高時(shí)，會(huì) 導(dǎo)致鈷基合金在高溫下析出相對(duì)粗大的富銅相，嚴(yán)重影響到鈷基合金的耐腐蝕性能，同時(shí) 也嚴(yán)重影響到合金在澆鑄過程中的流動(dòng)性。
[0009] 本發(fā)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(diǎn)好處，一是進(jìn)一步強(qiáng)化鈷基合金的抗菌性能，二是提高氧化膜與基體 材料的結(jié)合強(qiáng)度以增強(qiáng)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(huì)由于稀土元素的溶解度局限出現(xiàn)大尺寸的夾雜物，這種夾雜物的存在嚴(yán)重降低 了鈷基合金的耐點(diǎn)腐蝕性能。
[0010] 本發(fā)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(qiáng)度和 耐腐蝕性。而且氮元素在人體內(nèi)是宏量元素，對(duì)人體沒有危害。但過多的氮加入會(huì)影響合 金的熱成形性能等冶金學(xué)因素，含量較低不能起到應(yīng)有的作用，因此本發(fā)明鈷基合金中氮 含量控制在0.l-o. 4wt%。
[0011] 本發(fā)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(xué)性能、耐腐蝕性能和耐磨損性能。
[0012] 本發(fā)明抗細(xì)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(shí)， 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(xì)菌感染的功 能。
[0013]因此，本發(fā)明的抗細(xì)菌感染用鑄造鈷基合金創(chuàng)新地實(shí)現(xiàn)了銅離子的抗細(xì)菌感染作 用與鈷基合金的完美結(jié)合，賦予醫(yī)用鑄造鈷基合金抗細(xì)菌感染功能并兼具鈷基合金的其它 優(yōu)良性能，能夠顯著降低現(xiàn)有醫(yī)療技術(shù)中外科植入物用鈷基合金等醫(yī)療器械使用中引發(fā)的 細(xì)菌感染風(fēng)險(xiǎn)，可廣泛應(yīng)用于骨科、口腔科、心血管支架等醫(yī)學(xué)臨床領(lǐng)域中使用的各類外科 植入用醫(yī)療器械。
[0014] 本發(fā)明的有益效果是：
[0015] 1、本發(fā)明通過實(shí)驗(yàn)研究，在現(xiàn)有醫(yī)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(xì)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(fā)明中的抗細(xì)菌感染醫(yī)用鑄造鈷基合金可廣泛應(yīng)用于骨科、口腔科、心血管 支架等醫(yī)學(xué)臨床領(lǐng)域中使用的各類醫(yī)療器械。
【具體實(shí)施方式】
[0017] 實(shí)施例1-3、對(duì)比例1-4鈷基合金的化學(xué)成分見表1。
[0018] 表1實(shí)施例和對(duì)比例的鑄造鈷基合金化學(xué)成分（wt，％)
[0019]
[0020] 所有實(shí)施例和對(duì)比例鈷基合金在抗菌性能檢測前均經(jīng)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(jù)"JISZ2801-2000《抗菌加工制品一抗菌性試驗(yàn)方法和抗菌效果》、GB/ T2591-2003《抗菌塑料抗菌性能實(shí)驗(yàn)方法和抗菌效果》"等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，定量測試了表1 所示成分的普通醫(yī)用鑄造鈷基合金、抗細(xì)菌感染鈷基合金對(duì)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(jié)果見表2,其中殺菌率的計(jì)算公式為：殺 菌率（%)=[(對(duì)照樣品活菌數(shù)_抗感染鑄造鈷基合金活菌數(shù)）/對(duì)照樣品活菌數(shù)]X100,對(duì) 照樣品活菌數(shù)是對(duì)比例樣品上進(jìn)行細(xì)菌培養(yǎng)后的活菌數(shù)，抗感染鑄造鈷基合金活菌數(shù)是指 抗細(xì)菌感染鑄造鈷基合金上進(jìn)行細(xì)菌培養(yǎng)后的活菌數(shù)。
[0023] 2、體內(nèi)抗細(xì)菌感染性能檢測
[0024] 將對(duì)比例鈷基合金螺釘和實(shí)施例鈷基合金螺釘分別植入兔子的脛骨內(nèi)，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(shù)過程如下：按照60mg/kg動(dòng)物體重的比例，在動(dòng)物皮下注射氯胺酮與甲苯噻 嗪；然后按照〇.lmg/kg動(dòng)物體重的比例，在動(dòng)物皮下注射阿托品進(jìn)行麻醉。手術(shù)在嚴(yán)格的 無菌環(huán)境下進(jìn)行。動(dòng)物股骨嚴(yán)格消毒后，手術(shù)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(duì)比例螺釘和實(shí)施例鑄造鈷基合金螺釘。
[0026] 逐層縫合，術(shù)后動(dòng)物活動(dòng)不受限，標(biāo)準(zhǔn)抗疼痛治療3天。在5天和14天分別處死 動(dòng)物后取材，進(jìn)行細(xì)菌學(xué)與組織學(xué)檢測。螺釘取出后，釘孔取拭子，在固體培養(yǎng)基中37°C培 養(yǎng)24h，細(xì)菌計(jì)數(shù)。檢測結(jié)果見表2。
[0027] 3、耐腐蝕性能
[0028] 根據(jù)鈷基合金點(diǎn)蝕電位測量方法（國家標(biāo)準(zhǔn)：GB/T17899-1999)對(duì)本發(fā)明實(shí)施例鈷 基合金及對(duì)比例鈷基合金進(jìn)行耐腐蝕性能測試，測試結(jié)果見表2。
[0029] 4、生物安全性評(píng)價(jià)
[0030] 根據(jù)國標(biāo)GBT16886. 5-2003醫(yī)療器械生物學(xué)評(píng)價(jià)，對(duì)實(shí)施例和對(duì)比例鈷基合金對(duì) L929 (小鼠成纖維細(xì)胞）在1-7天的細(xì)胞毒性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，結(jié)果見表2。
[0031] 從表2給出的結(jié)果可以看出，本發(fā)明實(shí)施例1-3的抗細(xì)菌感染鈷基合金無論是體 外還是動(dòng)物體內(nèi)均表現(xiàn)出優(yōu)異的抗菌性能，同時(shí)還滿足植入醫(yī)療器械對(duì)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(fā)明提出的抗細(xì)菌感染用鑄造 鈷基合金能夠發(fā)揮抗細(xì)菌感染功能、耐蝕性能、生物安全性能的關(guān)鍵所在。
[0032] 銅元素是發(fā)揮抗細(xì)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?jǐn)?shù)過大因而影響其耐點(diǎn)蝕性能(如對(duì)比例1)，有 大量的銅離子釋放，進(jìn)而影響其生物安全性能(如對(duì)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(duì)比例2)。
[0033] 稀土元素的添加，也會(huì)促進(jìn)鈷基合金的抗菌性能和耐點(diǎn)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(diǎn)蝕性能(如對(duì)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(huì)顯示良好的殺菌性能 (如對(duì)比例4).
[0035] 通過以上分析可知，只有當(dāng)銅、稀土La或Ce、氮的含量達(dá)到一個(gè)平衡范圍，它們之 間相互補(bǔ)充、相互配合，才能使得含銅鈷基合金具備抗細(xì)菌感染功能、耐蝕性能、優(yōu)異的生 物安全性能。
[0036] 表2實(shí)施例鈷基合金、對(duì)比例鈷基合金的性能測試具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果
[0037]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種抗細(xì)菌感染用鑄造鈷基合金，其特征在于：按重量百分比計(jì)，該鑄造鈷基合金 的化學(xué)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(zhì)元素含量符合醫(yī)用鑄造鈷基合金國家標(biāo)準(zhǔn)中的相應(yīng)要 求。
2. 按照權(quán)利要求1所述的醫(yī)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(shí)，空冷至室溫。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種抗細(xì)菌感染用鑄造鈷基合金及其熱處理工藝，屬于醫(yī)用鈷基合金材料領(lǐng)域。該鈷基合金的化學(xué)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(zhì)元素含量應(yīng)符合醫(yī)用鑄造鈷基合金國家標(biāo)準(zhǔn)中的相應(yīng)要求。本發(fā)明的醫(yī)用鈷基合金新材料具有獨(dú)特的抗細(xì)菌感染功能，能夠顯著降低現(xiàn)有醫(yī)療技術(shù)中醫(yī)療器械使用中引發(fā)的細(xì)菌感染風(fēng)險(xiǎn)，可廣泛應(yīng)用于骨科、口腔科、心血管支架等醫(yī)學(xué)臨床領(lǐng)域中使用的各類外科植入用鈷基合金醫(yī)療器械。
【IPC分類】C22C19-07, C22F1-10
【公開號(hào)】CN104651669
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201310578365
【發(fā)明人】楊春光, 王帥, 任玲, 楊柯
【申請(qǐng)人】中國科學(xué)院金屬研究所
【公開日】2015年5月27日
【申請(qǐng)日】2013年11月15日