新型含銅抗菌鈦合金的制備與性能研究.pdf

1、鈦合金具有良好的生物相容性、綜合力學(xué)性能、機(jī)械加工性能和耐腐蝕性能，是理想的生物醫(yī)用材料，被廣泛用作口腔和骨科的植入材料。傳統(tǒng)的醫(yī)用鈦合金屬于生物惰性材料，主要起支撐作用，植入人體后容易引發(fā)細(xì)菌感染，誘發(fā)炎癥反應(yīng)，這種感染會反復(fù)發(fā)作，難以控制。因此，如何控制植入物術(shù)后感染是困擾醫(yī)務(wù)人員的一個(gè)棘手問題，越來越受到關(guān)注。針對上述感染問題，如何保證其力學(xué)性能和耐蝕性能的前提下，使得傳統(tǒng)廣泛應(yīng)用于骨科和齒科中的Ti-6Al-4V具有高效、廣譜和

2、持續(xù)的抗菌功能，并具有可靠的生物安全性，是本論文工作的主要研究目標(biāo)?；诖嗽O(shè)計(jì)思想，本研究在Ti-6Al-4V中添加適量具有抗菌功能的Cu元素，采用合適的鑄、鍛工藝及熱處理工藝對原有合金進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)和開發(fā)出一類新型的含Cu抗菌鈦合金。
　　通過分析不同Cu含量的鑄態(tài)鈦合金的顯微組織、力學(xué)性能、抗菌性能和耐腐蝕性能等，確定了Ti-6Al-4V-XCu的最佳Cu的添加量設(shè)計(jì)為5％。
　　利用GLEEBLE3800熱模擬試驗(yàn)機(jī)研

3、究了Ti-6Al-4V-5Cu的熱變形加工性能，結(jié)果顯示，合金流變應(yīng)力隨著應(yīng)變速率的升高和溫度的降低而增大。經(jīng)過微小的形變量，合金流變應(yīng)力達(dá)到峰值后發(fā)生持續(xù)軟化現(xiàn)象。Ti-6Al-4V-5Cu的熱加工圖失穩(wěn)區(qū)較小，當(dāng)變形溫度為900-1050℃，應(yīng)變速率為0.001-0.1 s-1時(shí)，功率耗散因子達(dá)到0.48，在此條件下合金易發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，熱變形最安全。獲得了Ti-6Al-4V-5Cu熱變形時(shí)的本構(gòu)方程:
　　(ε)=6.700

4、×1012[sinh(0.014σ)]2.809exp(-320×103/RT)σ=71.429ln{(Z/6.700×1012)1/2.809+[(Z/6.700×1012)2/2.809+1]1/2}Ti-6Al-4V-5Cu材料經(jīng)鍛造加工及熱處理分析后，根據(jù)不同熱處理對應(yīng)的組織結(jié)構(gòu)及性能分析，得出Ti-6Al-4V-5Cu綜合性能最佳的熱處理制度為加熱930℃水淬+600℃時(shí)效空冷。
　　通過對Ti-6Al-4V-5Cu的C

5、u的分布規(guī)律及溶出機(jī)制研究，探討了組織結(jié)構(gòu)對合金主要抗菌相Cu2+離子溶出及對抗菌性能的影響機(jī)理。研究結(jié)果表明，Cu元素在Ti-6Al-4V-5Cu中主要以固溶態(tài)和金屬間化合物Ti2Cu兩種形式存在于α相與β相。由于金屬間化合物的化學(xué)穩(wěn)定性更強(qiáng)，因此，Cu2+離子更容易以固溶態(tài)形式溶出。另外，Cu在合金β相中的溶解度大于α相，熱處理可改變α/β相比例從而改變Cu在合金中的分布。當(dāng)合金中的β相增多時(shí)，合金中Cu的分布均勻彌散，Cu2+離子

6、更容易均勻溶出，從而增強(qiáng)合金的抗菌性能。
　　采用覆膜法、表面形貌觀察和熒光染色法考察了Ti-6Al-4V-5Cu的抗菌性能，測定了Cu2+離子梯度濃度對金黃色葡萄球菌的抑制作用，通過EMA-PCR、基因檢測等分子學(xué)水平定量實(shí)驗(yàn)揭示了Cu2+離子的抗菌機(jī)制。結(jié)果表明，Ti-6Al-4V-5Cu對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌有強(qiáng)烈的殺滅作用，能有效抑制細(xì)菌生物膜的形成，Cu2+離子對金黃色葡萄球菌的最小抑菌濃度為100μg/L。Ti-6

7、Al-4V-5Cu的抗菌機(jī)制是:當(dāng)合金與菌液接觸后，微量的Cu2+離子從合金中溶出，濃度梯度驅(qū)動(dòng)Cu2+離子從合金表面擴(kuò)散到細(xì)菌液中，與細(xì)菌接觸破壞細(xì)菌外層的細(xì)菌膜，增大細(xì)菌膜的通透性，導(dǎo)致細(xì)菌中的蛋白質(zhì)和還原糖等滲漏。隨后，Cu2+離子破壞了細(xì)菌的呼吸鏈，產(chǎn)生了大量活性氧物質(zhì)，抑制細(xì)菌的生長。同時(shí)，Cu2+離子破壞細(xì)菌基因的復(fù)制和擴(kuò)增而產(chǎn)生了基因毒性。
　　考慮到Ti-6Al-4V-5Cu合金中Cu離子溶出的潛在毒性，論文選用M

8、C3 T3-E1細(xì)胞采用SEM觀察、MTT、細(xì)胞骨架、細(xì)胞凋亡等實(shí)驗(yàn)對Ti-6Al-4V-5Cu的細(xì)胞毒性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明:合金表面的細(xì)胞貼壁生長，形態(tài)正常并具有完整的細(xì)胞骨架輪廓，幾乎觀察不到死細(xì)胞，無早期凋亡跡象，顯示出極佳的生長狀態(tài)，細(xì)胞增殖率遠(yuǎn)高于75％，Ti-6Al-4V-5Cu合金顯示出良好的細(xì)胞相容性。Ti-6Al-4V-5Cu的溶血率為0.6％，顯示出良好的血液相容性。初步研究結(jié)果也證明了Ti-6Al-4V-5Cu具

9、有一定的促成骨作用，其中Cu離子起到關(guān)鍵性作用?；谝陨蠈?shí)驗(yàn)，給出了Ti-6Al-4V-5Cu具有殺菌效果卻無細(xì)胞毒性的合理性解釋:1）細(xì)菌和細(xì)胞本身的大小尺寸及結(jié)構(gòu)對外界不良刺激的適應(yīng)性調(diào)整差異性;2）細(xì)菌與細(xì)胞與材料作用時(shí)間的差異性，細(xì)菌一般在24 h內(nèi)被殺死;3）前后期Cu離子溶出量差異性，材料前期Cu離子溶出速率較大。
　　耐腐蝕性能與生物安全性有著密切關(guān)系，采用電化學(xué)方法對Ti-6Al-4V-5Cu的腐蝕性能進(jìn)行了研究。