一种Ti-Zr-Nb-Fe-Ga高熵合金及其制备方法和应用

本发明属于医用材料，具体涉及一种ti-zr-nb-fe-ga高熵合金及其制备方法和应用。

背景技术：

1、钛是目前应用最广的口腔医用金属材料之一。然而，传统的钛及钛合金不具备抗菌性能，当置于微生物环境(如人体口腔)中时，易黏附细菌而引起感染，例如种植体周围炎、正畸后牙釉质脱矿及牙龈炎、口腔颌面外科手术后感染等。世界卫生组织颁布的《院内感染防治实用手册》的数据显示，全世界每天有超过1400万的院内感染患者，其中约60％与植入物感染有关。此外，钛为惰性金属，引导骨组织再生差，易引起无菌性骨溶解。综上所述，ti-6al-4v(tc4)钛合金缺乏抗细菌生物膜功能，促进骨整合能力不足。

2、镓离子为一种过度金属元素，可干扰细菌铁代谢，不易产生耐药性，且对生物膜形成具有明显抑制作用。此外，镓离子作为临床高钙血症治疗药物，具有较好的生物安全性，以镓离子为钛合金表面修饰剂有望在提高合金抗菌性能上取得突破。当前含镓内植物主要包括生物活性玻璃、水凝胶、羟基磷灰石等，这些可降解支架吸附镓剂后可缓释镓离子以实现持续抗菌效果，但这些生物活性材料的力学性能远不如钛，在临床应用方面存在极大局限性。另一方面，镓离子具有显著的破骨抑制作用，可促进骨整合。目前，尚未有通过合金化的方式将镓整合于钛合金内，并将该合金应用于生物膜形成抑制评估与破骨激活抑制的植入物器械。此外，镓已经被美国食品药品监督管理局(fda)批准用于治疗高钙血症和恶性肿瘤，可有效抑制骨吸收和血浆钙升高，体内安全性良好。

技术实现思路

1、针对现有技术中的不足，本发明的主要目的是提供一种ti-zr-nb-fe-ga高熵合金，其具有抗菌、抑制破骨细胞分化、促进血管生成等功能。

2、本发明的另一目的是提供所述ti-zr-nb-fe-ga高熵合金的制备方法。

3、本发明的再一目的是提供所述ti-zr-nb-fe-ga高熵合金的应用。

4、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

5、第一方面，一种ti-zr-nb-fe-ga高熵合金，由ti、zr、nb、fe和ga组成，其中ti、zr、nb和fe的原子比为1：1：1：1，ga的质量分数为0.01％-5％。

6、作为优选，所述ti-zr-nb-fe-ga高熵合金中，ti、zr、nb和fe的原子比为1：1：1：1，ga的质量分数为1％。

7、第二方面，所述ti-zr-nb-fe-ga高熵合金的制备方法依次包括准备阶段、抽真空阶段、熔炼阶段和结束阶段，具体地，包括以下步骤：

8、(a)准备阶段：

9、(a1)打开炉体，用酒精对电极和坩埚进行清洗；

10、(a2)按配比将待熔炼金属放入坩埚中，关闭炉体，各个阀门处于关闭状态；

11、(a3)打开电源总闸和循环水阀，依次打开设备上循环水电源开关和电源开关，待设备运行稳定，打开控制柜的分子泵电源开关；

12、(b)抽真空阶段：

13、(b1)第一级抽真空：设备稳定后，打开炉体阀门与机泵开关电源，启动压力显示屏，在抽真空的过程中对炉体盖上各个紧固件及炉体密封件进行紧固，确保密封性；

14、(b2)第二级抽真空：等炉体内压力达到初级设定后，依次打开分子泵阀门和分子泵开关，关闭炉体阀门和机泵开关；

15、(b3)等炉体内压力达到设定后，依次关闭分子泵阀门和分子泵按钮开关，设备抽真空完毕；

16、(b4)向抽完真空的炉体内充入99.99％高纯氩气，直至达到一个大气压；

17、(c)熔炼阶段：

18、(c1)移动电极与坩埚上电极对正，移动过程中通过观察窗进行实时观察，使二者距离达到要求值；

19、(c2)调高电流，准备熔炼，按下引弧按钮，通过摇杆上手轮移动炉体内两电极接触引弧，在起弧后立即转动手轮使两电极分开，并用摇杆将移动电极移开，防止烧坏坩埚上电极，通过观察窗操作整个过程；

20、(c3)利用电弧依次熔炼待熔炼金属，熔炼完毕，关闭电弧；

21、(c4)利用机械手翻转坩埚内金属，反复熔炼以保证熔炼均匀；

22、(d)结束阶段：

23、(d1)打开炉体，清洗炉腔，去除烟尘、沙砾和飞溅金属，将铜模清洗干净放回模具通道，拧紧密封盖；

24、(d2)炉腔内清洗完毕吹干后关闭炉体，同时抽真空；

25、(d3)抽真空完毕后，依次关闭分子泵开关、循环水开关、外部循环水阀门和电源总闸；

26、(d4)检查设备各开关，阀门处于启闭状态。

27、作为优选，步骤(b3)中，抽真空的真空度为1×10-4pa。

28、作为优选，步骤(c3)中，反复熔炼的次数为6-12次，熔炼电流为580-597a。

29、第三方面，所述ti-zr-nb-fe-ga高熵合金在制备医用植入物中的应用。

30、本发明提供一种具有相对便于加工、生物相容性高、抗菌性能强又具有促进骨整合功能的医用植入物用合金材料，其为高熵金属合金。同时，将镓合金化不仅可以保持纯钛优异的机械性能，而且至少在3-6个月内缓慢释放镓离子，实现持久抗菌与骨整合。与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

31、一、本发明的ti-zr-nb-fe-ga高熵合金通过在钛合金中添加镓元素，缓释的镓离子一方面可抑制细菌粘附阻碍生物膜形成，预防生物膜相关感染，另一方面可显著抑制破骨细胞激活的活性，具有促进骨整合的潜能。

32、二、本发明中ti-zr-nb-fe-ga高熵合金的制备方法简单，易于控制，可以制成不同镓含量的高熵合金，实现促进骨整合的效果，可用于医用植入物，具有重要的临床应用价值。

技术特征：

1.一种ti-zr-nb-fe-ga高熵合金，其特征在于，由ti、zr、nb、fe和ga组成，其中ti、zr、nb和fe的原子比为1：1：1：1，ga的质量分数为0.01％-5％。

2.根据权利要求1所述的ti-zr-nb-fe-ga高熵合金，其特征在于，ti、zr、nb和fe的原子比为1：1：1：1，ga的质量分数为1％。

3.权利要求1或2所述ti-zr-nb-fe-ga高熵合金的制备方法，其特征在于，依次包括准备阶段、抽真空阶段、熔炼阶段和结束阶段，包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述ti-zr-nb-fe-ga高熵合金的制备方法，其特征在于，步骤(b3)中，抽真空的真空度为1×10-4pa。

5.根据权利要求3所述ti-zr-nb-fe-ga高熵合金的制备方法，其特征在于，步骤(c3)中，反复熔炼的次数为6-12次，熔炼电流为580-597a。

6.权利要求1或2所述ti-zr-nb-fe-ga高熵合金在制备医用植入物中的应用。

技术总结本发明公开了一种Ti‑Zr‑Nb‑Fe‑Ga高熵合金及其制备方法和应用，该Ti‑Zr‑Nb‑Fe‑Ga高熵合金由Ti、Zr、Nb、Fe和Ga组成，Ti、Zr、Nb和Fe的原子比为1：1：1：1，Ga的质量分数为0.01％‑5％，制备方法依次包括准备阶段、抽真空阶段、熔炼阶段和结束阶段。本发明提供一种具有相对便于加工、生物相容性高、抗菌性能强且具有促进骨整合功能的医用植入物用合金材料，通过在钛合金中添加镓元素得到高熵合金，缓释的镓离子一方面可抑制细菌粘附阻碍生物膜形成，预防生物膜相关感染，另一方面可显著抑制破骨细胞激活的活性，具有促进骨整合的潜能，用于医用植入物具有重要的临床应用价值。技术研发人员：张晓梦,赖红昌,史俊宇,李元,姜雪,丁鑫鑫,魏建绪,杨亦婕受保护的技术使用者：上海交通大学医学院附属第九人民医院技术研发日：技术公布日：2024/10/17