本發(fā)明屬于醫(yī)用抗菌材料技術領域，特別涉及一種具有抗菌性能的壓電陶瓷材料及其制備方法與應用。

背景技術：

目前，在臨床上醫(yī)用植入材料用于修復骨缺損、皮膚傷口、牙損傷等有廣泛的應用，但是在植入過程中以及植入之后往往會產生被感染的現(xiàn)象尤其是微生物細菌，如大腸桿菌、金黃色葡萄球菌等的感染，這常常造成機體組織病變，給患者帶來二次痛苦，嚴重威脅著人類的身心健康。因此制備醫(yī)用抗菌材料則是解決臨床植入感染問題的一個關鍵?，F(xiàn)在大多數(shù)抗菌材料都是利用材料中或材料表面金屬離子的溶出來抗菌，比如載銀、載銅，抗菌效果很好，而且載入的這些金屬離子對人體多多少少都會有一定的危害，而且制備不易。

針對金屬離子抗菌所存在的缺點，近年來研究依靠材料自身抗菌受到越來越多的關注。

技術實現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有的技術的缺點與不足，本發(fā)明的首要目的在于提供一種具有抗菌性能的壓電材料。本發(fā)明主要在于利用穩(wěn)定性好、力學強度高及環(huán)保無害的材料本體的壓電性達到抗菌性強的效果。

本發(fā)明的另一目的在于提供由上述具有抗菌性能的壓電材料的制備方法。

本發(fā)明的再一目的在于提供上述具有抗菌性能的壓電材料的應用。所述具有抗菌性能的壓電材料用于醫(yī)用抗菌材料和/或醫(yī)用植入體材料，特別是醫(yī)用抗菌植入體材料。

本發(fā)明的目的通過以下技術手段實現(xiàn)：

一種具有抗菌性能的壓電材料是將陶瓷材料進行極化得到。

所述陶瓷材料為壓電陶瓷材料。

所述陶瓷材料優(yōu)選為鈮酸鉀鈉、鈮酸鋰鈉、鈮酸鋰鈉鉀類陶瓷或鈦酸鋇中一種以上。

所述具有抗菌性能的壓電材料的壓電常數(shù)為5pC/N～150pC/N，優(yōu)選為10pC/N～100pC/N；根據(jù)極化的方向，壓電常數(shù)為正值或負值，即+5pC/N～+150pC/N，-5pC/N～-150pC/N，優(yōu)選為+10pC/N～+100pC/N，-10pC/N～-100pC/N。

所述具有抗菌性能的壓電材料的制備方法，具體包括以下步驟：

將陶瓷材料采用直流電壓進行極化，得到具有抗菌性能的壓電材料。所述極化的溫度為25～120℃；所述極化為常溫極化或高溫極化，所述高溫極化的溫度為40～120℃，常溫極化的溫度為25～35℃。所述極化時間為1～60min。所述直流電壓為0.5kV～5kV。所述極化采用銅片作為電極。

所述具有抗菌性能的壓電材料用于醫(yī)用抗菌材料和/或醫(yī)用植入體材料，特別是醫(yī)用抗菌植入體材料。

本發(fā)明的目的是利用鈮酸鉀鈉等壓電陶瓷材料自身具有的壓電性，即在受到機體機械力的作用時產生電荷，從而達到抗菌的效果以提高植入材料的植入效率。

所述抗菌壓電材料中，以鈮酸鉀鈉陶瓷為例，它是立方相和四方相的轉變，具有中心不對稱結構，引起陶瓷內極化方向不同，產生壓電性。而且它無鉛、穩(wěn)定性好，具有良好的生物相容性和機械性能，可促進蛋白吸附和細胞粘附，是一種良好的植入材料。同時人體內又是一個復雜的電學環(huán)境，是壓電效應的根源所在，壓電效應也在骨的生長、重建和損傷修復中發(fā)揮著重要的作用。因此大力發(fā)展環(huán)境友好型的無鉛壓電陶瓷抗菌材料，具有重大的社會和經(jīng)濟意義。壓電材料在極化之后，材料內部的電疇由之前的雜亂無章的狀態(tài)轉變?yōu)槌囟ǚ较虻臓顟B(tài)，引起材料具有較高的壓電常數(shù)達到較好的抗菌效果。

本發(fā)明的抗菌壓電材料不依據(jù)外界引入的金屬離子、有機抗菌劑等來抗菌，而是依靠壓電陶瓷材料在極化電壓的作用下，具有壓電性，依靠機體的機械壓力而產生電荷，向周圍組織產生電信號，也不需要外電源，是良好的電活性材料。

本發(fā)明具有以下突出優(yōu)點：

(1)本發(fā)明的具有抗菌性能的壓電材料工藝簡單、穩(wěn)定性好、機械性能高、不含鉛無污染及生物相容性良好；

(2)本發(fā)明的具有抗菌性能的壓電材料在受到機體機械力的作用時產生電勢，無需外界電源就可以達到長效抗菌的效果；

(3)本發(fā)明的具有抗菌性能的壓電材料的制備方法操作簡單，而且依靠上下銅片作為電極，不引入金屬其他的雜質，無污染；

(4)本發(fā)明的具有抗菌性能的壓電材料在不同的極化條件下產生的殺菌效果不一樣，極化條件的調節(jié)便捷、易達到。

附圖說明

圖1為實施例1～6所制備的壓電材料的抗菌性能的抗菌率柱狀圖，壓電材料的壓電常數(shù)都為正值。

具體實施方式

下面結合具體實施例對本發(fā)明以及本發(fā)明達到的抗菌效果作進一步地具體詳細描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此，對于未特別注明的工藝參數(shù)，可參照常規(guī)技術進行。

實施例1

一種壓電材料:未極化處理鈮酸鉀鈉陶瓷的壓電常數(shù)為0pC/N。

實施例2

一種具有抗菌性能的壓電材料的制備方法，包括以下步驟：

將鈮酸鉀鈉陶瓷材料(直徑為10mm，厚度為3mm)在120℃油浴中采用直流電壓進行極化，得到具有抗菌性能的壓電材料；所述直流極化電壓0.75kV/cm，極化時間為5min，上下銅片為極化的電極。根據(jù)極化方向的不同，所述壓電材料的壓電常數(shù)約為+10pC/N，-10pC/N。

實施例3

一種具有抗菌性能的壓電材料的制備方法，包括以下步驟：

將鈮酸鉀鈉陶瓷材料在120℃油浴中采用直流電壓進行極化，得到具有抗菌性能的壓電材料；所述直流極化電壓為1.0kV/cm，極化時間為5min，上下銅片為極化的電極。根據(jù)極化方向的不同，所述壓電材料的壓電常數(shù)約為+30pC/N，-30pC/N。

實施例4

一種具有抗菌性能的壓電材料的制備方法，包括以下步驟：

將鈮酸鉀鈉陶瓷材料在120℃油浴中采用直流電壓進行極化，得到具有抗菌性能的壓電材料；所述直流極化電壓分別為1.25kV/cm，極化時間為30min，上下銅片為極化的電極。根據(jù)極化方向的不同，所述壓電材料的壓電常數(shù)約為+50pC/N，-50pC/N。

實施例5

一種具有抗菌性能的壓電材料的制備方法，包括以下步驟：

將鈮酸鉀鈉陶瓷材料在120℃采用直流電壓進行極化，得到具有抗菌性能的壓電材料；所述直流極化電壓為1.5kV/cm，極化時間為10min，上下銅片為極化的電極。根據(jù)極化方向的不同，所述壓電材料的壓電常數(shù)約為+70pC/N，-70pC/N。

實施例6

一種具有抗菌性能的壓電材料的制備方法，包括以下步驟：

將鈮酸鉀鈉陶瓷材料在120℃采用直流電壓進行極化，得到具有抗菌性能的壓電材料；所述直流極化電壓為2.0kV/cm，極化時間為5min，上下銅片為極化的電極。根據(jù)極化方向的不同，所述壓電材料的壓電常數(shù)約為+90pC/N，-90pC/N。

實施例7

一種具有抗菌性能的壓電材料的制備方法，包括以下步驟：

將鈮酸鉀鈉陶瓷材料(直徑為10mm，厚度為3mm)在30℃采用直流電壓進行極化，得到具有抗菌性能的壓電材料；所述直流極化電壓為1.0kV/cm，極化時間為5min，上下銅片為極化的電極。根據(jù)極化方向的不同，所述壓電材料的壓電常數(shù)約為+10pC/N，-10pC/N。

實施例8

一種具有抗菌性能的壓電材料的制備方法，包括以下步驟：

將鈮酸鉀鈉陶瓷材料在90℃采用直流電壓進行極化，得到具有抗菌性能的壓電材料；所述直流極化電壓為2.0kV/cm，極化時間為5min，上下銅片為極化的電極。根據(jù)極化方向的不同，所述壓電材料的壓電常數(shù)約為+60pC/N，-60pC/N。

實施例9抗菌效果測試

同時為了驗證本發(fā)明達到的抗菌效果，具體的抗菌實驗方案如下：

步驟一，液體培養(yǎng)基的配置

采用的是高鹽配方，由包含以下組分制成的：去離子水，胰蛋白胨(tryptone)，氯化物(NaCl)，酵母提取物(yeast extract)；

步驟二，細菌的傳代

采用菌細菌和液體培養(yǎng)基共混培養(yǎng)，以完全相同的條件傳代兩次；

步驟三，固體培養(yǎng)基的配置

由包含以下組分制成的：去離子水，瓊脂；

步驟四，倒板

將步驟三中高溫滅菌的固體培養(yǎng)基倒入培養(yǎng)皿中冷卻成型待用；

步驟五，材料與細菌共培養(yǎng)

(1)梯度稀釋成原菌液濃度的1/2，1/4，1/8，1/16，1/32五種菌液；

(2)以OD值＝0.1為標準計算實驗中合適的菌液濃度并配置；

(3)將(2)中得到的菌液加入到放有壓電材料(實施例1～6所制備的壓電材料)的孔板中共培養(yǎng)；

步驟六，涂板

將步驟五(4)中得到的菌液利用涂布棒均勻的涂在步驟四中冷卻成型的培養(yǎng)基表面后放于恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)；

步驟七，菌落計數(shù)

經(jīng)過培養(yǎng)，由每個單細胞生長繁殖而形成肉眼可見的菌落，統(tǒng)計菌落數(shù)，根據(jù)其稀釋倍數(shù)和取樣接種量即可換算出樣品中的含菌數(shù)。

所述的抗菌實驗的方法，步驟一中液體培養(yǎng)基的組成成分去離子水：胰蛋白胨：氯化物：酵母提取物的比值為200：2：2：1；液體培養(yǎng)基滅菌時間2h，滅菌溫度為120℃。

所述的抗菌實驗的方法，步驟二中需要傳代兩次，第一次細菌傳代以原菌液：液體培養(yǎng)基＝1：100復蘇細菌放于37℃搖床中培養(yǎng)8-10個小時，然后再以同樣的方法對第一次復蘇的細菌進行第二次傳代培養(yǎng)。

所述的抗菌實驗的方法，步驟三中固體培養(yǎng)基組分瓊脂：去離子水的比值為4：125～4.25：125；固體培養(yǎng)基滅菌時間2h，滅菌溫度為120℃。

所述的抗菌實驗的方法，步驟四中固體培養(yǎng)基的倒板溫度為60℃-85℃，固體培養(yǎng)基的高度是培養(yǎng)皿高度的1/2-2/3。

所述的抗菌實驗的方法，步驟五中(1)從最小濃度依次取1/32，1/16，1/8,1/4,1/2濃度的菌液，放入孔板的5個孔中，留有一個空白孔之后測6個孔的OD值，以OD值為0.1為標準，選出兩個OD值接近0.1的孔對應的濃度，可求得所需要的菌液的濃度；步驟(3)中菌液和材料在37℃培養(yǎng)箱中共培養(yǎng)8h，12h或者24h。

所述的抗菌實驗的方法，步驟六中涂板所需要的菌液濃度是步驟五中(3)中稀釋的倍數(shù)一般為100倍，1000倍，10000倍，100000倍，1000000倍，10000000倍。

所述的抗菌實驗的方法，步驟七中選菌落數(shù)在30-300之間的培養(yǎng)皿進行菌落計數(shù)，然后對比各個材料菌落數(shù)，說明材料的抗菌性能。實施例1～6所制備的壓電材料的抗菌性能測試結果如圖1所示。

本發(fā)明的上述實施例僅是為清楚地說明本發(fā)明所舉的實例，而并非是對本發(fā)明的實施方式的限定，在該領域上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動，在此不一一贅述。凡在本發(fā)明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明權利要求的保護范圍之內。