本发明属于医用抗菌材料技术领域，特别涉及一种具有抗菌性能的压电陶瓷材料及其制备方法与应用。
背景技术：
目前，在临床上医用植入材料用于修复骨缺损、皮肤伤口、牙损伤等有广泛的应用，但是在植入过程中以及植入之后往往会产生被感染的现象尤其是微生物细菌，如大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等的感染，这常常造成机体组织病变，给患者带来二次痛苦，严重威胁着人类的身心健康。因此制备医用抗菌材料则是解决临床植入感染问题的一个关键。现在大多数抗菌材料都是利用材料中或材料表面金属离子的溶出来抗菌，比如载银、载铜，抗菌效果很好，而且载入的这些金属离子对人体多多少少都会有一定的危害，而且制备不易。
针对金属离子抗菌所存在的缺点，近年来研究依靠材料自身抗菌受到越来越多的关注。
技术实现要素：
为了克服上述现有的技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种具有抗菌性能的压电材料。本发明主要在于利用稳定性好、力学强度高及环保无害的材料本体的压电性达到抗菌性强的效果。
本发明的另一目的在于提供由上述具有抗菌性能的压电材料的制备方法。
本发明的再一目的在于提供上述具有抗菌性能的压电材料的应用。所述具有抗菌性能的压电材料用于医用抗菌材料和/或医用植入体材料，特别是医用抗菌植入体材料。
本发明的目的通过以下技术手段实现：
一种具有抗菌性能的压电材料是将陶瓷材料进行极化得到。
所述陶瓷材料为压电陶瓷材料。
所述陶瓷材料优选为铌酸钾钠、铌酸锂钠、铌酸锂钠钾类陶瓷或钛酸钡中一种以上。
所述具有抗菌性能的压电材料的压电常数为5pC/N～150pC/N，优选为10pC/N～100pC/N；根据极化的方向，压电常数为正值或负值，即+5pC/N～+150pC/N，-5pC/N～-150pC/N，优选为+10pC/N～+100pC/N，-10pC/N～-100pC/N。
所述具有抗菌性能的压电材料的制备方法，具体包括以下步骤：
将陶瓷材料采用直流电压进行极化，得到具有抗菌性能的压电材料。所述极化的温度为25～120℃；所述极化为常温极化或高温极化，所述高温极化的温度为40～120℃，常温极化的温度为25～35℃。所述极化时间为1～60min。所述直流电压为0.5kV～5kV。所述极化采用铜片作为电极。
所述具有抗菌性能的压电材料用于医用抗菌材料和/或医用植入体材料，特别是医用抗菌植入体材料。
本发明的目的是利用铌酸钾钠等压电陶瓷材料自身具有的压电性，即在受到机体机械力的作用时产生电荷，从而达到抗菌的效果以提高植入材料的植入效率。
所述抗菌压电材料中，以铌酸钾钠陶瓷为例，它是立方相和四方相的转变，具有中心不对称结构，引起陶瓷内极化方向不同，产生压电性。而且它无铅、稳定性好，具有良好的生物相容性和机械性能，可促进蛋白吸附和细胞粘附，是一种良好的植入材料。同时人体内又是一个复杂的电学环境，是压电效应的根源所在，压电效应也在骨的生长、重建和损伤修复中发挥着重要的作用。因此大力发展环境友好型的无铅压电陶瓷抗菌材料，具有重大的社会和经济意义。压电材料在极化之后，材料内部的电畴由之前的杂乱无章的状态转变为朝着特定方向的状态，引起材料具有较高的压电常数达到较好的抗菌效果。
本发明的抗菌压电材料不依据外界引入的金属离子、有机抗菌剂等来抗菌，而是依靠压电陶瓷材料在极化电压的作用下，具有压电性，依靠机体的机械压力而产生电荷，向周围组织产生电信号，也不需要外电源，是良好的电活性材料。
本发明具有以下突出优点：
(1)本发明的具有抗菌性能的压电材料工艺简单、稳定性好、机械性能高、不含铅无污染及生物相容性良好；
(2)本发明的具有抗菌性能的压电材料在受到机体机械力的作用时产生电势，无需外界电源就可以达到长效抗菌的效果；
(3)本发明的具有抗菌性能的压电材料的制备方法操作简单，而且依靠上下铜片作为电极，不引入金属其他的杂质，无污染；
(4)本发明的具有抗菌性能的压电材料在不同的极化条件下产生的杀菌效果不一样，极化条件的调节便捷、易达到。
附图说明
图1为实施例1～6所制备的压电材料的抗菌性能的抗菌率柱状图，压电材料的压电常数都为正值。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明以及本发明达到的抗菌效果作进一步地具体详细描述，但本发明的实施方式不限于此，对于未特别注明的工艺参数，可参照常规技术进行。
实施例1
一种压电材料:未极化处理铌酸钾钠陶瓷的压电常数为0pC/N。
实施例2
一种具有抗菌性能的压电材料的制备方法，包括以下步骤：
将铌酸钾钠陶瓷材料(直径为10mm，厚度为3mm)在120℃油浴中采用直流电压进行极化，得到具有抗菌性能的压电材料；所述直流极化电压0.75kV/cm，极化时间为5min，上下铜片为极化的电极。根据极化方向的不同，所述压电材料的压电常数约为+10pC/N，-10pC/N。
实施例3
一种具有抗菌性能的压电材料的制备方法，包括以下步骤：
将铌酸钾钠陶瓷材料在120℃油浴中采用直流电压进行极化，得到具有抗菌性能的压电材料；所述直流极化电压为1.0kV/cm，极化时间为5min，上下铜片为极化的电极。根据极化方向的不同，所述压电材料的压电常数约为+30pC/N，-30pC/N。
实施例4
一种具有抗菌性能的压电材料的制备方法，包括以下步骤：
将铌酸钾钠陶瓷材料在120℃油浴中采用直流电压进行极化，得到具有抗菌性能的压电材料；所述直流极化电压分别为1.25kV/cm，极化时间为30min，上下铜片为极化的电极。根据极化方向的不同，所述压电材料的压电常数约为+50pC/N，-50pC/N。
实施例5
一种具有抗菌性能的压电材料的制备方法，包括以下步骤：
将铌酸钾钠陶瓷材料在120℃采用直流电压进行极化，得到具有抗菌性能的压电材料；所述直流极化电压为1.5kV/cm，极化时间为10min，上下铜片为极化的电极。根据极化方向的不同，所述压电材料的压电常数约为+70pC/N，-70pC/N。
实施例6
一种具有抗菌性能的压电材料的制备方法，包括以下步骤：
将铌酸钾钠陶瓷材料在120℃采用直流电压进行极化，得到具有抗菌性能的压电材料；所述直流极化电压为2.0kV/cm，极化时间为5min，上下铜片为极化的电极。根据极化方向的不同，所述压电材料的压电常数约为+90pC/N，-90pC/N。
实施例7
一种具有抗菌性能的压电材料的制备方法，包括以下步骤：
将铌酸钾钠陶瓷材料(直径为10mm，厚度为3mm)在30℃采用直流电压进行极化，得到具有抗菌性能的压电材料；所述直流极化电压为1.0kV/cm，极化时间为5min，上下铜片为极化的电极。根据极化方向的不同，所述压电材料的压电常数约为+10pC/N，-10pC/N。
实施例8
一种具有抗菌性能的压电材料的制备方法，包括以下步骤：
将铌酸钾钠陶瓷材料在90℃采用直流电压进行极化，得到具有抗菌性能的压电材料；所述直流极化电压为2.0kV/cm，极化时间为5min，上下铜片为极化的电极。根据极化方向的不同，所述压电材料的压电常数约为+60pC/N，-60pC/N。
实施例9抗菌效果测试
同时为了验证本发明达到的抗菌效果，具体的抗菌实验方案如下：
步骤一，液体培养基的配置
采用的是高盐配方，由包含以下组分制成的：去离子水，胰蛋白胨(tryptone)，氯化物(NaCl)，酵母提取物(yeast extract)；
步骤二，细菌的传代
采用菌细菌和液体培养基共混培养，以完全相同的条件传代两次；
步骤三，固体培养基的配置
由包含以下组分制成的：去离子水，琼脂；
步骤四，倒板
将步骤三中高温灭菌的固体培养基倒入培养皿中冷却成型待用；
步骤五，材料与细菌共培养
(1)梯度稀释成原菌液浓度的1/2，1/4，1/8，1/16，1/32五种菌液；
(2)以OD值＝0.1为标准计算实验中合适的菌液浓度并配置；
(3)将(2)中得到的菌液加入到放有压电材料(实施例1～6所制备的压电材料)的孔板中共培养；
步骤六，涂板
将步骤五(4)中得到的菌液利用涂布棒均匀的涂在步骤四中冷却成型的培养基表面后放于恒温培养箱中培养；
步骤七，菌落计数
经过培养，由每个单细胞生长繁殖而形成肉眼可见的菌落，统计菌落数，根据其稀释倍数和取样接种量即可换算出样品中的含菌数。
所述的抗菌实验的方法，步骤一中液体培养基的组成成分去离子水：胰蛋白胨：氯化物：酵母提取物的比值为200：2：2：1；液体培养基灭菌时间2h，灭菌温度为120℃。
所述的抗菌实验的方法，步骤二中需要传代两次，第一次细菌传代以原菌液：液体培养基＝1：100复苏细菌放于37℃摇床中培养8-10个小时，然后再以同样的方法对第一次复苏的细菌进行第二次传代培养。
所述的抗菌实验的方法，步骤三中固体培养基组分琼脂：去离子水的比值为4：125～4.25：125；固体培养基灭菌时间2h，灭菌温度为120℃。
所述的抗菌实验的方法，步骤四中固体培养基的倒板温度为60℃-85℃，固体培养基的高度是培养皿高度的1/2-2/3。
所述的抗菌实验的方法，步骤五中(1)从最小浓度依次取1/32，1/16，1/8,1/4,1/2浓度的菌液，放入孔板的5个孔中，留有一个空白孔之后测6个孔的OD值，以OD值为0.1为标准，选出两个OD值接近0.1的孔对应的浓度，可求得所需要的菌液的浓度；步骤(3)中菌液和材料在37℃培养箱中共培养8h，12h或者24h。
所述的抗菌实验的方法，步骤六中涂板所需要的菌液浓度是步骤五中(3)中稀释的倍数一般为100倍，1000倍，10000倍，100000倍，1000000倍，10000000倍。
所述的抗菌实验的方法，步骤七中选菌落数在30-300之间的培养皿进行菌落计数，然后对比各个材料菌落数，说明材料的抗菌性能。实施例1～6所制备的压电材料的抗菌性能测试结果如图1所示。
本发明的上述实施例仅是为清楚地说明本发明所举的实例，而并非是对本发明的实施方式的限定，在该领域上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，在此不一一赘述。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。