CN102234739A

CN102234739A - 抗感染医用不锈钢

Info

Publication number: CN102234739A
Application number: CN201010616638XA
Authority: CN
Inventors: 杨柯; 任玲; 南黎
Original assignee: Institute of Metal Research of CAS
Current assignee: Institute of Metal Research of CAS
Priority date: 2010-04-21
Filing date: 2010-12-30
Publication date: 2011-11-09

Abstract

本发明涉及不锈钢材料领域，具体为一种医用抗感染不锈钢。该不锈钢的化学成分如下(重量％)：C：≤0.08；Si：≤1.00；Mn：≤2.00；Ni：8-16；Cr：16-20；Cu：3.0-5.0；Mo：0-4.0；余量为Fe；钢中杂质元素含量符合医用不锈钢国家标准中的相应要求。该不锈钢经过特殊热处理后，在不锈钢基体中均匀弥散分布有棒状或颗粒状富铜析出相，从而赋予该不锈钢抗细菌感染功能。本发明具有独特的抗细菌感染功能，解决现有技术中医用不锈钢等医疗器械引发的细菌感染等问题，可广泛应用于骨科、口腔科、心血管支架等医学临床领域中使用的各类不锈钢医疗器械。

Description

抗感染医用不锈钢

技术领域

本发明涉及不锈钢材料领域，具体为一种医用抗感染不锈钢，其具有独特的抗细菌感染功能，可广泛应用于骨科、口腔科、心血管支架等医学临床领域中使用的各类不锈钢医疗器械。

背景技术

不锈钢因具有优异的强韧性及抗弯曲疲劳强度、良好的加工性能、成本低廉等优势，广泛应用于人工关节(骻、膝、肩、踝、肘、腕、指关节等)、骨创伤产品(髓内钉、钢板、螺钉等)、脊柱矫形内固定系统等骨科植入物产品，以及口腔正畸产品(托槽、带环、矫治弓丝、支抗用种植体)和心血管支架等介入治疗器械产品等医疗器械。316L、317L、304等是医用不锈钢中的典型代表。

然而，作为常见的术后并发症，有关医用不锈钢等医疗器械引发的细菌感染已经成为21世纪医学领域内亟待解决的重要问题之一。据统计，美国骨科植入物相关感染的年发病率达到4.3％左右。根据世界卫生组织(WHO)颁布的《院内感染防治实用手册》中的有关数据，每天全世界有超过1400万人在遭受院内感染的痛苦，其中60％的细菌感染与使用的医疗器械有关。骨科等术后感染会直接造成患者伤口经久不愈，经常会导致手术失败，甚至导致慢性骨髓炎等并发症，不仅给患者带来了巨大的身心痛苦和沉重的经济负担，也会对医院和社会等造成不同程度的负面影响。因此，研究开发自身具有细菌抗感染功能的新型医用材料，以消除或减少相关医疗器械引发的细菌感染性疾病具有重要的社会经济意义。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种抗感染医用不锈钢，解决现有技术中医用不锈钢等医疗器械引发的细菌感染等问题。

本发明的技术方案是：

一种抗感染医用不锈钢，该不锈钢的化学成分如下(重量％)，C：≤0.08；Si：≤1.00；Mn：≤2.00；Ni：8-16；Cr：16-20；Cu：3.0-5.0；Mo：0-4.0；余量为Fe；钢中杂质元素含量符合医用不锈钢国家标准中的相应要求。

本发明的不锈钢成分设计中，铜(Cu)是钢中最重要的合金元素，这是保证不锈钢抗细菌感染功能的必要条件，也是本发明的主要创新点。本发明中的不锈钢中的含铜量为3.0-5.0重量％，以保证在特殊热处理条件下，富铜相在钢中的均匀弥散析出。当铜含量相对较低时，即使经过特殊热处理，不锈钢基体中亦不能析出富铜相，因而不具备稳定的抗菌性能。当铜含量相对过高时，会导致在高温下不锈钢中析出富铜相，严重影响到不锈钢的热加工性能。此外，过量的富铜相析出亦会降低不锈钢的耐腐蚀性能。

本发明中的Cr、Ni、Mo等其它元素，均为医用奥氏体不锈钢中的常见合金化元素。

本发明还提供了上述抗感染不锈钢的特殊抗菌热处理工艺，抗菌热处理工艺是本发明中很重要的一部分，在1000-1100℃保温0.5-1h，使钢中的铜能充分均匀的固溶于基体中，空冷或水冷至室温后，使钢中的铜处于过饱和状态。然后，在400-900℃保温0.5-6h，过饱和的铜从钢中析出足够量的富铜相，使富铜相均匀弥散分布。在热处理过程中温度与保温时间是两个非常重要的参数。如温度过低，从动力学角度来讲，将不利于富铜相的析出，保温时间过长会使析出相的尺寸明显增大，严重影响不锈钢的抗菌性能和机械性能。

本发明中的抗菌不锈钢按常规方法制备如下：

(1)将合金成分依次加入到真空冶炼炉中进行真空感应冶炼，1400-1500℃精炼10-20分钟后，进行磁力搅拌后浇铸成铸锭；

(2)1000-1150℃、保温1-2小时均匀化退火后，锻造成棒状或者块状试样。

本发明的有益效果是：

1、本发明通过实验研究，在普通医用奥氏体不锈钢中添加3.0-5.0重量％的铜元素，获得了具有广谱抗菌性能和优良抗细菌感染功能的抗感染医用不锈钢新材料。

2、本发明不锈钢经过特殊热处理后，在不锈钢基体中均匀弥散分布有棒状或颗粒状富铜析出相，从而赋予该不锈钢抗细菌感染功能。

3、本发明中的抗感染不锈钢可广泛应用于骨科、口腔科、心血管支架等医学临床领域中使用的各类不锈钢医疗器械。

附图说明：

图1：304-Cu抗感染不锈钢杀灭大肠杆菌的效果照片，左：普通304不锈钢；右：抗感染不锈钢。

图2：317L-Cu1抗感染不锈钢杀灭大肠杆菌的效果照片，左：普通317L不锈钢；右：抗感染不锈钢。

图3：317L-Cu2抗感染不锈钢杀灭大肠杆菌的效果照片，左：普通317L不锈钢；右：抗感染不锈钢。

图4：大肠杆菌生物膜在317L-Cu2抗感染不锈钢、普通317L不锈钢上培养24h后的形貌，(a)普通317L不锈钢；(b)抗感染不锈钢。

图5：普通304不锈钢组和具有304-Cu抗感染不锈钢组植入动物体内7天后的肌肉组织感染情况，1-3：普通304不锈钢组；4-6：抗感染不锈钢组。

图6：普通304不锈钢组和304-Cu抗感染不锈钢组植入动物体内7天后的肌肉组织细菌培养结果，1-3：普通304不锈钢组；4-6：抗感染不锈钢组。

图7：普通317L不锈钢和317L-Cu2抗感染不锈钢螺钉植入动物体内14天后的周围骨组织细菌培养结果，左：普通317L不锈钢：右：抗感染不锈钢。

图8：MG63细胞在不同材料表面培养120h后的形态学观察；其中，A：阴性对照组(DMEM高糖培养基)；B：钛合金阴性对照组(浸提液)；C：普通304不锈钢组(浸提液)；D：304-Cu抗感染不锈钢组(浸提液)；E：阳性对照组(含0.64％苯酚的培养基)。

图9：L929细胞在不同材料表面培养72h后的形态学观察；其中，A：空白对照组(RPMI-1640培养基)；B：纯钛阴性对照组(浸提液)；C：普通304不锈钢组(浸提液)；D：304-Cu抗感染不锈钢组(浸提液)；E：阳性对照组(6.4％苯酚)。

图10：原代滑膜细胞在Ti-6Al-4V钛合金(a-c)、317L-Cu抗感染不锈钢(d-f)和普通317L不锈钢(g-i)表面上培养不同时间(a、d、g为24h，b、e、h为48h，c、f、i为72h)后的扫描电镜形貌照片。

具体实施方式：

本发明中的抗感染不锈钢将应用于骨科、口腔科、心血管支架等医学临床领域中使用的各类不锈钢医疗器械，其不仅具有强烈的体外杀菌作用，体内抗细菌感染作用，还具有良好的生物相容性。

本发明中的抗菌不锈钢按常规方法制备如下：

将如表1所述的通过真空感应炉冶炼而得到的具有不同成分的抗感染不锈钢进行抗菌热处理后，以普通304、317L不锈钢为对照材料，分别进行了以下实验。

上述抗感染不锈钢的热处理工艺为：

在1050℃保温0.5h，使钢中的铜能充分固溶于基体中，水冷至室温后，使钢中的铜处于过饱和状态。然后，在700℃保温6h，过饱和的铜从钢中析出足够量的富铜相，使富铜相均匀弥散分布，最后水冷至室温。

表1抗感染不锈钢化学成分

1、体外抗菌实验

本发明提供了抗感染不锈钢体外抗菌性能的检测方法，按照“JIS Z 2801-2000《抗菌加工制品-抗菌性试验方法和抗菌效果》、GB/T 2591-2003《抗菌塑料抗菌性能实验方法和抗菌效果》”等标准规定，定量测试了表1所示成分的抗感染不锈钢对常见感染菌(大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等)作用后的杀菌率，体外抗菌实验结果见表2，抗菌效果观察见附图1-3。其中，杀菌率的计算公式为：杀菌率(％)＝[(对照样品活菌数-抗感染不锈钢活菌数)/对照样品活菌数]×100，对照样品活菌数是对照样品上进行细菌培养后的活菌数，抗感染不锈钢活菌数是指抗感染不锈钢上进行细菌培养后的活菌数。这些实验结果均显示，抗感染不锈钢对常见感染细菌具有强烈的杀灭作用。

表2体外抗菌实验结果

将大肠杆菌与表1中具有317L-Cu 2成分的抗感染不锈钢及普通317L不锈钢共培养24h，利用扫描电镜(SEM)观察大肠杆菌在这两种不锈钢上的细菌生物膜生长情况。结果表明，抗感染不锈钢能明显抑制细菌生物膜的形成和生长，因而具有抗细菌感染作用。结果见附图4。

2、体内抗细菌感染实验

(1)304-Cu抗感染不锈钢

在中国人民解放军广州军区广州总医院，通过建立动物体内易感染模型，采用表1中具有304-Cu成分的抗感染不锈钢，并与普通304不锈钢进行对比，评价了抗感染不锈钢片植入动物体内的抗感染效果。

将培养金黄色葡萄球菌标准株(ATCC25923)的不锈钢片植入大鼠大腿胫腓骨附近的肌袋中，继续饲养，术后不用药。观察抗感染不锈钢组和普通不锈钢组植入后的动物肌肉组织变化。于术后第1、4、7、14天各组处死3只动物，观察软组织包裹情况。术后第1、4、7、14天处死动物后，用无菌棉签抹拭钢片周围肌肉组织进行细菌培养，然后观察杀菌效果。

手术后第4天开始发现伤口化脓现象，到第14天伤口愈合。发现抗感染不锈钢组和普通304不锈钢组在肌肉未感染时的区别不明显，但在肌肉组织发生感染时，抗感染不锈钢组的感染情况比对照组的感染情况明显要轻，后者出现更明显的化脓现象，见附图5。

对植入钢片周围肌肉组织进行细菌培养，发现抗感染不锈钢组的菌落数明显少于普通不锈钢组，表明其具有良好的抗感染细菌能力，见附图6。

(2)317L-Cu抗感染不锈钢

在中国医科大学第一附属医院骨科，建立动物体内易感染模型，采用表1中具有317L-Cu2成分的抗感染不锈钢，并与普通317L不锈钢进行对比，评价了抗感染不锈钢片植入动物体内的抗感染效果。

在实验新西兰兔后腿的胫骨近端分别植入抗感染不锈钢和普通不锈钢骨螺钉，继续饲养，术后不用药。14天处死动物后，用无菌棉签抹拭螺钉周围骨组织进行细菌培养，然后观察杀菌效果。

对植入螺钉周围骨组织进行细菌培养后发现，抗感染不锈钢螺钉的细菌菌落几乎为零，而普通不锈钢螺钉周围组织培养出明显的细菌菌落，表明317L-Cu抗感染不锈钢具有明显的抗感染细菌能力，见附图7。

3、生物相容性评价

(1)304-Cu抗感染不锈钢

将表1中具有304-Cu成分的抗感染不锈钢以及普通304不锈钢、纯钛等分别与L929细胞、MG63细胞共培养，考察抗感染不锈钢的生物相容性。结果表明，304-Cu抗感染不锈钢与具有良好生物相容性的普通304不锈钢和纯钛无明显差别，细胞毒性评级为0-1级，具有良好的细胞相容性，符合人体植入材料对体外细胞毒性的要求。实验结果见附图8-9。

(2)317L-Cu抗感染不锈钢

将表1中具有317L-Cu2成分的抗感染不锈钢和普通317L不锈钢、Ti-6Al-4V钛合金分别与原代滑膜细胞共培养24、48、72h，利用SEM观察细胞形态，从而考察抗感染不锈钢的生物相容性。结果表明，原代滑膜细胞在317L-Cu抗感染不锈钢上生长良好，与另外两种医用金属无明显差别，具有良好的生物相容性。具体评价结果见附图10。

Claims

1.一种抗感染医用不锈钢，其特征在于：按重量百分比计，该不锈钢的化学成分如下，C：≤0.08；Si：≤1.00；Mn：≤2.00；Ni：8-16；Cr：16-20；Cu：3.0-5.0；Mo：0-4.0；余量为Fe；钢中杂质元素含量符合医用不锈钢国家标准中的相应要求。

2.按照权利要求1所述的抗感染医用不锈钢，其特征在于：该不锈钢的热处理方法为，在1000-1100℃保温0.5-1h，使钢中的铜能充分固溶于基体中，空冷或水冷至室温后，使钢中的铜处于过饱和状态；然后，在400-900℃保温0.5-6h，过饱和的铜从钢中析出足够量的富铜相，使富铜相均匀弥散分布；最后，空冷或水冷至室温。