CN104593761A - 具有生物安全性的医用不锈钢表面抗菌钝化液及钝化工艺 - Google Patents

Abstract

具有生物安全性的医用不锈钢表面抗菌钝化液及钝化工艺。本发明的目的在于提供一种既能保证医用不锈钢的耐蚀性能，又能够使不锈钢具有抗菌功能的表面抗菌钝化液以及钝化工艺，其特征在于：所述钝化液是以柠檬酸、双氧水、乙醇、无水硫酸铜和去离子水为原料混合而成，该钝化液对环境友好，能够带来一种具有生物安全性的环境友好型抗菌钝化工艺，且操作过程无须佩戴防毒口罩，达到了绿色环保的目的。

Description

具有生物安全性的医用不锈钢表面抗菌钝化液及钝化工艺

技术领域

本发明属于医用不锈钢材料表面处理技术领域，特别提供一种具有生物安全性的医用不锈钢表面抗菌钝化液及钝化处理工艺，该钝化工艺使得医用不锈钢材料在保持表面钝化原有耐蚀性的前提下具有很强的杀菌抑菌功能，可广泛应用于医用不锈钢材料领域

背景技术

医用不锈钢与工业结构用不锈钢相比，由于其使用环境较为苛刻，要求其在人体内保持优良的耐腐蚀性，避免晶间腐蚀、应力腐蚀等局部腐蚀现象发生，防止造成植入器件失效断裂，保证植入器械的安全性，因此对其材料的耐蚀性有着严格要求，常用牌号有316L和317L不锈钢。

医用不锈钢由于其使用环境，要求具有一定的强度来满足其组织支撑要求，而不锈钢在固溶状态下的强度和硬度值均偏低，因此一般均通过冷加工变形增加组织位错密度，进而提高其强度和硬度来满足实际使用要求，但是这种冷加工状态的不锈钢增加了医用不锈钢应力腐蚀的敏感性。研究认为，不锈钢的耐蚀性能主要来自其表面钝化膜中Cr的氧化物和氢氧化物的保护作用。因此现有医用不锈钢一般均需要进行表面钝化以提高其耐蚀能力。传统的钝化方法是采用硝酸、铬酸等强酸钝化，然而这种钝化方法虽然能大幅提高金属材料的耐蚀性能，但钝化液本身是对人体有害且污染环境的，且钝化后的不锈钢并不具有杀菌灭菌功能，并不能解决外科植入医疗器械使用过程存在的细菌感染问题，植入物时间越久，腐蚀程度越严重，腐蚀可能会对不锈钢力学性能和生物相容性产生强烈的影响，不仅会影响到材料或器件的使用寿命，还会由于金属溶出物引起种植体周围组织的局部坏死和炎症反应，造成发炎、过敏和致癌等全身反应，影响宿主的健康。

外科植入医疗器械引发的细菌感染已经成为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。

对医用不锈钢的表面钝化处理，目前，仍然没有一种能同时满足耐蚀性、环保和抗菌性能要求的表面钝化工艺。因此，拟申请新工艺的提出将在很大程度上解决现有矛盾，对社会进步和经济发展起到一定的积极作用。

发明内容

为弥补上述传统钝化方法的不足，本发明提供了一种既能保证医用不锈钢的耐蚀性能，又能够使不锈钢具有抗菌功能的表面抗菌钝化液以及钝化工艺，该钝化液对环境友好，因此形成了一种具有生物安全性的环境友好型抗菌钝化工艺，操作过程无须佩戴防毒口罩，从而解决了现有技术中的不足和缺陷，达到了绿色环保的目的。

本发明具体提供了一种具有生物安全性的医用不锈钢表面抗菌钝化液，其特征在于：所述钝化液是以柠檬酸、双氧水、乙醇、无水硫酸铜和去离子水为原料混合而成。

其中，各种原材料的配比按重量百分比计为：

优选配比为：

最优配比为：

本发明所述钝化液具有无毒、无环境污染、无致癌的化学成份等特点，利用该钝化液对不锈钢产品的表面进行钝化处理时，不用进行酸洗活化，即可形成耐腐蚀性极强的钝化膜并兼具发挥抗菌功能。

在本发明的具有生物安全性的医用不锈钢表面抗菌钝化液的成分设计部分，无水硫酸铜是钝化液中最重要的化学试剂，其在钝化液当中可以同柠檬酸试剂发生反应，柠檬酸中的三个羧基与一个铜离子形成配位键，铜离子位于中心位置，生成具有环状结构的络合物，得到柠檬酸铜Cu₃(C₆H₅O₇)₂和氢气，对形成钝化膜的医用不锈钢具有抗菌性的作用，因此本发明中无水硫酸铜的加入使得医用不锈钢的耐蚀性和抗菌性达到了平衡。

本发明所述钝化液中含有柠檬酸，由于其物理性能、化学性能、衍生物的性能优异，柠檬酸被广泛应用于食品、医疗设备、日化等行业中最重要的有机酸。对操作人员来说，柠檬酸不需要特殊的操作设备或安全装置，同时溶液系统也不会腐蚀其他设备。另外，柠檬酸能去除有害的铁和铁的氧化物，而不会去除很多的铬等其他重金属，可减少废物处理的费用。

本发明所述钝化液中还含有过氧化氢，俗称双氧水，其具有很强的氧化性及弱酸性，一般作为强氧化剂使用，过氧化氢的加入，可以将柠檬酸选择性溶解后的不锈钢表面上富集的铬元素进行氧化，最终表面形成致密的钝化膜。

本发明所述具有生物安全性的医用不锈钢表面抗菌钝化液的制备方法为：首先在反应容器中加入去离子水，之后依次将乙醇，柠檬酸和双氧水加入到反应容器中，每次加入新试剂之前都要将前一种化学试剂完全溶解，然后进行充分搅拌，最后将无水硫酸铜粉末加入到配置好的钝化液当中，使用超声波清洗器震荡10±2分钟，在室温和常压下混合，钝化液制备完成。

本发明还提供了一种具有生物安全性的医用不锈钢表面抗菌钝化工艺，其特征在于：在对医用不锈钢材料进行机械磨抛、除油后进行抗菌钝化处理，钝化处理温度设定为40～80℃，钝化时间为1～3h，最后水洗烘干，完成全部钝化工艺流程；其中钝化处理中所用钝化液中各种原材料的配比按重量百分比计为：

本发明所述具有生物安全性的医用不锈钢表面抗菌钝化液可用于对医疗工具和骨科、口腔科、心血管介入治疗等各类植入物用不锈钢器械的抗菌钝化处理。优选的不锈钢为316L和304医用不锈钢。

本发明的有益效果是：

1、本发明采用柠檬酸、过氧化氢和无水硫酸铜作为钝化液的主体成分，它不含铬酸、硝酸等稀有金属的有机酸及有机磷酸，利用本发明制作的钝化液进行材料的钝化处理，无毒、无环境污染、无致癌的化学成份，操作过程无须佩戴防毒口罩，达到了绿色环保的目的。

2、本发明中的医用不锈钢在钝化处理后表现出耐蚀性优异的特点，同时使不锈钢材料具有一定的抗菌功能，从而解决了现有技术中的不足和缺陷。

具体实施方式

根据本发明钝化参数和钝化液的所设定的化学成分范围，本实施例针对医用不锈钢的抗菌钝化处理工艺见表1。实施例和对比例均采用316L不锈钢作为实验材料。

表1 实施例和对比例的钝化参数以及钝化液成分

1.体外抗菌性能检测

根据“JIS Z 2801-2000《抗菌加工制品－抗菌性试验方法和抗菌效果》、GB/T2591-2003《抗菌塑料抗菌性能实验方法和抗菌效果》”等相关标准规定，定量测试了表1所示钝化方法处理后的医用不锈钢对常见感染菌(大肠杆菌、金黄色葡萄球菌)作用后的杀菌率。体外抗菌性能检测结果见表2，其中杀菌率的计算公式为：杀菌率(％)＝[(对照样品活菌数-抗菌钝化处理不锈钢活菌数)/对照样品活菌数]×100％，对照样品活菌数是一般钝化处理不锈钢样品上进行细菌培养后的活菌数，抗菌钝化处理不锈钢活菌数是指抗菌钝化处理不锈钢上进行细菌培养后的活菌数。

2.体内抗细菌感染性能检测

将对比例不锈钢螺钉和实施例不锈钢螺钉分别植入兔子的胫骨内，并将每组中2只兔子人为地感染大肠杆菌，另外2只感染金黄色葡萄球菌。

手术过程如下：按照60mg/kg动物体重的比例，在动物皮下注射氯胺酮与甲苯噻嗪；然后按照0.1mg/kg动物体重的比例，在动物皮下注射阿托品进行麻醉。手术在严格的无菌环境下进行。动物股骨严格消毒后，手术中暴露股骨干骺端，用直径为3mm的钻头，在股骨上钻深度为10mm的圆孔。随后，分别植入在菌液(浓度为1×10⁶CFU/mL)中浸泡8h的对比例不锈钢螺钉和实施例不锈钢螺钉。

逐层缝合，术后动物活动不受限，标准抗疼痛治疗3天。在5天和14天分别处死动物后取材，进行细菌学与组织学检测。螺钉取出后，钉孔取拭子，在固体培养基中37℃培养24h，细菌计数。检测结果见表2。

3.耐腐蚀性能

根据不锈钢点蚀电位测量方法(国家标准：GB/T 17899-1999)对本发明实施例及对比例医用不锈钢进行阳极极化曲线测试，测试结果见表2。

4.生物安全性评价

根据国标GBT16886.5-2003医疗器械生物学评价，对实施例和对比例医用不锈钢对L929(小鼠成纤维细胞)在1-7天的细胞毒性进行了评价，结果见表2。

表2 实施例、对比例抗菌不锈钢的性能测试具体实验结果

从表2的结果可以看出，本发明实施例1-5抗菌钝化处理后的医用不锈钢无论是体外还是动物体内测试均表现出优异的抗菌性能，同时还满足了植入医疗器械对耐蚀性能以及生物安全性能的要求。钝化液中的柠檬酸、双氧水以及无水硫酸铜三种试剂的加入，使本发明所采用的医用不锈钢大幅度提高自身耐蚀性能的同时，发挥了抗细菌感染的功能，并在钝化后仍具有生物安全性能的关键所在。

无水硫酸铜的添加是使得钝化后的医用不锈钢具有一定抗菌功能的主要因素，未添加无水硫酸铜的钝化液，可满足材料的耐蚀性要求，但不能满足抗菌功能的指标(如对比例1)。无水硫酸铜的含量过高，虽然可以保证抗菌性能，但通过生物安全性的检测可以明显发现抗菌钝化后的不锈钢对细胞毒性级别的提高(如对比例2)。如果无水硫酸铜的含量过低，则抗菌钝化处理后的不锈钢就不具备强效的抗菌功能(如对比例3)。

钝化参数的变化，涉及到钝化速度的改变，进而对不锈钢表面钝化膜的致密性产生影响，钝化温度比较低的时候，无法在有限的时间内形成耐蚀性良好的钝化膜，致使耐蚀性能较差，且抗菌性能也有所降低(如对比例4)。钝化温度过高，对于材料耐蚀性能的提高并没有有益用处(如对比例5)。

保持钝化处理温度不变，缩短钝化处理时间，耐蚀性能无法满足医用的材料要求，且杀菌率有降低趋势(如对比例6)。延长钝化处理时间，对于材料耐蚀性能的提高并没有有益作用，抗菌性能也无明显变化，但仍可保持耐蚀性能满足植入材料的要求(如对比例7)。

通过以上分析可知，只有当钝化时间、温度和无水硫酸铜的含量达到一个平衡范围，它们之间相互配合，才能使得抗菌钝化后的医用不锈钢具备强耐蚀性的同时，又具备一定的抗细菌感染功能，使两者达到有效平衡，同时具有优异的生物安全性能。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种具有生物安全性的医用不锈钢表面抗菌钝化液，其特征在于：所述钝化液是以柠檬酸、双氧水、乙醇、无水硫酸铜和去离子水为原料混合而成。

2.按照权利要求1所述具有生物安全性的医用不锈钢表面抗菌钝化液，其特征在于，各种原材料的配比按重量百分比计为：

3.按照权利要求1所述具有生物安全性的医用不锈钢表面抗菌钝化液，其特征在于，各种原材料的配比按重量百分比计为：

4.按照权利要求1各种原材料的配比按重量百分比计为：

5.一种权利要求1～4任一所述具有生物安全性的医用不锈钢表面抗菌钝化液的制备方法，其特征在于：首先在反应容器中加入去离子水，之后依次将乙醇，柠檬酸和双氧水加入到反应容器中，每次加入新试剂之前都要将前一种化学试剂完全溶解，然后进行充分搅拌，最后将无水硫酸铜粉末加入到配置好的钝化液当中，使用超声波清洗器震荡10±2分钟，在室温和常压下混合，钝化液制备完成。

6.一种具有生物安全性的医用不锈钢表面抗菌钝化工艺，其特征在于：在对医用不锈钢材料进行机械磨抛、除油后进行抗菌钝化处理，钝化处理温度设定为40～80℃，钝化时间为1～3h，最后水洗烘干，完成全部钝化工艺流程；其中钝化处理中所用钝化液中各种原材料的配比按重量百分比计

7.一种权利要求1～4任一所述具有生物安全性的医用不锈钢表面抗菌钝化液的应用，其特征在于：该钝化液用于对医疗工具和植入物用不锈钢器械的抗菌钝化处理。

8.按照权利要求7所述应用，其特征在于：所述不锈钢为316L，304医用不锈钢。