CN108728763B - 一种医用外科手术用沉淀硬化马氏体抗菌不锈钢 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种医用外科手术用沉淀硬化马氏体抗菌不锈钢，该不锈钢的化学成分如下(重量％)：C：≤0.03；Si：≤1.00；Mn：≤1.00；P：≤0.040；S：≤0.030；Ni：3.0‑5.0；Cr：16.0‑18.0；Cu：3.0‑5.0；Ga：0.50‑1.50；N：0.05‑0.15，Nb：0.15‑0.45；余量为Fe；该不锈钢经过特殊热处理后，在不锈钢基体中能弥散析出复合抗菌相(富铜相和富镓相)，富镓相的存在能够有效抑制由于不锈钢中铁元素的溶出对细菌细胞代谢能力的促进作用，同时富镓相更易于溶出微量镓离子，它与铜离子一起，使不锈钢具有更强的抗菌功能。本发明不锈钢解决了现有外科手术中由于使用不锈钢工具引发的细菌感染问题，可广泛应用于外科手术中的手术刀、手术剪、手术镊、肠钳、刮匙等医学临床领域中使用的各类不锈钢器械。

Description

一种医用外科手术用沉淀硬化马氏体抗菌不锈钢
技术领域
本发明涉及不锈钢材料领域，具体为一种医用外科手术用沉淀硬化马氏体不锈钢。该不锈钢具有更强的抗菌功能，可广泛应用于医学临床领域中外科手术使用的各类不锈钢器械。
背景技术
外科手术器械通常采用不锈钢制造，马氏体不锈钢由于其优良的强韧性在手术器械材料的选择上占据明显优势。沉淀硬化型马氏体不锈钢因具有良好的力学性能而得到广泛应用，如外科用刀(手术刀片、皮片刀、剃毛刀、修脚刀)、外科用剪(手术剪、组织剪、解剖剪)、外科用钳(止血钳、组织钳、创夹缝钳)、外科用镊夹(小血管镊、组织镊、持针镊、止血夹)、外科用针(动脉瘤针、探针、推毛针)、外科用钩(静脉拉钩、创口钩、扁平拉钩皮肤拉钩、解剖钩)等外科手术用器械。0Cr15Ni5Cu4Nb、0Cr17Ni4Cu4Nb(17-4PH)、0Cr17Ni7Al(17-7PH)等是此类沉淀硬化马氏体不锈钢中的典型代表。
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。现有含铜抗菌不锈钢一般是利用不锈钢与介质溶液环境接触过程中释放的微量铜离子参与细菌杀灭过程，能够有效地抑制细菌增殖，降低其所带来的感染风险。众所周知，外科手术器械尤其是骨科类外科手术器械通常采用沉淀硬化马氏体不锈钢材质制造，如果采用现有含铜沉淀硬化马氏体抗菌不锈钢来制作，理论上可有效降低细菌增殖带来的细菌感染的风险，但在实际应用中，仍存在以下不足：含铜沉淀硬化马氏体抗菌不锈钢对于细菌浓度较高的细菌的抑制作用有限，现有抗菌实验依据“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》”等相关标准规定，开发的抗菌不锈钢都是以细菌浓度最高为105CFU/mL为目标开发的，对于细菌浓度更高的条件，含铜抗菌不锈钢的抗菌效果显著降低。更为关键的是，不锈钢材料均是以铁元素为基本元素的金属合金，当不锈钢材料与溶液介质环境接触时，释放的铁离子一定程度上也促进了细菌的增殖，这对铜离子的抗菌效果也是不利的。因此，研究开发自身具有抗菌功能的新型外科手术用抗菌不锈钢新材料，以消除或减少相关医疗器械引发的细菌感染问题，具有重要的社会和经济意义。
在钢铁材料中，铁镓合金是常见的磁致伸缩材料。镓在铁中的主要作用是能够显著提高钢的磁致伸缩性能，未见镓在不锈钢中应用的相关报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有更强抗菌功能的外科手术用沉淀硬化马氏体不锈钢，以解决现有外科手术中由于医疗器械引发的细菌感染问题。
本发明的技术方案是：
一种医用外科手术用沉淀硬化马氏体不锈钢，其特征在于：按重量百分比计，该不锈钢的化学成分如下：C：≤0.03；Cr：16.0-18.0；Ni：3.0-5.0；Cu：3.0-5.0；Ga：0.50-1.50；N：0.05-0.15，Nb：0.15-0.45；余量为Fe；钢中杂质元素含量符合外科手术用不锈钢国家标准中的相应要求。
其优选的化学成分如下：C：≤0.03；Cr：16.5-17.5；Ni：3.5-4.5；Cu：3.5-4.5；Ga：0.8-1.2；N：0.08-0.12；Nb：0.20-0.30；余量为Fe。
在本发明的不锈钢成分设计中，合金元素镓(Ga)是新型不锈钢中最重要的合金元素。Ga是保证不锈钢具有更强抗菌功能的必要条件，也是本发明的主要创新点。本发明中的不锈钢中的含Ga量为0.5-1.5％，以保证在特殊热处理条件下，富Ga相在钢中均匀弥散析出。当Ga含量较低时，即使经过特殊热处理，不锈钢基体中不易析出富Ga相，当与溶液介质接触时，就不能析出Ga离子，以抑制细菌的正常增殖活动，并充分发挥Ga离子和Cu离子的协同抗菌作用。当Ga含量相对过高时，过多的富Ga相会导致不锈钢热加工性能和冷成型性能的严重下降，影响其实际应用。此外，过量的富Ga相析出亦会破坏不锈钢钝化膜的连续性，降低不锈钢的耐腐蚀性能。
本发明还提供了上述沉淀硬化马氏体不锈钢的热处理工艺，该工艺包括如下步骤：
(1)在1000-1100℃保温1-2h，使钢中的铜、镓及碳化物(碳化铬、碳化铌等)能充分固溶于基体中，使组织充分均匀化，空冷或水冷至室温后，使钢中的镓处于过饱和状态；
(2)在450-650℃保温3-10h，使过饱和的铜和镓从钢中析出足够体积分数的富铜相和富镓相，空冷或水冷至室温。
本发明的有益效果是：
1、对于现有含Cu抗菌不锈钢而言，主要依靠Cu离子的微量溶出来起到抑制细菌增殖的目的。由于其自身溶出速率和溶出浓度的限制，对于细菌浓度更高的情况，含Cu抗菌不锈钢的抗菌效果不佳。因此本发明以现有含Cu马氏体抗菌不锈钢为基础，适当增加了钢中的Ga含量，辅以一定的热处理，从而使钢中基体上能析出足量的富Ga相。当与溶液环境接触时，Ga离子溶出，抑制了由于Fe离子溶出对细菌细胞生长的促进作用，同时，Ga离子也和Cu离子一同起到破坏细菌细胞壁的作用，增加Cu离子的抗菌效果。
2、本发明中的新型沉淀硬化马氏体抗菌不锈钢可广泛应用于医学临床领域的外科手术中使用的各类不锈钢医疗器械，如刀、手术剪、手术镊、肠钳、刮匙等。
附图说明
图1为沉淀硬化马氏体抗菌不锈钢杀灭大肠杆菌的效果照片；图中，(a)沉淀硬化马氏体抗菌不锈钢；(b)新型含Ga沉淀硬化马氏体抗菌不锈钢(实施例3)。
具体实施方式
根据本发明新型沉淀硬化马氏体抗菌不锈钢所设定的化学成分范围，采用15公斤真空感应炉冶炼实施例1-5本发明沉淀硬化抗菌不锈钢和1炉对比例含铜沉淀硬化马氏体抗菌不锈钢10公斤，其化学成分见表1。
锻造工艺为：合金铸锭在1050℃±20℃均匀化热处理2小时开坯，分三火锻造为50×100mm的初轧板材，终锻温度为900℃。
热轧工艺为：初轧坯料在1050℃±20℃温度保温2小时开轧，经多道次轧制成性能测试板材，本实施例板厚均为6mm厚。
表1实施例和对比例的抗菌不锈钢化学成分(wt,％)
按照下述公式计算新型沉淀硬化马氏体抗菌不锈钢和对照样品(含铜沉淀硬化马氏体抗菌不锈钢)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：
杀菌率(％)＝[(对照样品活菌数-抗菌不锈钢活菌数)/对照样品活菌数]×100其中，对照样品活菌数是指在对照样品上进行细菌培养后的活菌数，抗菌不锈钢活菌数是指在沉淀硬化马氏体抗菌不锈钢上进行细菌培养后的活菌数，细菌浓度为107CFU/mL。
实施例1
在本实施例中，沉淀硬化马氏体抗菌不锈钢的热处理工艺为：
在1050℃保温1h，水冷至室温后，使钢中的镓和铜处于过饱和状态；然后在480℃保温6h，使钢中析出富镓相和富铜相，空冷至室温。
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/T2591-2003《抗菌塑料抗菌性能实验方法和抗菌效果》”等标准规定，进行了新型沉淀硬化马氏体抗菌不锈钢对典型细菌的抗菌性能检测，其结果为：
(1)对大肠杆菌(Eschericher Coli)的抗菌率：≥97.9％，抗菌效果如图1所示；
(2)对金黄色葡萄球菌(Staphyococcus aureus)的抗菌率：≥96.9％。
实施例2
在本实施例中，沉淀硬化马氏体抗菌不锈钢的热处理工艺为：
在1000℃保温1h，水冷至室温后，然后在450℃保温10h，使钢中析出足够体积分数的富镓相和富铜相，水冷至室温。
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/T2591-2003《抗菌塑料抗菌性能实验方法和抗菌效果》”等标准规定，进行了新型沉淀硬化马氏体抗菌不锈钢对典型细菌的抗菌性能检测，其结果为：
(1)对大肠杆菌(Eschericher Coli)的抗菌率：≥99.1％；
(2)对金黄色葡萄球菌(Staphyococcus aureus)的抗菌率：≥99.5％；
实施例3
在本实施例中，沉淀硬化马氏体抗菌不锈钢的热处理工艺为：
在1100℃保温2h，水冷至室温后，然后在650℃保温3h，空冷至室温。
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/T2591-2003《抗菌塑料抗菌性能实验方法和抗菌效果》”等标准规定，进行了新型沉淀硬化马氏体抗菌不锈钢对典型细菌的抗菌性能检测，其结果为：
(1)对大肠杆菌(Eschericher Coli)的抗菌率：≥99.7％；
(2)对金黄色葡萄球菌(Staphyococcus aureus)的抗菌率：≥99.8％；
实施例4
在本实施例中，沉淀硬化马氏体抗菌不锈钢的热处理工艺为：
在1100℃保温2h，水冷至室温后，然后在650℃保温3h，空冷至室温。
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/T2591-2003《抗菌塑料抗菌性能实验方法和抗菌效果》”等标准规定，进行了新型沉淀硬化马氏体抗菌不锈钢对典型细菌的抗菌性能检测，其结果为：
(1)对大肠杆菌(Eschericher Coli)的抗菌率：≥99.7％；
(2)对金黄色葡萄球菌(Staphyococcus aureus)的抗菌率：≥99.8％；
实施例5
在本实施例中，沉淀硬化马氏体抗菌不锈钢的热处理工艺为：
在1080℃保温1.5h，水冷至室温后，然后在620℃保温6h，水冷至室温。
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/T2591-2003《抗菌塑料抗菌性能实验方法和抗菌效果》”等标准规定，进行了新型沉淀硬化马氏体抗菌不锈钢对典型细菌的抗菌性能检测，其结果为：
(1)对大肠杆菌(Eschericher Coli)的抗菌率：≥98.5％；
(2)对金黄色葡萄球菌(Staphyococcus aureus)的抗菌率：≥99.3％；
对比例
在本实施例中，抗菌不锈钢的热处理工艺为：
在1050℃保温1h，水冷至室温后，然后在500℃保温6h，空冷至室温。
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/T2591-2003《抗菌塑料抗菌性能实验方法和抗菌效果》”等标准规定，进行了新型沉淀硬化马氏体抗菌不锈钢对典型细菌的抗菌性能检测，菌浓度为107CFU/mL，其结果为：
(1)对大肠杆菌(Eschericher Coli)的抗菌率：≥68.2％；
(2)对金黄色葡萄球菌(Staphyococcus aureus)的抗菌率：≥73.5％。
一般来说，抗菌率超过90％的材料才可称之为抗菌材料。实施例和对比例的抗菌结果表明，含Ga沉淀硬化马氏体抗菌不锈钢在大肠杆菌浓度为107CFU/mL时，抗菌率均超过90％；而对于含Cu沉淀硬化马氏体抗菌不锈钢，其在菌浓度较高的条件下抗菌率相对比较低。
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 (6)

1.一种医用外科手术用沉淀硬化马氏体抗菌不锈钢，其特征在于：按重量百分比计，该不锈钢的化学成分如下：C：≤0.03；Cr：16.0-18.0；Ni：3.0-5.0；Cu：3.0-5.0；Ga：0.50-1.50；N：0.05-0.15，Nb：0.15-0.45；余量为Fe；钢中杂质元素含量符合外科手术用不锈钢国家标准中的相应要求；该不锈钢对浓度为107CFU/mL的细菌具有有效抗菌作用。
2.按照权利要求1所述沉淀硬化马氏体抗菌不锈钢，其特征在于：按重量百分比计，其化学成分如下：C：≤0.03；Cr：16.5-17.5；Ni：3.5-4.5；Cu：3.5-4.5；Ga：0.8-1.2；N：0.08-0.12；Nb：0.20-0.30；余量为Fe。
3.一种权利要求1或2所述沉淀硬化马氏体抗菌不锈钢的制备方法，其特征在于：所述抗菌不锈钢采用以下方法获得：真空感应冶炼、电弧炉+连铸冶炼或电弧炉冶炼+炉外精炼。
4.一种权利要求1或2所述沉淀硬化马氏体抗菌不锈钢的热处理工艺，其特征在于，包括如下步骤：
(1)在1000-1100℃保温1-2h，空冷或水冷至室温；
(2)在450-650℃保温3-10h，空冷或水冷至室温。
5.一种权利要求1或2所述沉淀硬化马氏体抗菌不锈钢作为医学临床领域中使用的各类不锈钢器械的应用。
6.按照权利要求5所述手术沉淀硬化马氏体抗菌不锈钢作为医学临床领域中使用的各类不锈钢器械的应用，其特征在于：所述不锈钢器械为刀、手术剪、手术镊、肠钳、刮匙之一种或多种。
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