CN111235476A - 适用于泌尿植入材料的可降解抗感染防结石Fe-Cu系合金 - Google Patents

适用于泌尿植入材料的可降解抗感染防结石Fe-Cu系合金 Download PDF

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Abstract

本发明属于生物医用材料领域，具体为一种适用于泌尿植入材料的可降解抗感染防结石Fe‑Cu系合金。合金组分及重量百分比为：Cu为0.2％～5.0％，Mn为0～35％，C为0～1.5％，N为0～0.6％，余量为Fe。针对尿路植入物存在的不可降解、易感染和易形成结石等问题，通过释放Cu离子达到杀菌作用，通过表面降解和杀菌作用同时抑制表面细菌生物膜的形成，从而防止以细菌膜为中心的结石形成和长大，同时可选择性添加Mn、C、N元素，调控合金的奥氏体化和降解速率，使得合金能够术后在体内生物环境中降解代谢，无需二次手术取出。从而，有效解决尿路植入物感染和结石问题，能够解决临床中的实际问题，符合当前先进医疗理念和人体需求，是泌尿植入材料发展的新方向。

Description

适用于泌尿植入材料的可降解抗感染防结石Fe-Cu系合金
技术领域
本发明属于生物医用材料领域，具体为一种适用于泌尿植入材料的可降解抗感染防结石Fe-Cu系合金。
背景技术
泌尿系统中多种尿路病变需要组织切除后进行尿道通路重建。目前输尿管-膀胱的手法吻合不但技术要求高，而且易发生尿瘘或吻合口狭窄，一种新技术是采用吻合钉。另外，输尿管梗阻通常需要导入支架解决狭窄问题。通过吻合钉、支架等植入物介入治疗可使手术高效、精准，然而由植入物引发的尿路感染和结石非常棘手，发病率居高不下，给患者带来巨大的生理痛苦和沉重的经济负担，同时限制植入器械的广泛应用。
植入物引发的细菌感染是导致手术失败的关键因素之一，异物扰乱体内正常运转系统，容易破坏机体防御屏障，影响尿路对细菌的正常冲刷作用，增加逆行感染的机会。泌尿系统中细菌主要有大肠埃希菌、葡萄球菌、变形杆菌和克雷伯杆菌等，植入物是细菌大量积聚的对象，尿液中大量营养物质促进细菌繁殖，最终形成细菌生物膜，材料表面的细菌粘附是引发细菌感染的起始动因。
结石是造成尿路手术失败和限制植入材料使用的另一个关键因素，影响结石的因素包括饮食、尿路梗阻、异物存在、尿路感染和代谢性疾病等，其中植入物诱发的细菌感染是产生结石的重要原因之一。尿液中存在一类可以产生尿素酶的脲酶菌，如变形奇异杆菌。尿素酶促使尿液中的尿素水解为氨和氨基甲酸酯，氨进一步碱化尿液，加速钙Ca、Mg无机盐析出和结石形成。细菌感染与结石形成具有一定的相关性和相互促进作用，细菌膜、脓液、坏死组织等可构成结石的核心，同时，结石反过来也会导致局部损害、梗阻、慢性炎症感染等症状。
如何对材料的高性能进行结构设计和性能调控则成为植入物材料发展有待解决的共性问题。具有抗菌性能的可降解材料在机体病患组织愈合后能够在生物环境中降解吸收，且能根本上防止细菌生物膜和结石在其界面粘附，符合当前先进医疗理念和人体本质需求，是解决异种植入物感染和结石的优选，也是泌尿植入材料发展的趋势。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于泌尿植入材料的可降解抗感染防结石Fe-Cu系合金及其在尿路重建中的应用，利用Fe的腐蚀降解特性和Cu的杀菌及防结石功效，能够实现一种无需二次手术取出的且具有防抗菌性结石功能的尿路植入材料。
本发明技术方案如下：
一种适用于泌尿植入材料的可降解抗感染防结石Fe-Cu系合金，以Fe为基体元素，Cu为主要合金元素，Mn、C、N作为辅助添加元素，重量百分比为：0.2％～5.0％Cu，0～35％Mn，0～1.5％C，0～0.6％N，Fe余。
所述的适用于泌尿植入材料的可降解抗感染防结石Fe-Cu系合金，该合金为二元～五元合金：二元Fe-Cu合金、三元Fe-Cu-Mn合金、四元Fe-Cu-Mn-C合金、五元Fe-Cu-Mn-C-N合金，但不限于上述合金。
所述的适用于泌尿植入材料的可降解抗感染防结石Fe-Cu系合金，优选的，三元Fe-Cu-Mn合金重量百分比为：0.2％～1.0％Cu，20～30％Mn，Fe余；四元Fe-Cu-Mn-C合金重量百分比为：0.3％～2.0％Cu，20～33％Mn，0.5～1.0％C，Fe余；五元Fe-Cu-Mn-C-N合金重量百分比为：0.1％～0.8％Cu，20～30％Mn，0.4～0.8％C，0.2～0.6％N，Fe余。
所述的适用于泌尿植入材料的可降解抗感染防结石Fe-Cu系合金，当添加大于20％Mn含量时，经热处理形成单一奥氏体组织，消除铁磁性，热处理的具体过程和参数为：950～1050℃，保温1～4h，水淬。
所述的适用于泌尿植入材料的可降解抗感染防结石Fe-Cu系合金的制备方法，将纯Fe、Mn、C和Cu按比例通过真空感应熔炼制成铸锭，铸锭在950℃～1100℃保温1h～4h后，锻造成Φ10mm～Φ20mm的棒材。
所述的适用于泌尿植入材料的可降解抗感染防结石Fe-Cu系合金的制备方法，将Φ10mm～Φ20mm的棒材进行丝材或者管材拉拔加工，配合热处理、表面酸洗处理、清洗、磷化以及中间退火过程，最终形成直径Φ0.1mm～Φ0.6mm的丝材，或者外径Φ1.7mm～Φ1.9mm、管壁厚110μm～120μm的管材。
所述的适用于泌尿植入材料的可降解抗感染防结石Fe-Cu系合金的制备方法，Fe-Cu系合金丝材或管材，在拉拔加工过程中，辅以热处理，处理过程为真空氛围下950℃～1100℃保温0.5h～1.5h后，水淬冷却到室温，表面通过机械抛光或者酸洗去除氧化皮。
所述的适用于泌尿植入材料的可降解抗感染防结石Fe-Cu系合金的应用，在临床尿路重建手术中，针对尿路植入物易感染和结石的特点，该合金作为医用金属材料，特别适用于泌尿系统植入物。
所述的适用于泌尿植入材料的可降解抗感染防结石Fe-Cu系合金的应用，该合金具有生物可降解功能，能够在生理环境中腐蚀降解，避免二次手术取出，在人工尿液中的降解速率为0.20mm/a～0.56mm/a。
所述的适用于泌尿植入材料的可降解抗感染防结石Fe-Cu系合金的应用，该合金具有强烈的杀菌功能，对尿液中的脲酶菌杀菌率达95％以上，有效抑制细菌生物膜在合金表面的粘附，防止以细菌膜为核心的感染性结石形成。
本发明的设计思想是：
针对现有泌尿植入材料存在的感染结石以及需要二次取出等问题，本发明提出在Fe中添加抗菌Cu元素的思路，结合Cu2+的抗菌、防结石特性和Fe的可降解吸收的优势，通过释放Cu离子达到杀菌作用，通过表面降解和杀菌作用同时抑制表面细菌生物膜的形成，从而防止以细菌膜为中心的结石形成和长大，同时辅以Mn、C、N元素的强化和加速降解作用，以调控合金的奥氏体化和降解速率，使得合金能够术后在体内生物环境中降解代谢，采用合金化措施制备一种整体性材料，靶向抑制细菌感染和结石，实现无需二次手术取出且具有抗菌防结石功能。因此，Fe-Cu系合金是解决尿路植入物感染和结石问题的有效举措，能够解决临床中的实际问题，符合当前先进医疗理念和人体需求，是泌尿植入材料发展的新方向。
本发明的优点及有益效果是：
1、本发明所述的Fe-Cu系合金，是可降解材料，且具有强烈的抗菌和防结石功能，可减少植入物引发的细菌感染，抑制细菌生物膜粘附和增殖，防止以细菌生物膜为核心的结石形成，术后无需二次手术取出，这是解决尿路植入物感染和结石的有效举措。
2、本发明的Fe-Cu系合金力学性能调节范围较大，抗拉强度为200MPa～1200MPa，屈服强度为120MPa～587MPa，延伸率为35％～88％之间，可根据不同的临床尿路重建适应症选择合适力学性能的Fe-Cu系合金。
3、本发明的Fe-Cu系合金在人工尿液中的降解速度为0.20mm/a～0.56mm/a(毫米/年)，该合金具有强烈的抗菌功能，对多数脲酶菌(如：金黄色葡萄球菌和变形奇异杆菌)杀菌率大于95％。
4、本发明的Fe-Cu系合金的溶血率低于5％，细胞毒性为1级，满足植入物的生物安全性要求。
5、本发明的Fe-Cu系合金可以从成分和热处理调节获得奥氏体组织，提高核磁共振成像兼容性。
6、本发明的Fe-Cu系合金，适用于泌尿系统重建用植入金属材料。
附图说明
图1为纯Fe(a，b，c)和Fe-Cu系合金(d，e，f)对金黄色葡萄球菌的抗菌及抑制细菌生物膜形成的作用形貌图。
图2为由Fe-Cu系合金制备的吻合钉图。
具体实施方式
在具体实施过程中，本发明针对尿路植入物存在的问题，设计一种Fe-Cu系合金(表1)，通过释放Cu离子达到杀菌作用，通过表面降解和杀菌作用同时抑制表面细菌生物膜的形成，从而防止以细菌膜为中心的结石形成和长大，且所述合金在体内生物环境中可被降解吸收，无需二次手术取出。因此，Fe-Cu系合金是解决尿路植入物感染和结石问题的有效举措，能够解决临床中的实际问题，符合当前先进医疗理念和人体需求，是泌尿植入物发展的主流和趋势。
表1 Fe-Cu系合金性能与纯Fe对比
Figure BDA0001885684490000041
本发明Fe-Cu系合金作为泌尿植入材料具有如下优势：
(1)适用于尿路环境的生物活性。Fe-Cu系合金通过释放Cu离子达到杀菌作用，通过表面降解和杀菌作用同时抑制表面细菌生物膜和结石形成。
(2)优异的力学性能。通过Mn、Cu、C、N元素的添加配以合适的热处理，使该合金具有所需的弹性模量、力学强度、塑性及磁兼容性。
(3)良好的生物安全性。Fe是体内营养元素之一，是构成血红蛋白、肌红蛋白、细胞色素和多种氧化酶、代谢酶的重要成分，是人体维持生命、进行细胞呼吸活动的催化剂。成人体内Fe的含量为4g～5g。Fe与316L不锈钢具有类似的血液相容性，可降解Fe吻合钉或者支架质量较小，无爆发式降解，释放出的Fe元素含量远小于血液中Fe元素的含量，不会导致全身毒性，所添加的Mn、Cu、C、N元素也具有生物安全性。
(4)适宜的降解性能，Fe的标准电极电位为-0.44V，是一种易腐蚀材料。相对于Mg，Fe的活动性较弱，相对适宜的腐蚀速率，能够保证材料在尿路环境服役期内足够的力学支撑作用。
下面，结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
本实施例中，Fe-0.5Cu合金成分：0.5％Cu，余量为Fe。
制备方法：将以上成分合金通过真空感应熔炼制成铸锭，在1000℃保温2h后，锻造成Φ20mm的棒，通过挤压或旋锻加工成Φ6mm～10mm的棒，通过拉拔加工成Φ0.2～0.6mm的丝材，制备成吻合钉(YY/T 0245-2008)。在拉拔加工过程中，辅以热处理，处理过程为真空氛围下1000℃保温1h后，水淬冷却到室温。
拉伸性能(GB/T 228-2002)：抗拉强度为200MPa，屈服强度为130MPa，延伸率为45％。
抗菌性能(GB/T 2591)：对金黄色葡萄球菌杀菌率：98％；对变形奇异杆菌杀菌率：95％。
防结石性能：结石率<5％。
降解速率(人工尿液，浸泡30天)：0.25mm/a。
细胞相容性(ISO-10993)：细胞毒性为1级，溶血率为2.10±0.18％。
实施例2
本实施例中，Fe-1Cu-25Mn合金成分：1％Cu，25％Mn，余量为Fe。
制备方法：将以上成分合金通过真空感应熔炼制成铸锭，在1000℃保温2h后，锻造成Φ20mm的棒，通过挤压或旋锻加工成Φ6mm～10mm的棒，通过拉拔加工成Φ0.2～1mm的丝材，制备成吻合钉(YY/T 0245-2008)。在拉拔加工过程中，辅以热处理，处理过程为真空氛围下1000℃保温1h后，水淬。
拉伸性能(GB/T 228-2002)：抗拉强度为820MPa，屈服强度为260MPa，延伸率为65％。
抗菌性能(GB/T 2591)：对金黄色葡萄球菌杀菌率：99％；对变形奇异杆菌杀菌率：96％。
防结石性能：结石率<5％。
降解速率(人工尿液，浸泡30天)：0.36mm/a。
细胞相容性(ISO-10993)：细胞毒性为1级，溶血率为2.46±0.50％。
实施例3
本实施例中，Fe-2Cu-20Mn-1C合金成分：2％Cu，20％Mn，1％C，余量为Fe。
制备方法：将以上成分合金通过真空感应熔炼制成铸锭，在980℃保温3h后，锻造成Φ20mm的棒，通过挤压或旋锻加工成Φ6mm～10mm的棒，通过拉拔加工成Φ0.2～1mm的丝材，制备成吻合钉(YY/T 0245-2008)。在拉拔加工过程中，辅以热处理，处理过程为真空氛围下950℃保温1.5h后，水淬。
拉伸性能(GB/T 228-2002)：抗拉强度为1050MPa，屈服强度为360MPa，延伸率为70％。
抗菌性能(GB/T 2591)：对金黄色葡萄球菌杀菌率：99％；对变形奇异杆菌杀菌率：99％。
防结石性能：结石率<5％。
降解速率(人工尿液，浸泡30天)：0.44mm/a。
细胞相容性(ISO-10993)：细胞毒性为1级，溶血率为3.60±0.30％。
实施例4
本实施例中，Fe-1.5Cu-30Mn-0.5C合金成分：1.5％Cu，30％Mn，0.5％C，余量为Fe。
制备方法：将以上成分合金通过真空感应熔炼制成铸锭，在1050℃保温1.5h后，锻造成Φ20mm的棒，通过挤压或旋锻加工成Φ6mm～10mm的棒，通过拉拔加工成Φ0.2～1mm的丝材，制备成吻合钉(YY/T 0245-2008)。在拉拔加工过程中，辅以热处理，处理过程为真空氛围下1100℃保温0.5h后，水淬。
拉伸性能(GB/T 228-2002)：抗拉强度为999MPa，屈服强度为380MPa，延伸率为72％。
抗菌性能(GB/T 2591)：对金黄色葡萄球菌杀菌率：99％；对变形奇异杆菌杀菌率：97％。
防结石性能：结石率<5％。
降解速率(人工尿液，浸泡30天)：0.48mm/a。
细胞相容性(ISO-10993)：细胞毒性为1级，溶血率为3.10±0.63％。
如图1所示，从纯Fe(a，b，c)和Fe-Cu系合金(d，e，f)对金黄色葡萄球菌的抗菌及抑制细菌生物膜形成的作用形貌可以看出，Fe-Cu系合金对细菌具有强烈的杀灭作用，当细菌与其共培养24h后，绝大多数细菌死亡，且Fe-Cu系合金可以抑制其表面细菌生物膜的形成。
如图2所示，由Fe-Cu系合金制备的吻合钉图可以看出，Fe-Cu系合金具备良好的塑性，可以制备出直径为0.2～0.6mm的吻合钉。
实施例5
本实施例中，Fe-0.5Cu-22Mn-0.5C-0.3N合金成分：0.5％Cu，22％Mn，0.5％C，0.3％N，余量为Fe。
制备方法：将以上成分合金通过真空感应熔炼制成铸锭，在1050℃保温2h后，锻造成Φ20mm的棒，通过挤压或旋锻加工成Φ6mm～10mm的棒，通过拉拔加工成Φ0.2～1mm的丝材，制备成吻合钉(YY/T 0245-2008)。在拉拔加工过程中，辅以热处理，处理过程为真空氛围下1100℃保温0.5h后，水淬。
拉伸性能(GB/T 228-2002)：抗拉强度为1034MPa，屈服强度为394MPa，延伸率为65％。
抗菌性能(GB/T 2591)：对金黄色葡萄球菌杀菌率：98％；对变形奇异杆菌杀菌率：95％。
防结石性能：结石率<5％。
降解速率(人工尿液，浸泡30天)：0.52mm/a。
细胞相容性(ISO-10993)：细胞毒性为1级，溶血率为2.65±0.45％。
实施例结果表明，本发明Fe-Cu系合金具有强烈的抗菌性能，能够有效地杀灭金黄色葡萄球菌和变形奇异杆菌，并可抑制细菌生物膜和结石在其表面的聚集和形成。该合金具有适中的降解速率和可调节的力学性能，且具有较高的生物安全性，是适合尿路植入物(如：吻合钉、导管支架)的理想金属材料。在手术中，使术野狭小，部位较深的操作变得简便，可缩短手术操作时间，提高医生工作效率，达到精准快速吻合效果。在术后初期，抑制感染的发生和结石的形成，减少并发症。在术后后期，当机体病患组织修复或愈合之后，可在体内逐渐生物降解直至最终消失，避免二次取出手术。

Claims (10)

1.一种适用于泌尿植入材料的可降解抗感染防结石Fe-Cu系合金，其特征在于，以Fe为基体元素，Cu为主要合金元素，Mn、C、N作为辅助添加元素，重量百分比为：0.2％～5.0％Cu，0～35％Mn，0～1.5％C，0～0.6％N，Fe余。
2.按照权利要求1所述的适用于泌尿植入材料的可降解抗感染防结石Fe-Cu系合金，其特征在于，该合金为二元～五元合金：二元Fe-Cu合金、三元Fe-Cu-Mn合金、四元Fe-Cu-Mn-C合金、五元Fe-Cu-Mn-C-N合金，但不限于上述合金。
3.按照权利要求2所述的适用于泌尿植入材料的可降解抗感染防结石Fe-Cu系合金，其特征在于，优选的，三元Fe-Cu-Mn合金重量百分比为：0.2％～1.0％Cu，20～30％Mn，Fe余；四元Fe-Cu-Mn-C合金重量百分比为：0.3％～2.0％Cu，20～33％Mn，0.5～1.0％C，Fe余；五元Fe-Cu-Mn-C-N合金重量百分比为：0.1％～0.8％Cu，20～30％Mn，0.4～0.8％C，0.2～0.6％N，Fe余。
4.按照权利要求1所述的适用于泌尿植入材料的可降解抗感染防结石Fe-Cu系合金，其特征在于，当添加大于20％Mn含量时，经热处理形成单一奥氏体组织，消除铁磁性，热处理的具体过程和参数为：950～1050℃，保温1～4h，水淬。
5.一种权利要求1至4之一所述的适用于泌尿植入材料的可降解抗感染防结石Fe-Cu系合金的制备方法，其特征在于，将纯Fe、Mn、C和Cu按比例通过真空感应熔炼制成铸锭，铸锭在950℃～1100℃保温1h～4h后，锻造成Φ10mm～Φ20mm的棒材。
6.按照权利要求5所述的适用于泌尿植入材料的可降解抗感染防结石Fe-Cu系合金的制备方法，其特征在于，将Φ10mm～Φ20mm的棒材进行丝材或者管材拉拔加工，配合热处理、表面酸洗处理、清洗、磷化以及中间退火过程，最终形成直径Φ0.1mm～Φ0.6mm的丝材，或者外径Φ1.7mm～Φ1.9mm、管壁厚110μm～120μm的管材。
7.按照权利要求6所述的适用于泌尿植入材料的可降解抗感染防结石Fe-Cu系合金的制备方法，其特征在于，Fe-Cu系合金丝材或管材，在拉拔加工过程中，辅以热处理，处理过程为真空氛围下950℃～1100℃保温0.5h～1.5h后，水淬冷却到室温，表面通过机械抛光或者酸洗去除氧化皮。
8.一种权利要求1至4之一所述的适用于泌尿植入材料的可降解抗感染防结石Fe-Cu系合金的应用，其特征在于，在临床尿路重建手术中，针对尿路植入物易感染和结石的特点，该合金作为医用金属材料，特别适用于泌尿系统植入物。
9.按照权利要求8所述的适用于泌尿植入材料的可降解抗感染防结石Fe-Cu系合金的应用，其特征在于，该合金具有生物可降解功能，能够在生理环境中腐蚀降解，避免二次手术取出，在人工尿液中的降解速率为0.20mm/a～0.56mm/a。
10.按照权利要求8所述的适用于泌尿植入材料的可降解抗感染防结石Fe-Cu系合金的应用，其特征在于，该合金具有强烈的杀菌功能，对尿液中的脲酶菌杀菌率达95％以上，有效抑制细菌生物膜在合金表面的粘附，防止以细菌膜为核心的感染性结石形成。
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