CN113249655B - 高氮无镍低锰抗菌合金及其制备方法、医疗器械产品 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高氮无镍低锰抗菌合金及其制备方法、医疗器械产品，涉及医用金属材料技术领域，高氮无镍低锰抗菌合金按质量百分比计包括如下成分：铬15~30%，钴1~30%，锰0~5%，铜1~5%，钼1~4%，氮0.30~1.0%，镍≤0.05%，碳≤0.03%，硅≤0.75%，硫≤0.01%，磷≤0.01%，余量为Fe。本发明同时利用Co、N和Cu替代常添加的Ni以稳定奥氏体组织，避免镍对人体的潜在致敏毒性危害，同时减少具有潜在神经毒性的锰的含量；利用氮化物和富铜相析出的协同效应，获得优异的抗菌性能。

Description

高氮无镍低锰抗菌合金及其制备方法、医疗器械产品

技术领域

本发明涉及医用金属材料技术领域，尤其是涉及一种高氮无镍低锰抗菌合金及其制备方法、医疗器械产品。

背景技术

医用奥氏体不锈钢的综合性能优异，广泛应用于植入性医疗器械。传统的医用奥氏体不锈钢（如：00Cr18Ni14Mo3）中添加有大量具有潜在毒性的镍元素。镍离子溶出容易导致人体发生致敏、致畸等潜在危害，易发生与镍离子相关的过敏性皮炎、湿疹等皮肤病，以及引发周围组织的炎症反应等。大量研究发现，镍离子的毒性反应导致不锈钢骨植入物发生无菌性松动和心血管植入支架后的再狭窄。

针对上述问题，目前已发展出高氮无镍不锈钢。如公开号分别为CN101385669A、CN1519387A、CN102888566A和CN103233174A的专利中，以氮代替镍稳定奥氏体组织开发出的高氮无镍医用奥氏体不锈钢。然而，氮在不锈钢中的固溶度较低，为了提高氮含量，高氮无镍奥氏体不锈钢中往往还加入10~23%的锰元素。但大量锰的加入会大幅增加不锈钢的金属离子溶出速率，同时过量锰在人体中积累会诱发“锰中毒”，这是一种类似帕金森病的神经系统疾病，存在潜在毒性风险。

另外，医疗器械植入人体后引发的细菌感染已经成为临床上亟待解决的重要问题之一。术后感染会导致患者伤口长久不愈合，从而导致手术失败，或导致一些慢性并发症的发生。不锈钢器械植入人体后产生的感染问题时有发生，给患者带来了巨大的身心伤害。

总之，目前已经开发出的不添加潜在毒性镍元素的无镍医用不锈钢，仍然存在生物安全性有待进一步提高和无抗菌等功能性的问题。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种具有高氮无镍低锰特征和抗菌性能的新型奥氏体合金，通过同时加入钴、氮和铜来替代常用的但有潜在毒性风险的奥氏体形成元素镍和锰，以提高材料生物安全性，同时实现材料的抗菌功能性。

本发明的目的之二在于提供一种上述合金的制备方法。

本发明的目的之三在于提供一种上述合金的应用。

本发明的目的之四在于提供一种医疗器械产品。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种高氮无镍低锰抗菌合金，所述高氮无镍低锰抗菌合金按质量百分比计包括如下成分：铬15~30%，钴1~30%，锰0~5%，铜1~5%，钼1~4%，氮0.30~1.0%，镍≤0.05%，碳≤0.03%，硅≤0.75%，硫≤0.01%，磷≤0.01%，余量为Fe。

优选的，所述高氮无镍低锰抗菌合金按质量百分比计包括如下成分：铬15~30%，钴5~18%，锰1~4%，铜2~4.5%，钼1~4%，氮0.30~0.60%，镍≤0.05%，碳≤0.03%，硅≤0.75%，硫≤0.01%，磷≤0.01%，余量为Fe。

第二方面，本发明提供了一种高氮无镍低锰抗菌合金的制备方法，包括以下步骤：

将配方量的成分冶炼、锻造后的合金经过1020~1200℃固溶处理0.5~2h，空冷或水冷至室温后，获得单相奥氏体组织；经550~750℃保温0.5~5h，后经900-1100℃保温0.01~1h，使氮化物和富铜相协同析出，得到高氮无镍低锰抗菌合金。

第三方面，本发明提供了一种高氮无镍低锰抗菌合金在制备植入性医疗器械、手术工具或日用品中的应用。

第四方面，本发明提供了一种医疗器械产品，主要由高氮无镍低锰抗菌合金制得。

本发明提供的高氮无镍低锰抗菌合金至少具有如下有益效果：

本发明开发了一种具有无镍低锰特征和抗菌性能的奥氏体合金，创新地同时利用钴、氮和铜实现替代添加潜在毒性镍元素来稳定奥氏体组织，完全避免镍的致敏致畸等危害；同时降低锰含量，避免潜在的神经毒性危害，因而会达到提高材料生物安全性的目的，具有更高的临床使用价值。

本发明采用氮化物和富铜相协同析出的方法，使合金获得优异的抗菌功能。本发明材料可广泛应用于临床领域的各类植入医疗器械和手术工具，以及日常生物用品，具有广阔的应用前景和价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1提供的高氮无镍低锰抗菌合金固溶处理后的金相组织；

图2为本发明实施例1提供的高氮无镍低锰抗菌合金对金黄色葡萄球菌的杀菌效果图，其中（a）为不含铜的传统高氮无镍不锈钢（对照组），（b）为本发明高氮无镍低锰抗菌合金；

图3为本发明实施例1提供的高氮无镍低锰抗菌合金对大肠杆菌的杀菌效果图，其中（a）为不含铜的传统高氮无镍不锈钢（对照组），（b）为本发明高氮无镍低锰抗菌合金。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

根据本发明的第一个方面，提供了一种高氮无镍低锰抗菌合金，按质量百分比计，其化学成分为：铬Cr: 15~30%；钴Co: 1~30%; 锰Mn: 0~5%；铜Cu：1~5%；钼Mo: 1~4%；氮N:0.30~1.0%；镍Ni≤0.05%；碳C≤0.03%；硅Si≤0.75%；硫S≤0.01%；磷P≤0.01%；余量为Fe。

Cr含量典型但非限制性的例如为15%、16%、17%、18%、19%、20%、21%、22%、23%、24%、25%、26%、27%、28%、29%、30%。

Co含量典型但非限制性的例如为1%、2%、5%、6%、8%、10%、12%、15%、16%、17%、18%、19%、20%、21%、22%、23%、24%、25%、26%、27%、28%、29%、30%。

Mn含量典型但非限制性的例如为0、1%、2%、3%、4%、5%。

Cu含量典型但非限制性的例如为1%、2%、3%、4%、5%。

Mo含量典型但非限制性的例如为1%、2%、3%、4%。

N含量典型但非限制性的例如为0.3%、0.4%、0.5%、0.6%、0.7%、0.8%、0.9%、1.0%。

本发明的设计思想是：

Ni：本发明高氮无镍抗菌合金不添加容易引起人体过敏的Ni，采用Co、N和Cu同时稳定奥氏体组织。避免N加入过多会增加合金制备难度的问题，因此N含量应控制在1wt.%以下。另外，N具有明显地提高合金耐点蚀能力和强度的作用。

Co：加入Co可以起到很好的稳定奥氏体的效果。为了获得良好的奥氏体组织稳定性，加入的Co含量控制在1wt.%以上。

Cu：加入Cu，一方面利用Cu稳定奥氏体组织的作用；另一方面，在合金中形成过饱和Cu含量，时效时可以析出富铜相，达到具备抗菌性能的目的。

Mn：添加Mn是为了提高N在合金中的溶解度，但Mn加入过多会影响合金的耐蚀性能, 同时具有潜在神经毒性。利用适量的Co和Cu来稳定奥氏体组织，可以将Mn含量控制在5wt.%以下。

其它合金元素含量均与传统的医用奥氏体不锈钢相当，并且杂质元素S和P均控制在0.01 wt.%以下的低水平，以保证合金优异的综合性能。

本发明通过同时采用钴、氮和铜这几种元素达到稳定组织的目的，替代常用的但有潜在毒性风险的奥氏体形成元素镍和锰，实现几乎无镍和低锰含量的合金，完全避免镍的致敏致畸以及锰的潜在的神经毒性危害，达到提高材料生物安全性的目的。同时，有利于氮化物和富铜相的协同析出。

需要注意的是，余量为Fe，指本发明的合金成分中除去Cr、Co、Mn、Cu、Mo、N几种主要成分以及Ni、C、Si、S、P等微量杂质成分之外的余量为Fe，Fe与Cr、Co、Mn、Cu、Mo、N以及Ni、C、Si、S、P的质量百分含量之和为100%。

优选的（质量百分比），镍Ni≤0.05，Co: 5~18，N: 0.30~0.60，Mn: 1~4，Cu：2.0~4.5。

通过对优选成分含量的优选，能够进一步提升合金性能。

根据本发明的第二个方面，提供了一种高氮无镍低锰抗菌合金的制备方法，包括以下步骤：

将配方量的成分冶炼、锻造后的合金经过1020~1200℃固溶处理0.5~2h，空冷或水冷至室温后，获得单相奥氏体组织；经550~750℃保温0.5~5h，后经900-1100℃保温0.01~1h，使氮化物和富铜相协同析出，得到高氮无镍低锰抗菌合金。

固溶处理温度典型但非限制性的例如为1020℃、1050℃、1100℃、1150℃、1200℃。固溶处理时间典型但非限制性的例如为0.5h、1h、1.5h或2h。

低温时效保温温度典型但非限制性的例如为550℃、600℃、650℃、700℃、750℃。低温时效保温时间典型但非限制性的例如为0.5h、1h、1.5h、2h、3h、4h、5h。

高温热处理保温温度典型但非限制性的例如为900℃、950℃、1000℃、1050℃、1100℃。高温热处理保温时间典型但非限制性的例如为0.01h、0.05h、0.1h、0.2h、0.5h、1h。

氮化物和富铜相协同析出：氮化物与富铜相的析出动力学不同，采用低温时效和高温热处理相结合的方式，可以实现二者的协同析出行为的调控。利用氮化物局部溶解，加速富铜相或基体中铜离子的析出，从而获得理想抗菌性能。

本发明通过特殊的热处理工艺，实现氮化物和富铜相的协同析出可控，获得高氮无镍抗菌合金的优异抗菌效果。

根据本发明的第三个方面，提供了一种高氮无镍低锰抗菌合金在制备植入性医疗器械、手术工具或日用品中的应用。

根据本发明的第四个方面，提供了一种医疗器械产品，主要由高氮无镍低锰抗菌合金制得。

该合金同时添加钴、氮和铜来稳定奥氏体组织，代替添加具有潜在毒性的镍元，作为生物医用材料，可避免镍离子溶出对人体产生的潜在危害。该合金加入适量奥氏体稳定元素钴和铜；避免加入过多奥氏体稳定元素氮，以减少为提高氮的固溶度而加入的具有潜在神经毒性的锰含量。作为生物医用材料，具有更高的生物安全性。

上述产品具有与高氮无镍低锰抗菌合金相同的优势，在此不再赘述。

下面通过实施例对本发明作进一步说明。如无特别说明，实施例中的材料为根据现有方法制备而得，或直接从市场上购得。

实施例1

本实施例中，高氮无镍抗菌合金的化学成分为（wt.%）：C：0.018；Cr：18.6；Co：17.2；Mn：3.97；Cu：3.13；Mo：2.86；N：0.34；Ni≤0.05%; Si≤0.75%，S≤0.01%，P≤0.01%；余量为Fe。

本实施例中高氮无镍抗菌合金采用高压氮气感应炉冶炼。上述方法获得的合金，锻造后，经过1150℃固溶处理1h，水冷至室温，固溶处理后的金相组织如图1所示，显示为单相奥氏体组织；在600℃保温2h后，在950℃保温5min，使氮化物和富铜相协同析出。

将实施例所得的高氮无镍抗菌合金进行抗菌性能检测。

杀菌率计算按照如下公式计算：杀菌率=（对照组活菌数-抗菌合金活菌数）/对照组活菌数。检测结果显示，高氮无镍抗菌合金对大肠杆菌的杀菌率≥99%，对金黄色葡萄球菌的杀菌率≥99%。如图2、图3所示。

参照ISO 10993-15:2000标准，在生理盐水中浸泡1周后，检测出Ni离子释放量＜1μg/L；Mn离子释放量为31μg/L。二者均远低于允许的日摄入量，使用中不存在毒性风险。

实施例2

本实施例中，高氮无镍抗菌合金的化学成分为（wt.%）：C：0.016；Cr：18.3；Co：6.9；Mn：4.57；Cu：4.24；Mo：2.57；N：0.44；Ni≤0.05%; Si≤0.75%，S≤0.01%，P≤0.01%；余量为Fe。

本实施例中高氮无镍抗菌合金采用高压氮气感应炉冶炼。上述方法获得的合金，锻造后，经过1150℃固溶处理1h，水冷至室温获得单相奥氏体组织；在650℃保温0.5h后，在950℃保温5min，使氮化物和富铜相协同析出。

将实施例所得的高氮无镍抗菌合金进行抗菌性能检测。检测方法同实施例1，检测结果显示，高氮无镍抗菌合金对大肠杆菌的杀菌率≥99%，对金黄色葡萄球菌的杀菌率≥99%。

参照ISO 10993-15:2000标准，在生理盐水中浸泡1周后，检测出Ni离子释放量＜1μg/L；Mn离子释放量为37μg/L。二者均远低于允许的日摄入量，使用中不存在毒性风险。

实施例3

本实施例中，高氮无镍抗菌合金的化学成分为（wt.%）：C：0.016；Cr：17.9；Co：15.8；Mn：1.42；Cu：4.35；Mo：2.39；N：0.35；Ni≤0.05%; Si≤0.75%，S≤0.01%，P≤0.01%；余量为Fe。

本实施例中高氮无镍抗菌合金采用高压氮气感应炉冶炼。上述方法获得的合金，锻造后，经过1150℃固溶处理1h，水冷至室温获得单相奥氏体组织；在720℃保温0.5h后，在950℃保温8min，使氮化物和富铜相协同析出。

将实施例所得的高氮无镍抗菌合金进行抗菌性能检测。检测方法同实施例1，检测结果显示，高氮无镍抗菌合金对大肠杆菌的杀菌率≥98%，对金黄色葡萄球菌的杀菌率≥98%。

参照ISO 10993-15:2000标准，在生理盐水中浸泡1周后，检测出Ni离子释放量＜1μg/L；Mn离子释放量为23μg/L。二者均远低于允许的日摄入量，使用中不存在毒性风险。

实施例4

本实施例中，高氮无镍抗菌合金的化学成分为（wt.%）：C：0.023；Cr：19.2；Co：16.5；Mn：2.31；Cu：4.11；Mo：2.54；N：0.58；Ni≤0.05%; Si≤0.75%，S≤0.01%，P≤0.01%；余量为Fe。

本实施例中高氮无镍抗菌合金首先在真空感应炉中冶炼并浇注铸锭，锻造后，在1050℃渗氮1h处理，氮气压力为0.25MPa，空冷至室温获得单相奥氏体组织；在600℃保温2h后，在950℃保温5min，使氮化物和富铜相协同析出。

将实施例所得高氮无镍抗菌合金进行抗菌性能检测。检测方法同实施例1，检测结果显示，高氮无镍抗菌合金对大肠杆菌的杀菌率≥99%，对金黄色葡萄球菌的杀菌率≥99%。

参照ISO 10993-15:2000标准，在生理盐水中浸泡1周后，检测出Ni离子释放量＜1μg/L；Mn离子释放量为29μg/L。二者均远低于允许的日摄入量，使用中不存在毒性风险。

实施例5

本实施例与实施例2不同在于：

将冶炼获得的合金，锻造后，经过1050℃固溶处理2h，水冷至室温获得单相奥氏体组织；在600℃保温2h后，在950℃保温5min，使氮化物和富铜相协同析出。

实施例6

本实施例与实施例2不同在于：

将冶炼获得的合金，锻造后，经过1150℃固溶处理1h，水冷至室温获得单相奥氏体组织；在750℃保温0.5h后，在980℃保温3min，使氮化物和富铜相协同析出。

对比例1

本实施例中，高氮无镍抗菌合金的化学成分为（wt.%）：C：0.016；Cr：17.9；Co：0.6；Mn：4.67；Cu：4.59；Mo：2.37；N：0.38；Ni≤0.05%; Si≤0.75%，S≤0.01%，P≤0.01%；余量为Fe。

本实施例中高氮无镍抗菌合金采用高压氮气感应炉冶炼。上述方法获得的合金，锻造后，经过1150℃固溶处理1h，水冷至室温。分析微观组织，发现仍然存在大量参与铁素体。说明仅采用N和Cu元素难以实现组织全奥氏体化。

对比例2

本实施例中，高氮无镍抗菌合金的化学成分为（wt.%）：C：0.017；Cr：18.5；Co：18.9；Mn：3.81；Cu：1.23；Mo：2.11；N：0.33；Ni≤0.05%; Si≤0.75%，S≤0.01%，P≤0.01%；余量为Fe。

本实施例中高氮无镍抗菌合金采用高压氮气感应炉冶炼。上述方法获得的合金，锻造后，经过1150℃固溶处理1h，水冷至室温获得单相奥氏体组织；在600℃保温2h后，在950℃保温5min，仅发现氮化物析出，未发现富铜相析出。

将实施例所得高氮无镍抗菌合金进行抗菌性能检测。杀菌率计算按照如下公式计算：杀菌率=（对照组活菌数-抗菌合金活菌数）/对照组活菌数。检测结果显示，高氮无镍抗菌合金对大肠杆菌的杀菌率≤10%，对金黄色葡萄球菌的杀菌率≤10%。

对比例2说明主要采用Co和N元素稳定奥氏体时，难以实现氮化物和富铜相协同析出，因而抗菌效果不佳。

对比例3

本实施例与实施例2不同在于：

将冶炼获得的合金，锻造后，经过1050℃固溶处理2h，水冷至室温获得单相奥氏体组织；在850℃保温2h后，在950℃保温5min。仅发现氮化物析出，未发现富集铜析出。

将实施例所得高氮无镍抗菌合金进行抗菌性能检测。杀菌率计算按照如下公式计算：杀菌率=（对照组活菌数-抗菌合金活菌数）/对照组活菌数。检测结果显示，高氮无镍抗菌合金对大肠杆菌的杀菌率≤10%，对金黄色葡萄球菌的杀菌率≤10%。

对比例4

本实施例与实施例2不同在于：

将冶炼获得的合金，锻造后，经过1050℃固溶处理2h，水冷至室温获得单相奥氏体组织；在500℃保温2h后，在950℃保温5min。未发现氮化物和富集铜析出。

将实施例所得高氮无镍抗菌合金进行抗菌性能检测。杀菌率计算按照如下公式计算：杀菌率=（对照组活菌数-抗菌合金活菌数）/对照组活菌数。检测结果显示，高氮无镍抗菌合金对大肠杆菌的杀菌率≤10%，对金黄色葡萄球菌的杀菌率≤10%。

对比例5

本实施例与实施例2不同在于：

将冶炼获得的合金，锻造后，经过1050℃固溶处理2h，水冷至室温获得单相奥氏体组织；在650℃保温2h后。发现氮化物大量析出，富集铜析出较少。

将实施例所得高氮无镍抗菌合金进行抗菌性能检测。杀菌率计算按照如下公式计算：杀菌率=（对照组活菌数-抗菌合金活菌数）/对照组活菌数。检测结果显示，高氮无镍抗菌合金对大肠杆菌的杀菌率≤20%，对金黄色葡萄球菌的杀菌率≤20%。另外，合金表现出明显的脆性。

对比例3、对比例4和对比例5说明，在特殊的热处理工艺下才能实现氮化物和富铜相的协同析出可控，否则难以实现高氮无镍抗菌合金的优异抗菌效果。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种高氮无镍低锰抗菌合金，其特征在于，所述高氮无镍低锰抗菌合金由按质量百分比计的如下成分组成：铬15~30%，钴12~30%，锰1~5%，铜1~5%，钼1~4%，氮0.30~0.5%，镍≤0.05%，碳≤0.03%，硅≤0.75%，硫≤0.01%，磷≤0.01%，余量为Fe；

高氮无镍低锰抗菌合金的制备方法包括以下步骤：

将配方量的成分冶炼、锻造后的合金经过1020~1200℃固溶处理0.5~2h，冷却至室温后，获得单相奥氏体组织；经550~750℃保温0.5~5h，后经900-1100℃保温0.01~1h，使氮化物和富铜相协同析出，得到高氮无镍低锰抗菌合金。

2.根据权利要求1所述的高氮无镍低锰抗菌合金，其特征在于，所述高氮无镍低锰抗菌合金由按质量百分比计的如下成分组成：铬15~30%，钴12~18%，锰1~4%，铜2~4.5%，钼1~4%，氮0.30~0.5%，镍≤0.05%，碳≤0.03%，硅≤0.75%，硫≤0.01%，磷≤0.01%，余量为Fe。

3.一种权利要求1-2任一项所述的高氮无镍低锰抗菌合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

将配方量的成分冶炼、锻造后的合金经过1020~1200℃固溶处理0.5~2h，冷却至室温后，获得单相奥氏体组织；经550~750℃保温0.5~5h，后经900-1100℃保温0.01~1h，使氮化物和富铜相协同析出，得到高氮无镍低锰抗菌合金。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述冷却为空冷或水冷。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，采用高压氮气感应炉或真空感应炉进行冶炼。

6.一种权利要求1-2任一项所述的高氮无镍低锰抗菌合金在制备植入性医疗器械、手术工具或日用品中的应用。

7.一种医疗器械产品，其特征在于，主要由权利要求1-2任一项所述的高氮无镍低锰抗菌合金制得。

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