专利名称：一种医用无镍型高氮奥氏体抗菌不锈钢及其制备和应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及医用不锈钢材料领域，具体为一种医用无镍型高氮奥氏体抗菌不锈钢及其制备和应用。
背景技术：
随着国民经济的高速发展，社会的不断进步和人们生活水平的普遍提高，生物医用材料的研究、开发与医学临床应用正在产生越来越重要的社会和经济影响。目前全球每年生物医用材料及其相关医疗器械的市场销售总额超过2500亿美元，已使千万上亿的各类患者得到诊治，恢复健康。在今后的20年内，其仍将以10-20%的速率高速增长，预计会很快达到医药产品的市场销售总额。生物医用材料具有无限广阔的发展和应用空间。医用不锈钢以其高强韧性、耐疲劳、易加工成形和应用可靠性高等一系列优良特 性，一直是医学临床上用量大而广泛的一类生物医用材料，占到植入性医疗器械用材的40%以上。医用不锈钢是需要承受较高载荷的骨、齿等硬组织治疗以及介入治疗支架的首选植入材料，大量应用于骨科、齿科、心血管介入治疗等医疗领域中的各类植入医疗器械和手术工具，骨折内固定系统、人工关节、人工脊柱、颅骨修复支架、牙种植体、冠脉心血管支架等是其中典型的高端植入器械产品代表。在医用不锈钢中，目前用量最大和应用范围最广的是传统的含镍型医用不锈钢，如316L、317L等医用不锈钢，镍在这些不锈钢中起到稳定奥氏体结构的作用。然而，这些不锈钢在植入人体后，由于腐蚀或磨损等原因造成其表面的钝化层或保护层发生破坏，其中的金属镍元素很容易富集于植入物周围的组织中。镍元素是一种潜在的致敏因子，对生物体有致畸、致癌的危害性。因此，镍元素在生物体内植入物周围组织中的富集可能会诱发毒性效应，发生细胞破坏和发炎等反应。西方许多国家针对镍的危害，早已制定和颁布相关文件和标准来限制生物医用金属中的镍含量。因此针对医用不锈钢的应用广泛性和其中镍的危害性，发展和应用性能优良的新型医用无镍奥氏体不锈钢成为医用金属材料的必然趋势。医用高氮无镍奥氏体不锈钢是采用高含量氮元素和锰元素来代替镍元素以稳定奥氏体结构的一类新型不锈钢，主要是针对和解决传统含镍型医用不锈钢(如304、316L、317L等不锈钢)中存在的镍危害等临床问题。医用高氮无镍奥氏体不锈钢完全抛弃了有致敏、诱发血栓形成和致癌等毒副作用的镍元素，同时具有更高的强度、更优的耐蚀性和良好的生物相容性，作为新型外科植入物材料具有极大优势，目前美国等国家已在骨科、心血管支架等医学临床领域中得到了初步应用。此外，作为常见的术后并发症，包括医用不锈钢等材料的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。
发明内容
本发明的目的是提供一种医用无镍型高氮奥氏体抗菌不锈钢新材料，旨在同时解决现有临床治疗中医用不锈钢植入器械引发的镍过敏和细菌感染等问题。为实现上述目的，本发明采用的技术方案是一种医用无镍型高氮奥氏体抗菌不锈钢按重量百分比计，不锈钢的化学成分为，碳 C ·.( O. 03 ;铬0 :12-19 ;锰胞:12-18 ;镍祖·.( O. I ;钥 Mo 2. 0-4. O ;氮^0. 45-0.8 ；铜Cu 3. 5-5. 5 ;娃Si ■.( O. 5 ;硫S ■.( O. 01 ;磷卩彡O. 02 ;余量=Fe0其中钢中杂质元素含量均符合国家标准“外科植入物用不锈钢”(GB 4234-03)中的相应要求。
铜元素含量的优选范围为，Cu :3. 5-4. 5(wt % )。镍元素含量的优选范围为Ni ( O. 05(wt% )。氮元素含量的优选范围为N 0. 45-0. 6 (wt% )。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，这是保证不锈钢抗菌功能的必要条件。本发明中的不锈钢中的含铜量为3. 0-5. 5 (wt) %，其在室温下为过饱和含量，以保证在对不锈钢进行特殊抗菌热处理之后，富铜相能够在不锈钢中均匀和弥散析出，从而赋予不锈钢具有强烈和广谱抗菌功能。本发明所提供的新型医用不锈钢中，要求控制镍(Ni) ( O. I (wt) %，使其成为不锈钢中应控制的杂质元素。由于氮是强烈的奥氏体化元素，其奥氏体化能力约是同含量镍的20-30倍。为保证不锈钢能够获得单一稳定的奥氏体结构、优良的力学性能和高的耐蚀性，钢中的氮含量应大于0.45(wt)%。但如果钢中加入太多的氮，则容易在钢中形成气孔，或造成氮化物的析出，对钢的力学性能不利，所以钢中的氮含量控制在O. SO(Wt) %以下。钥(Mo)提高奥氏体不锈钢的耐点蚀及缝隙腐蚀等性能，其耐点蚀及缝隙腐蚀的能力为铬的3倍左右，钥还能强化钢中铬的耐蚀作用。此外，同时添加氮元素和钥元素时，还能进一步提高不锈钢的耐腐蚀性能，特别是耐点蚀性能。因此设计钢中的钥含量为
2-4(wt) %。一种权利要求I所述医用无镍型高氮奥氏体抗菌不锈钢的制备方法不锈钢采用氮气加压感应炉冶炼、氮气加压电渣重熔炉冶炼或高温气相渗氮炉冶炼，而后进行热处理，即得无镍型高氮奥氏体抗菌不锈钢；所述不锈钢的热处理工艺为(I)在 1000-1100oC (1000、1040、1080或11001)保温 O. 5-2h (O. 5、1、1· 5 或 2h)，
使不锈钢中的铜能充分固溶于基体中，然后空冷或水冷至室温，使不锈钢中的铜处于过饱和状态；(2)在 600-800。。(600、650、700、750 或 80(TC )保温 O. 5_10h (O. 5、I、I. 5、2、2· 5、
3、4· 5、5、5· 5、6、6· 5、7、7· 5、8、8. 5、9、9· 5或IOh)，使过饱和的铜从不锈钢中析出足够量的
富铜相，富铜相在不锈钢基体中均匀和弥散分布，然后空冷或水冷至室温。本发明在热处理过程中，加热温度与保温时间是两个非常重要的参数。如加热温度过低，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，对不锈钢的抗菌性能和机械性能不利。
医用无镍型高氮奥氏体抗菌不锈钢的应用所述不锈钢应用于骨科、口腔科、心血管支架医学临床领域中使用的各类不锈钢植入器械或各类不锈钢外科手术工具。本发明的有益效果是I、本发明通过实验研究，在高氮无镍奥氏体不锈钢中添加3. 0-5. 5重量％的铜元素，获得了具有广谱抗菌功能的医用不锈钢新材料。2、本发明中的无镍型高氮奥氏体抗菌不锈钢可广泛应用于骨科、口腔科、心血管支架医学临床领域中使用的各类不锈钢植入器械以及各类不锈钢外科手术工具。3、本发明利用医用高氮无镍奥氏体不锈钢的性能优势，在其原有化学成分基础上，通过加入适量的铜元素，得到一种自身具有强烈和广谱抗菌功能的医用无镍型高氮奥 氏体抗菌不锈钢，进一步消除或减少相关医疗器械引发的细菌感染问题，从而增加了医用高氮无镍奥氏体不锈钢的功能性，具有重要的临床应用价值。
图I为本发明实施例提供的不锈钢进行对大肠杆菌的抑菌效果图，其中(a)对照用高氮无镍奥氏体不锈钢(不含铜);(b)添加3. 99% Cu ； (c)添加4. 55% Cu ； (d)添加
5.38% Cu。图2为本发明实施例提供的不锈钢进行金黄色葡萄球菌的抑菌效果图，其中(a)对照用高氮无镍奥氏体不锈钢(不含铜);(b)添加3. 99% Cu ； (c)添加4. 55% Cu ； (d)添加 5. 38% Cu。图3为本发明实施例提供的不锈钢经特殊抗菌热处理的维氏硬度与时效时间关系图。
具体实施例方式下面通过实施例详述本发明。实施例I :本实施例中，无镍型奥氏体抗菌不锈钢的主要成分为(重量)％ :C 0. 019，Cr 16. 55，Mn 13. 7，Mo 2. 42，N 0. 45，Cu 3. 99，其余为 Fe。冶炼方法为本实施例采用的冶炼方案是按照常规的无镍型奥氏体抗菌不锈钢采用加压(氮气正压)感应炉冶炼和电渣炉精炼。热处理工艺为在1050°C保温lh，使不锈钢中的铜能充分固溶于基体中，然后空冷或水冷至室温，使不锈钢中的铜处于过饱和状态；在700°C保温6h，使过饱和的铜从不锈钢中析出足够量的富铜相，富铜相在不锈钢基体中均匀和弥散分布，然后空冷或水冷至室温。而后将实施例所得抗菌不锈钢进行抗菌性能的检测，按照下述公式计算抗菌不锈钢和对照样品(普通不锈钢或无杀菌能力的其它固体材料)对常见细菌(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-抗感染不锈钢活菌数)/对照样品活菌数]XlOO式中，对照样品活菌数是对照样品上进行细菌培养后的活菌数，抗菌不锈钢活菌数是指抗菌不锈钢上进行细菌培养后的活菌数。抑菌试验按照“JIS Z 2801-2000《抗菌加工制品-抗菌性试验方法和抗菌效果》、GB/T 21510-2008《纳米无机材料抗菌性能检测方法》”等标准规定，具体为分别取试验用菌液O. 3mL滴加到对照不锈钢(普通不锈钢)、无镍型抗菌不锈钢样品上。用灭菌镊子将覆盖膜分别覆在各个样品上，使菌液均匀接触样品，置于灭菌平皿中，放在恒温培养箱中37°C、对湿度90%以上条件下培养24h。取出已培养24h的样品，分别加入15mL洗脱液，反复清洗样品及覆盖膜，充分摇匀后，分别取O. ImL滴加到板营养琼脂培养基，每个样品做三个平行样，并用灭菌三角耙涂匀，置于37°C恒温箱中培养48h后按照GB/T4789. 2的方法进行活菌计数其检测结果为(I)对大肠杆菌(Eschericher Coli)的杀菌率彡99. 9%,抗菌效果如图I所示；(2)对金黄色葡萄球菌(Staphyococcus aureus)的杀菌率> 99. 9%,抗菌效果如图2所示。实施例2 本实施例中，无镍型奥氏体抗菌不锈钢的主要成分为(重量)％ :C 0. 021，Cr 16. 52，Mn 13. 9，Mo 2. 43，N 0. 48，Cu 4. 55，其余为 Fe。冶炼方法为无镍型奥氏体抗菌不锈钢采用加压(氮气正压)感应炉冶炼和电渣炉精炼。热处理工艺为在1050°C保温lh，使不锈钢中的铜能充分固溶于基体中，然后水冷至室温，使不锈钢中的铜处于过饱和状态；在700°C保温6h，使过饱和的铜从不锈钢中析出足够量的富铜相，富铜相在不锈钢基体中均匀和弥散分布，然后空冷至室温。本发明提供了抗菌不锈钢抗菌性能的检测方法，按照下述公式计算抗菌不锈钢和对照样品(普通不锈钢或无杀菌能力的其它固体材料)对常见细菌(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-抗感染不锈钢活菌数)/对照样品活菌数]XlOO式中，对照样品活菌数是对照样品上进行细菌培养后的活菌数，抗菌不锈钢活菌数是指抗菌不锈钢上进行细菌培养后的活菌数。抑菌试验按照“JIS Z 2801-2000《抗菌加工制品-抗菌性试验方法和抗菌效果》、GB/T 21510-2008《纳米无机材料抗菌性能检测方法》”等标准规定，具体为分别取试验用菌液O. 3mL滴加到对照不锈钢、无镍型抗菌不锈钢样品上。用灭菌镊子将覆盖膜分别覆在各个样品上，使菌液均匀接触样品，置于灭菌平皿中，放在恒温培养箱中37°C、对湿度90%以上条件下培养24h。取出已培养24h的样品，分别加入15mL洗脱液，反复清洗样品及覆盖膜，充分摇匀后，分别取O. ImL滴加到板营养琼脂培养基，每个样品做三个平行样，并用灭菌三角耙涂匀，置于37°C恒温箱中培养48h后按照GB/T4789. 2的方法进行活菌计数其检测结果为(I)对大肠杆菌(Eschericher Coli)的杀菌率彡99. 9%,抗菌效果如图I所示；(2)对金黄色葡萄球菌(Staphyococcus aureus)的杀菌率> 99. 9%,抗菌效果如图2所示。实施例3 本实施例中，无镍型奥氏体抗菌不锈钢的主要成分为(重量)％ :C 0. 023，Cr 16. 36，Mn 14. 1，Mo 2. 41，N 0. 47，Cu 5. 38，其余为 Fe。冶炼方法为无镍型奥氏体抗菌不锈钢采用加压(氮气正压)感应炉冶炼和电渣炉精炼。热处理工艺为在1050°C保温lh，使不锈钢中的铜能充分固溶于基体中，然后水冷至室温，使不锈钢中的铜处于过饱和状态；在700°C保温6h，使过饱和的铜从不锈钢中析出足够量的富铜相，富铜相在不锈钢基体中均匀和弥散分布，然后空冷至室温。本发明提供了抗菌不锈钢抗菌性能的检测方法，按照下述公式计算抗菌不锈钢和 对照样品(普通不锈钢或无杀菌能力的其它固体材料)对常见细菌(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-抗感染不锈钢活菌数)/对照样品活菌数]XlOO式中，对照样品活菌数是对照样品上进行细菌培养后的活菌数，抗菌不锈钢活菌数是指抗菌不锈钢上进行细菌培养后的活菌数。抑菌试验按照“JIS Z 2801-2000《抗菌加工制品-抗菌性试验方法和抗菌效果》、GB/T 21510-2008《纳米无机材料抗菌性能检测方法》”等标准规定，具体为分别取试验用菌液O. 3mL滴加到对照不锈钢、无镍型抗菌不锈钢样品上。用灭菌镊子将覆盖膜分别覆在各个样品上，使菌液均匀接触样品，置于灭菌平皿中，放在恒温培养箱中37°C、对湿度90%以上条件下培养24h。取出已培养24h的样品，分别加入15mL洗脱液，反复清洗样品及覆盖膜，充分摇匀后，分别取O. ImL滴加到板营养琼脂培养基，每个样品做三个平行样，并用灭菌三角耙涂匀，置于37°C恒温箱中培养48h后按照GB/T4789. 2的方法进行活菌计数其检测结果为(I)对大肠杆菌(Eschericher Coli)的杀菌率彡99. 9%,抗菌效果如图I所示；(2)对金黄色葡萄球菌(Staphyococcus aureus)的杀菌率> 99. 9%,抗菌效果如图2所示。分别测量上述实施例1-3所得的不锈钢在1050°C保温lh，然后空冷或水冷至室温；在700°C分别保温O. 5、l、2、3、4、5、6h，然后空冷，即在700°C下保温不同时间的显微硬
度。其结果见图3。由图3可知由于富铜相在不锈钢中的弥散析出而导致的不锈钢显微硬度随时效时间的增加的逐渐升高，最后趋于平缓，证明了富铜相的析出。其原理参见已发表的文章(Ling Ren, Li Nan, Ke Yang, Study of copper precipitation behavior ina Cu—bearing austenitic antibacterial stainless steel. Materials & Design，2011(32) :2374-2379) 由上述抑菌试验数据可知将本发明所得无镍型高氮奥氏体抗菌不锈钢具有强烈的广谱杀菌作用。针对日益严重的植入医疗器械引发的相关感染问题，无镍型高氮奥氏体抗菌不锈钢可广泛应用于骨科(人工关节、骨创伤产品、脊柱矫形内固定系统等)、口腔正畸(托槽、带环、矫治弓丝、支抗用种植体)、心血管支架等医学临床领域中使用的各类不锈钢植入器械以及各类不锈钢外科手术工具。实施例4与实施例I不同之处在于热处理工艺为在1000°C保温2h，使不锈钢中的铜能充分固溶于基体中，然后水冷至室温，使不锈钢中的铜处于过饱和状态；在700°C保温6h，使过饱和的铜从不锈钢中析出足够量的富铜相，富铜相在不锈钢基体中均匀和弥散分布，然后空冷至室温。实施例5热处理工艺为在1080°C保温0.5h，使不锈钢中的铜能充分固溶于基体中，然后水冷至室温，使不锈钢中的铜处于过饱和状态；在700°C保温6h，使过饱和的铜从不锈钢中析出足够量的富铜相，富铜相在不锈钢基体中均匀和弥散分布，然后空冷至室温。 实施例6热处理工艺为在1050°C保温lh，使不锈钢中的铜能充分固溶于基体中，然后水冷至室温，使不锈钢中的铜处于过饱和状态；在600°C保温8h，使过饱和的铜从不锈钢中析出足够量的富铜相，富铜相在不锈钢基体中均匀和弥散分布，然后空冷至室温。实施例7热处理工艺为在1050°C保温lh，使不锈钢中的铜能充分固溶于基体中，然后水冷至室温，使不锈钢中的铜处于过饱和状态；在8001保温4h，使过饱和的铜从不锈钢中析出足够量的富铜相，富铜相在不锈钢基体中均匀和弥散分布，然后空冷至室温。
权利要求
1.一种医用无镍型高氮奥氏体抗菌不锈钢，其特征在于按重量百分比计，不锈钢的化学成分为，碳C :≤O. 03 ;铬0 :12-19 ;锰胞:12-18 ;镍祖:≤O. I ;·Μο :2. 0-4. O ;氮N :O. 45-0. 8 ;铜 Cu 3. 5-5. 5 ;硅 Si S O. 5 ;硫 S S O. 01 ;磷卩 S O. 02 ;余量Fe。
2.按照权利要求I所述医用无镍型高氮奥氏体抗菌不锈钢，其特征在于铜元素含量的优选范围为，Cu 3. 5-4. 5(wt% )。
3.按照权利要求I所述医用无镍型高氮奥氏体抗菌不锈钢，其特征在于镍元素含量的优选范围为Ni ( O. 05(wt% )。
4.按照权利要求I所述医用无镍型高氮奥氏体抗菌不锈钢，其特征在于氮元素含量的优选范围为N 0. 45-0. 6 (wt% )。
5.一种权利要求I所述医用无镍型高氮奥氏体抗菌不锈钢的制备方法，其特征在于不锈钢采用氮气加压感应炉冶炼、氮气加压电渣重熔炉冶炼或高温气相渗氮炉冶炼，而后进行热处理，即得无镍型高氮奥氏体抗菌不锈钢； 所述不锈钢的热处理工艺为 (1)在1000-1100°c保温O.5-2h，使不锈钢中的铜能充分固溶于基体中，然后空冷或水冷至室温，使不锈钢中的铜处于过饱和状态； (2)在600-800°C保温O.5-10h,使过饱和的铜从不锈钢中析出足够量的富铜相，富铜相在不锈钢基体中均匀和弥散分布，然后空冷或水冷至室温。
6.一种权利要求I所述的医用无镍型高氮奥氏体抗菌不锈钢的应用，其特征在于所述不锈钢应用于骨科、口腔科、心血管支架医学临床领域中使用的各类不锈钢植入器械或各类不锈钢外科手术工具。
全文摘要
本发明涉及医用不锈钢材料领域，具体为一种医用无镍型高氮奥氏体抗菌不锈钢及其制备和应用。该不锈钢的化学成分如下(重量％)C≤0.03；Cr12-19；Mn12-18；Ni≤0.1；Mo2.0-4.0；N0.45-0.8；Cu3.5-5.5；Si≤0.5；硫S≤0.01；P≤0.02；余量为Fe。本发明通过在医用无镍型高氮奥氏体不锈钢中添加适量的铜元素，并经过特殊热处理后，在不锈钢基体中弥散析出有富铜相，从而赋予该不锈钢强烈的广谱抗菌功能。本发明涉及的医用不锈钢新材料不仅不含对人体有毒性作用的镍元素，而且还具有抗菌功能，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植入器械以及各类不锈钢外科手术工具。
文档编号C22C33/04GK102787277SQ201110129238
公开日2012年11月21日 申请日期2011年5月18日 优先权日2011年5月18日
发明者任伊宾, 任玲, 杨柯 申请人:中国科学院金属研究所