含銅不銹鋼在尿液中的鈍化膜分析及銅離子的溶出

朱博軒，李建中，趙 靜2，，范連慧，邢鵬飛

（1.東北大學 冶金學院，沈陽 110819；2.中國科學院金屬研究所，沈陽 110016；3.中國人民解放軍北部戰(zhàn)區(qū)總醫(yī)院，沈陽110083 ）

目前，由植入器械誘發(fā)的感染占醫(yī)源性感染的40%［1］.泌尿系統(tǒng)在人體環(huán)境中相對開放，細菌種類及數(shù)量均高于其他部位，因此在泌尿系統(tǒng)環(huán)境中，感染更為高發(fā)［2］.臨床數(shù)據(jù)顯示，輸尿管支架植入患者體內(nèi)后，7 d 內(nèi)約10%～50%的患者發(fā)生尿路感染，當植入超過30 d 時，感染率接近100%［3-4］.因此，在過去的50 年中，大量的研究工作集中于優(yōu)化材料抗菌性能這一領域［5］.中國科學院金屬研究所楊柯團隊研究發(fā)現(xiàn)，利用銅強烈的廣譜抗菌功能，在不銹鋼中加入一定量的銅并采用相應的熱處理工藝，可以使材料基體內(nèi)形成納米尺寸且分布均勻的富銅相［6-7］.富銅相在空氣中氧氣和水蒸氣的作用下，表面釋放出銅離子，抑制細菌生物膜在材料表面形成［8］.含銅不銹鋼以特殊的物理抗菌機制，有效解決了細菌對抗生素的耐藥性，為抑制感染提供了穩(wěn)定的途徑［9］.含銅抗菌醫(yī)用金屬新材料能有效抑制在其表面上形成的細菌生物膜，從而降低細菌感染的發(fā)生率，使植入器械的臨床醫(yī)療效果更佳.但目前心血管病患者植入的支架大多是醫(yī)用316L 不銹鋼，支架植入人體后易引發(fā)冠狀動脈疾病［10］.

不銹鋼的耐腐蝕性能源于其表面致密且穩(wěn)定的鈍化膜［11］.相關研究發(fā)現(xiàn)，鈍化膜由Cr，F(xiàn)e，Ni等氧化物組成，表面形成的屏障層阻礙外界物質(zhì)進一步與材料基體反應，從而保持不銹鋼的穩(wěn)定性［12］.含銅不銹鋼不同于傳統(tǒng)不銹鋼材料，表面的鈍化膜中除含有CrO3，Cr2O3，F(xiàn)eCr2O4，F(xiàn)e2O3等，還含有Cu 組成的氧化物質(zhì)，如Cu2O 和CuO［13］.趙金龍等［14］研究發(fā)現(xiàn)，含銅不銹鋼鈍化膜中Cu 的價態(tài)分布不同，直接影響材料腐蝕性能.高含量（質(zhì)量分數(shù)）的Cr2O3，Cr（OH）3，CuO 可有效提高材料耐點蝕性能.王育武等［15］研究了不同溫度對含銅不銹鋼鈍化膜的影響，發(fā)現(xiàn)隨著溫度升高，其耐蝕性降低.但是截至目前，含銅不銹鋼表面鈍化膜研究均集中于空氣環(huán)境中，并未研究材料應用于體內(nèi)植入時，在人體緩沖液作用下表面鈍化膜狀態(tài)及特定環(huán)境對鈍化膜的影響.因此，本文中從含銅不銹鋼輸尿管支架服役角度出發(fā)，研究材料在尿液環(huán)境中表面鈍化膜狀態(tài)及其對銅離子溶出的影響.

1 材料與方法

1.1 實驗材料

在目前臨床上廣泛應用的醫(yī)用316L 奧氏體不銹鋼成分基礎上，添加4%～5%的Cu，用25 kg真空感應爐進行熔煉，經(jīng)過鍛造、軋制等工藝，制備316L 型含銅不銹鋼（316L-Cu）實驗材料.材料成分如表1 所列.用1 050 ℃固溶0.5 h，700 ℃保持時效6 h 的熱處理工藝，含銅不銹鋼中析出富銅相.以臨床中廣泛應用的316L 不銹鋼為對照材料，將實驗材料加工成尺寸為φ10 mm×1 mm的片狀樣品，所有樣品經(jīng)水磨砂紙逐級打磨拋光.

表1 316L-Cu 不銹鋼化學成分（質(zhì)量分數(shù)）Table 1 316L-Cu stainless steel chemical composition（mass fraction） %

1.2 人體尿液采集

人體尿液采集于6 名無尿路感染史、近期未服用藥物且無特殊飲食的健康志愿者.實驗中所用尿液為新鮮中段晨尿，在無菌環(huán)境中采集，且采集容器經(jīng)滅菌處理.將采集的新鮮尿液經(jīng)0.45 μm濾膜過濾，以去除尿液中的顆粒物質(zhì)，并分裝至無菌的5 mL 離心管中，-20 ℃冷凍保存.實驗前，將溫度平衡至室溫.

1.3 X 射線光電子譜分析

將316L-Cu 不銹鋼和316L 不銹鋼分別在尿液中浸泡72 h，浸泡比例為3 cm2／mL，溫度為37 ℃.取出干燥后，采用X 射線光電子能譜（XPS，Thermo VG，USA）對316L-Cu 不銹鋼和316L 不銹鋼表面進行測試，考察材料在模擬體內(nèi)環(huán)境中表面元素價態(tài)變化.為了深入研究材料表面不同深度的元素成分及狀態(tài)，設定不同濺射時間，并在每一時間點進行全譜掃描，同時對Cr，F(xiàn)e，Cu 的精細譜進行分析.XPS 測量在ESCALAB-250 俄歇表面測量系統(tǒng)上進行，其中單色X 射線源為1 486.6 eV，150 W 的鋁Kα，以C 1s峰284.6 eV 為參照，濺射速度為0.2 nm／s.

2 結(jié)果分析與討論

圖1 為316L-Cu 不銹鋼和316L 不銹鋼分別與尿液接觸72 h 后鈍化膜的全譜圖.從圖中可知，兩種不銹鋼材料表面形成的鈍化膜的主要元素均為Cr 2p3／2 和O 1s，其中316L-Cu 不銹鋼還含有Cu 2p3／2.此外，由于材料表面吸附尿液中的無機鹽，還含有Ca 2p3／2，P 2s，Mg 2p 及C 1s.

圖1 材料與尿液接觸72 h 后鈍化膜全譜圖Fig.1 Full spectrum of passive films on materials after exposure to human urine for 72 h

尿液中含有尿素、無機鹽等，不銹鋼與尿液接觸后，表面形成鈍化膜以防止材料腐蝕.鈍化膜是由氧化鉻與鐵的氧化物混合而成，同時還會吸附尿液中的無機物和有機物，從而形成一種自身氧化膜與外界物質(zhì)混合的“調(diào)節(jié)膜”（由外文文獻中“condition film”翻譯而來）［16］.為了更直接地表征材料暴露在人體尿液后的表面成膜情況，對材料表面濺射不同時間的Cr，F(xiàn)e 進行分析，結(jié)果如圖2 所示.由圖可知，隨著濺射時間的增加，Cr 和Fe的結(jié)合能峰位置逐漸移動，可見元素的狀態(tài)及質(zhì)量分數(shù)發(fā)生變化.316L-Cu 不銹鋼濺射110 s 時的峰位置移動較大，表明這一深度的材料成分變化較大.進一步對濺射110 s 的材料表面Cr 和Fe 進行分峰處理，結(jié)果如圖3 所示.Cr 的2p3／2 結(jié)合能峰可分解為Cr2O3（標準峰為576.6 eV）和Cr（標準峰為574.1 eV）兩個主峰.316L-Cu 不銹鋼和316L 不銹鋼鈍化膜中的Cr 均以Cr2O3和Cr 形態(tài)存在，表2 給出了濺射110 s 時Cr2O3和Cr 的質(zhì)量分數(shù).316L-Cu 不銹鋼表面鈍化膜中Cr2O3的質(zhì)量分數(shù)低于316L 不銹鋼，而Cr 的質(zhì)量分數(shù)明顯增加，表明316L-Cu 不銹鋼表面形成的“調(diào)節(jié)膜”更薄.Fe 的2p3／2 結(jié)合能峰可分解為Fe2O3（標準峰為710.7 eV），F(xiàn)e3O4（標準峰為708.1 eV）和Fe（標準峰為706.75 eV）三個主峰.材料與尿液接觸72 h 后，有部分Fe 狀態(tài)發(fā)生變化，被氧化為Fe2O3和Fe3O4.從表2 中可以看出，316L-Cu 不銹鋼表面Fe 的質(zhì)量分數(shù)高于316L 不銹鋼，說明316L-Cu 不銹鋼表面“調(diào)節(jié)膜”厚度小于316L 不銹鋼.

表2 材料與尿液接觸72 h 后，濺射110 s 時鈍化膜中Cr 和Fe 的質(zhì)量分數(shù)Table 2 The mass fraction of Cr and Fe in passive films on materials with 110 s sputtering time for 72 h %

圖2 材料與尿液接觸72 h 后，表面濺射不同時間的Cr 和Fe 的XPS 分析Fig.2 XPS analyses of Cr and Fe elements on materials after exposure to human urine for 72 h with different sputtering time

圖3 材料與尿液接觸72 h 后，濺射110 s 的Cr 和Fe 的XPS 分析Fig.3 XPS analyses of Cr and Fe elements on materials after exposure to human urine for 72 h with 110 s sputtering

圖4 給出了兩種材料表面Cr 和Fe 原子在形成的“調(diào)節(jié)膜”中所占百分比.316L-Cu 不銹鋼中Cr 和Fe 所占比例較高，表明其表面從尿液中吸附的物質(zhì)質(zhì)量分數(shù)較小，且尿液中的無機鹽在其表面沉積的厚度較小.這說明尿液中磷酸鈣、磷酸銨、尿素等物質(zhì)在316L 不銹鋼表面的吸附量及厚度均大于316L-Cu 不銹鋼，從而導致316L 不銹鋼形成較厚的“調(diào)節(jié)膜”.

圖4 兩種材料濺射不同時間的Cr 和Fe 的原子數(shù)分數(shù)Fig.4 Atomic percentages of Cr and Fe on materials after different sputtering time

為了研究Cu2＋的溶出機制，對316L-Cu 不銹鋼表面鈍化膜不同深度的Cu 的狀態(tài)進行分析.圖5 為316L-Cu 不銹鋼在空氣環(huán)境下Cu 的XPS 分析結(jié)果圖.從圖中可知，濺射10 s 的Cu 的特征峰可分解為Cu（標準峰為932.4 eV），Cu2O（標準峰為932 eV），CuO（標準峰為933.6 eV）3 個主峰.由此可知，含銅不銹鋼與空氣接觸后發(fā)生電化學反應，生成銅的氧化物，具體反應見下式：

圖5 316L-Cu 不銹鋼與空氣接觸72 h 后，濺射10 s 的Cu 的XPS 分析Fig.5 XPS analysis of Cu element on 316L-Cu SS with 10 s sputtering after exposure to air for 72 h

含銅不銹鋼在空氣中的水分和氧氣的作用下，形成Cu2O 和CuO 混合的氧化膜；當其植入人體后，在尿液中的水、酸性物質(zhì)等共同作用下，Cu2O 和CuO 不斷與H＋反應，產(chǎn)生Cu2＋，反應式如下：

上述反應式中產(chǎn)生的Cu2＋在材料表面溶出，隨體液擴散后，不斷有新的材料表面顯露出來，人體尿液中存在大量H＋，在弱酸條件下可以不斷與Cu2＋發(fā)生反應，從而賦予含銅不銹鋼持久的生物功能性.

3 結(jié)論

（1）316L-Cu 不銹鋼在尿液中形成Cr2O3和N，P 等化合物混合的“調(diào)節(jié)膜”，且“調(diào)節(jié)膜”厚度小于316L 不銹鋼表面形成的膜.

（2）316L-Cu 不銹鋼中的銅以離子形式溶出，且基體中的銅不斷發(fā)生氧化還原反應，由此賦予材料持久的生物功能性.