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(xué) 冶金學(xué)院，沈陽(yáng) 110819；2.中國(guó)科學(xué)院金屬研究所，沈陽(yáng) 110016；3.中國(guó)人民解放軍北部戰(zhàn)區(qū)總醫(yī)院，沈陽(yáng)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(duì)開放，細(xì)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(dāng)植入超過(guò)30 d 時(shí)，感染率接近100%［3-4］.因此，在過(guò)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(lǐng)域［5］.中國(guó)科學(xué)院金屬研究所楊柯團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，利用銅強(qiáng)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(yīng)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(xì)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(jī)制，有效解決了細(xì)菌對(duì)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(xì)菌生物膜，從而降低細(xì)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(dòng)脈疾?。?0］.

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(guān)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(jìn)一步與材料基體反應(yīng)，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(jià)態(tài)分布不同，直接影響材料腐蝕性能.高含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的Cr2O3，Cr（OH）3，CuO 可有效提高材料耐點(diǎn)蝕性能.王育武等［15］研究了不同溫度對(duì)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(yīng)用于體內(nèi)植入時(shí)，在人體緩沖液作用下表面鈍化膜狀態(tài)及特定環(huán)境對(duì)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(duì)銅離子溶出的影響.

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

在目前臨床上廣泛應(yīng)用的醫(yī)用316L 奧氏體不銹鋼成分基礎(chǔ)上，添加4%～5%的Cu，用25 kg真空感應(yīng)爐進(jìn)行熔煉，經(jīng)過(guò)鍛造、軋制等工藝，制備316L 型含銅不銹鋼（316L-Cu）實(shí)驗(yàn)材料.材料成分如表1 所列.用1 050 ℃固溶0.5 h，700 ℃保持時(shí)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(yīng)用的316L 不銹鋼為對(duì)照材料，將實(shí)驗(yàn)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(jí)打磨拋光.

表1 316L-Cu 不銹鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?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(wú)尿路感染史、近期未服用藥物且無(wú)特殊飲食的健康志愿者.實(shí)驗(yàn)中所用尿液為新鮮中段晨尿，在無(wú)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(guò)濾，以去除尿液中的顆粒物質(zhì)，并分裝至無(wú)菌的5 mL 離心管中，-20 ℃冷凍保存.實(shí)驗(yàn)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(duì)316L-Cu 不銹鋼和316L 不銹鋼表面進(jìn)行測(cè)試，考察材料在模擬體內(nèi)環(huán)境中表面元素價(jià)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(shè)定不同濺射時(shí)間，并在每一時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行全譜掃描，同時(shí)對(duì)Cr，F(xiàn)e，Cu 的精細(xì)譜進(jìn)行分析.XPS 測(cè)量在ESCALAB-250 俄歇表面測(cè)量系統(tǒng)上進(jìn)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(wú)機(jī)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(wú)機(jī)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(shí)還會(huì)吸附尿液中的無(wú)機(jī)物和有機(jī)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(xiàn)中“condition film”翻譯而來(lái)）［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(duì)材料表面濺射不同時(shí)間的Cr，F(xiàn)e 進(jìn)行分析，結(jié)果如圖2 所示.由圖可知，隨著濺射時(shí)間的增加，Cr 和Fe的結(jié)合能峰位置逐漸移動(dòng)，可見元素的狀態(tài)及質(zhì)量分?jǐn)?shù)發(fā)生變化.316L-Cu 不銹鋼濺射110 s 時(shí)的峰位置移動(dòng)較大，表明這一深度的材料成分變化較大.進(jìn)一步對(duì)濺射110 s 的材料表面Cr 和Fe 進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)峰為576.6 eV）和Cr（標(biāo)準(zhǔn)峰為574.1 eV）兩個(gè)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(shí)Cr2O3和Cr 的質(zhì)量分?jǐn)?shù).316L-Cu 不銹鋼表面鈍化膜中Cr2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于316L 不銹鋼，而Cr 的質(zhì)量分?jǐn)?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(biāo)準(zhǔn)峰為710.7 eV），F(xiàn)e3O4（標(biāo)準(zhǔn)峰為708.1 eV）和Fe（標(biāo)準(zhǔn)峰為706.75 eV）三個(gè)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?jǐn)?shù)高于316L 不銹鋼，說(shuō)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(shí)鈍化膜中Cr 和Fe 的質(zhì)量分?jǐn)?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(shí)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?jǐn)?shù)較小，且尿液中的無(wú)機(jī)鹽在其表面沉積的厚度較小.這說(shuō)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(dǎo)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(shí)間的Cr 和Fe 的原子數(shù)分?jǐn)?shù)Fig.4 Atomic percentages of Cr and Fe on materials after different sputtering time

為了研究Cu2＋的溶出機(jī)制，對(duì)316L-Cu 不銹鋼表面鈍化膜不同深度的Cu 的狀態(tài)進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)峰為932.4 eV），Cu2O（標(biāo)準(zhǔn)峰為932 eV），CuO（標(biāo)準(zhǔn)峰為933.6 eV）3 個(gè)主峰.由此可知，含銅不銹鋼與空氣接觸后發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，生成銅的氧化物，具體反應(yīng)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(dāng)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(yīng)，產(chǎn)生Cu2＋，反應(yīng)式如下：

上述反應(yīng)式中產(chǎn)生的Cu2＋在材料表面溶出，隨體液擴(kuò)散后，不斷有新的材料表面顯露出來(lái)，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(yīng)，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(yīng)，由此賦予材料持久的生物功能性.