一種新型含銅不銹鋼的生物學(xué)性能研究.pdf

1、眾所周知，不銹鋼材料具有較低的成本、理想的生物相容性、綜合力學(xué)性能、機械加工性能以及耐腐蝕性能，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)用領(lǐng)域，如口腔、骨科、外科手術(shù)器械和生物醫(yī)療設(shè)備等。然而，傳統(tǒng)的醫(yī)用不銹鋼材料僅僅發(fā)揮了其機械支撐屬性，無法避免植入生物體內(nèi)后導(dǎo)致微生物感染而出現(xiàn)炎癥反應(yīng)的問題。此外，該類感染的出現(xiàn)將持續(xù)反復(fù)，難以徹底杜絕。因此，為了解決植入物術(shù)后感染問題，在不犧牲其力學(xué)性能、機械加工性能以及耐腐蝕性能的先決條件下，賦予新型的317

2、L不銹鋼以優(yōu)秀、廣譜和耐久的抗菌屬性，與此同時兼顧良好的生物相容性，是本論文研究的主旨所在。因此依據(jù)該研究理念，本研究在317L不銹鋼基體內(nèi)摻雜一定比例的具有抗菌作用的銅元素，并進(jìn)一步借助特殊的熱處理工藝對該含銅不銹鋼進(jìn)行加工，從而設(shè)計和開發(fā)出一類新型的317L-Cu不銹鋼抗菌材料。
　　在本研究工作中，設(shè)計并制備了一種新型的317L-Cu不銹鋼。首先通過系統(tǒng)的材料表征來觀察其材料和表面性能的變化情況；隨后，結(jié)合多種方法評價其抗菌

3、性能；此外，聯(lián)合利用多種生物學(xué)手段對其生物相容性進(jìn)行系統(tǒng)地評價；最后，闡述317L-Cu不銹鋼的抗菌作用機理，評估其在臨床醫(yī)學(xué)和日常生活等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用前景。
　　具體而言，主要的研究內(nèi)容和結(jié)論如下：
　　①根據(jù)課題組前期研究結(jié)果，綜合考慮商用成本因素，設(shè)計并制備出一種銅元素含量為4.5wt.％的新型的317L-Cu不銹鋼，并借助掃描電鏡、表面元素能譜分析、硬度檢測、接觸角及表面能計算、金相顯微組織觀察和耐腐蝕性能測試等實驗

4、對材料進(jìn)行表征。測試結(jié)果表明：在銅元素添加前后，317L-Cu不銹鋼材料的力學(xué)及表面元素參數(shù)變化不大，保持了較好的力學(xué)及表面特性，為材料的生物學(xué)研究及應(yīng)用提供了可靠的基礎(chǔ)。
　　②目前廣泛采用的JIS Z2801:2000標(biāo)準(zhǔn)無法檢測到細(xì)菌VBNC狀態(tài)，而此狀態(tài)下的細(xì)菌在復(fù)蘇后仍然會對機體造成威脅。本研究針對該標(biāo)準(zhǔn)的不足，創(chuàng)新地對材料抗菌性能的評價進(jìn)行了擴展，借助平板覆膜法、活死染色法和qPCR法分別在細(xì)胞活力、細(xì)胞膜和基因水平表

5、征了317L-Cu不銹鋼的抗菌性能。實驗結(jié)果顯示：317L-Cu不銹鋼在細(xì)菌共培養(yǎng)1天的抑菌性能高達(dá)98.3%，并在共培養(yǎng)3天時長內(nèi)持續(xù)展現(xiàn)出良好的殺菌性能。在S. aureus與317L-Cu不銹鋼共培養(yǎng)3天后，掃描電鏡觀測到不銹鋼表面的細(xì)菌生物膜出現(xiàn)了質(zhì)膜內(nèi)陷，內(nèi)含物外泄等現(xiàn)象，展現(xiàn)了317L-Cu不銹鋼優(yōu)異的抗菌效用。與此同時，為今后醫(yī)用材料尤其是植入物材料的抗菌性能評價提供了豐富的科學(xué)數(shù)據(jù)和進(jìn)一步的優(yōu)化建議。
　　③為了探

6、究317L-Cu不銹鋼材料溶出的Cu2+的潛在生物學(xué)毒性，本研究借助血液相容性、細(xì)胞相容性以及斑馬魚模型綜合評價了317L-Cu不銹鋼在體外和體內(nèi)的毒性。其中MTT標(biāo)記法和RTCA實時無標(biāo)記細(xì)胞分析技術(shù)的結(jié)果相符合，均表明：兩種不銹鋼對 MC3T3-E1細(xì)胞的增殖沒有顯著的毒副作用，甚至317L-Cu不銹鋼還在一定程度上表現(xiàn)出了促進(jìn) MC3T3-E1細(xì)胞增殖的現(xiàn)象。急性溶血實驗和血小板粘附觀察結(jié)果顯示：兩種不銹鋼幾乎都不存在溶血性（0.

7、61±0.07%和0.72±0.13%）。與此同時，斑馬魚模型已經(jīng)在藥物篩選領(lǐng)域取得矚目的成果，我們首次將其作為整體動物模型應(yīng)用到317L-Cu不銹鋼體內(nèi)毒性的全面評價中，結(jié)果顯示兩種不銹鋼對斑馬魚胚胎和幼魚的發(fā)育前期不具有顯著的毒副作用。
　?、芡ㄟ^對細(xì)菌在兩種不銹鋼材料表面形成生物膜內(nèi)胞外聚合物（EPS）的傅立葉紅外光譜（FTIR）分析及細(xì)胞膜表面銅離子情況的X射線光電子能譜學(xué)（XPS）檢測探索了317L-Cu不銹鋼對S.au

8、reus生物膜的影響。此外，進(jìn)一步通過活死（Live/Dead）熒光染色法及透射電子顯微鏡（TEM）表征317L-Cu不銹鋼溶出的銅離子對于細(xì)菌細(xì)胞膜及內(nèi)含物的損傷過程，并探究其抗菌機制：Cu2+對細(xì)菌的細(xì)胞膜和胞外分泌物均造成了損傷，致使細(xì)菌內(nèi)含物泄露，生物膜形成受到抑制；317L-Cu不銹鋼并未能對細(xì)菌的基因組DNA完整性造成顯著影響，即317L-Cu不銹鋼的抗菌性能并非通過破壞細(xì)菌基因組的完整性而體現(xiàn)。于此同時，我們推測了317L

9、-Cu不銹鋼同時具有良好殺菌能力及低細(xì)胞毒副作用的初步解釋原因：細(xì)菌和細(xì)胞的膜結(jié)構(gòu)、組成成分以及代謝活動存在差異造成其對外界相同刺激的反應(yīng)也不一致，耐受能力也存在差異。低濃度的Cu2+本身是有助于細(xì)胞增殖，而在該濃度區(qū)間內(nèi)，對細(xì)菌而言則是致命的。
　　綜上所述，317L-Cu不銹鋼具有理想的耐腐蝕性和生物安全性，并且在不顯著降低317L不銹鋼的優(yōu)秀材料屬性的前提下，兼具有良好的抗菌性能。因此，本論文研究的317L-Cu不銹鋼是一種