抗菌不銹鋼外科手術器械的研發

黃亞蘭，楊春光，楊柯，趙穎，潘浩波，程德林

1. 中國科學院 金屬研究所，遼寧 沈陽110016；2. 中國科學院深圳先進技術研究院，深圳 518055；3. 深圳市麥滕醫療器械有限公司，深圳 518055

抗菌不銹鋼外科手術器械的研發

黃亞蘭1，楊春光1，楊柯1，趙穎2，潘浩波2，程德林3

1. 中國科學院 金屬研究所，遼寧 沈陽110016；2. 中國科學院深圳先進技術研究院，深圳 518055；3. 深圳市麥滕醫療器械有限公司，深圳 518055

目的探討抗菌不銹鋼外科手術器械的研發以及在臨床應用的可行性。方法 采用自主知識產權的含銅馬氏體抗菌不銹鋼（2Cr13Cu）來研發抗菌外科手術器械并依據相關檢測標準評價其硬度、耐蝕性能和抗菌性能。結果抗菌不銹鋼手術器械的硬度可達48～52 HRC，沸水試驗耐蝕性能評價為A級，均能滿足手術器械相應行業標準要求。第三方的抗菌性能檢測結果也顯示，抗菌不銹鋼手術器械對院內環境常見的金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、銅綠假單胞桿菌、鼠傷寒沙門氏菌的殺菌率均在99%以上，具備優異的廣譜抗菌性能。結論本院研發的抗菌不銹鋼在外科手術器械上的應用可有效降低細菌感染風險。

細菌感染；抗菌不銹鋼；外科手術器械；硬度；抗菌性能

引言

院內感染現象日趨嚴重，其感染可能性受病人年齡、原發病等諸多因素影響，其中以老年人、顱內感染病人及腦血管病人感染率最高。目前對于院內感染的治療仍是使用抗生素。而抗生素的大量使用使得醫院病原菌群的耐藥性近年來一直有大幅上升趨勢，因此繼續依賴抗生素控制感染只會讓院內感染陷入惡性循環[1]。2013年中國CHINET細菌耐藥性監測結果顯示：與2012年相比，青霉素耐藥肺炎鏈球菌（PRSP）的檢出率有所升高，不動桿菌屬（鮑曼不動桿菌占89.2%）對亞胺培南和美羅培南的耐藥率分別為62.8%和59.4%，細菌耐藥性仍呈增長趨勢，多重耐藥和廣泛耐藥菌株在某些病區內的流行播散對臨床構成嚴重威脅[2]。因此必須尋找到非抗生素藥物來解決院內感染問題。

根據世界衛生組織（WHO）頒布的《院內感染防治實用手冊》中的有關數據，每天全世界有超過1400萬人在遭受院內感染的痛苦，其中60%的細菌感染與使用的醫療器械有關。外科手術中使用的手術器械多屬于暫時接觸組織的侵入性醫療器械，在使用過程中對患者的生命安全和健康有著直接或間接的影響。隨著外科手術的頻率升高，受眾的增多，也對外科手術器械的性能提出了更多要求，傳統外科手術器械的諸多缺點也越來越不容忽視。

（1）傳統手術器械對滅菌要求高。使用后的手術器械已被嚴重污染，一般需經過消毒-清洗-滅菌的流程后方可使用。常用滅菌方法包括低溫過氧化氫等離子法、高溫高壓滅菌及戊二醛浸泡法。其中低溫過氧化氫等離子法的費用過高，不適合普遍使用；戊二醛浸泡法所需時間長，又對皮膚黏膜有刺激性，操作人員易出現呼吸道刺激及皮膚灼燒癥狀；高溫高壓滅菌法不能用于不耐熱器皿[3]。各種滅菌方法都有其缺陷，所需的設備和人員眾多，滅菌時間較長，在中小型醫院或者醫療方艙中很難操作。

（2）外來手術器械的染菌問題亟待解決。邊冬梅等[4]將外來手術器械與醫院手術器械對比發現，外來手術器械術前污染率為2.8%，術中污染率為16.9%，術后污染率為27.0%，均高于醫院內手術器械。外來器械的污染帶來了嚴重后果，數據顯示髖關節置換術后約有1%～5%的患者發生術后感染，導致患者住院時間延長、再次手術、植入物取出、肢體畸形，甚至死亡[5-7]。

（3）保質期短。傳統手術器械經滅菌、烘干、包裝后，其保質期僅為7～14 d。過此保質期后，手術器械表面則有細菌滋生的危險。而在潮濕環境中，其保質期則更短。

（4）傳統手術器械在使用過程中存在染菌風險。盡管所有的醫療器械都必須經過嚴格滅菌消毒后才能使用，但消毒后在術中環境放置時間較長時，表面不可避免地還會存在細菌滋生的現象。陳昭斌等[8]對手術室菌群研究發現，手術開始后20 min至手術結束，手術室空氣中的細菌總數超過衛生標準（≤200 CFU/m3），最高達1573 CFU/m3，從而易引起術中手術器械染菌。不難推測，對于醫療方艙等應急機動醫療系統，病人受到細菌感染的風險會進一步加大。

（5）傳統手術器械一旦染菌則易形成細菌生物膜，消除難度更大。手術器械表面粘附細菌后很容易聚集形成細菌生物膜，其具有極強的耐藥性和免疫逃避性，很難被徹底清除，是造成臨床感染的重要原因之一[9-10]。

因此有必要通過賦予外科手術器械自身具有抗菌性能，從而降低其染菌風險，從源頭出發大大降低由于手術器械污染、滅菌不徹底等引發的院內感染可能性。含銅抗菌不銹鋼這一新型抗菌金屬材料為達到上述目標奠定了材料基礎。

含銅抗菌不銹鋼屬于合金型抗菌不銹鋼，相對于涂層型、復合型抗菌不銹鋼，其耐磨損性、抗菌持久性具有無可比擬的優勢。其主要抗菌原理是：抗菌不銹鋼與細菌作用后，不銹鋼表面溶出的銅離子通過破壞其屏障細胞壁和細胞膜的保護作用，使細胞的通透性增加，內容物流出而使細胞死亡[11]。含銅抗菌不銹鋼具有如下使用特點：

（1）廣譜抗菌性。陳四紅等[11-14]在0Cr17、0Cr18Ni9等不銹鋼的成分基礎上分別添加了2%和4%的銅并經合適的熱處理后表現出了極強的抗菌性能，對大部分革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌的殺菌率均能達到90%以上，對表皮葡萄球菌、藤黃八疊球菌、弗氏志賀氏菌、銅綠假單胞菌、糞場球菌的殺菌率均能達到99%以上，甚至對生命力頑強的枯黑菌也具有80%的殺菌率。

（2）抗菌持久性。由于合金型抗菌不銹鋼的成分均勻，從內到外均勻、彌散分布著抗菌富銅相（ε-Cu），研磨后的新生表面依然能夠溶出足量的銅離子來保證其抗菌性能。

（3）耐熱性，不會分解失效。抗菌不銹鋼能承受至500℃的高溫，抗菌性能不會下降。

1 材料與方法

本文以2Cr13Cu馬氏體抗菌不銹鋼為例，首先在實驗室條件進行了抗菌性能測試。將2Cr13Cu熱軋板材切成10 mm×10 mm×5 mm片狀試樣，取相同尺寸的2Cr13普通馬氏體不銹鋼試樣片作為對照材料。進行合適的熱處理后，按照國家標準GB4789.2-94的實驗流程進行抗菌性能測試。供試菌株采用金黃色葡萄球菌（ATCC25923），菌液濃度為105CFU/mL，共培養時間為24 h。為了進一步檢驗抗菌效力，采用1.6×106CFU/mL的標準菌液分別與抗菌不銹鋼和對照不銹鋼（2Cr13）在溫度37℃、濕度90%的恒溫培養箱中共培養18 h。然后將經上述與不銹鋼樣品作用的菌液稀釋到103CFU/mL，在相同的溫度和濕度下用瓊脂培養基培養24 h后，對培養皿中的菌落進行計數。材料殺菌率的計算公式[15]如下：

式(1)中，C為抗菌不銹鋼的殺菌率，A為對照不銹鋼的菌落數，B為抗菌不銹鋼的菌落數。

為了進一步驗證實驗室的研究結果，準備了30片50 mm×50 mm×5 mm的2Cr13Cu樣片，送往廣東省微生物分析檢測中心進行抗菌性能測試，檢測菌種包括金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、鼠傷寒沙門氏菌和銅綠假單胞桿菌。

采用該抗菌不銹鋼加工抗菌手術器械，將其與市售普通外科手術器械分別進行切割，制成硬度試樣，平行樣6個。根據國家標準GB/T230.1-2009 金屬材料洛氏硬度試驗的相關規定，使用TH320全洛式硬度計進行硬度測量，其中載荷為150 kg，載荷保持時間5 s，恢復時間1 s。

根據不銹鋼醫用器械耐腐蝕性能試驗方法（YY/T0149-2006）中的沸水實驗法的規定，對抗菌手術器械和普通手術器械進行耐蝕性檢測。首先將兩種器械浸泡在丙酮中超聲除油10 min，然后放入70℃0.5%肥皂+2.5%Na3PO4.12H2O浸泡10 min，用三級水漂洗3次，放入三級水中煮沸30 min，再在自來水中浸泡1 h，放入空氣中暴露2 h，最后用干布用力擦拭表面，觀察表面腐蝕痕跡。

根據《醫用剪通用技術條件》（YY/T0176-2006）及《醫用剪》（YY/T 0596-2006）中的相關規定，抽選3把抗菌外科醫用剪進行使用性能測試。

2 結果

2.1 抗菌性能

平板計數實驗表明，2Cr13Cu與105CFU/mL濃度的金黃色葡萄球菌共培養24 h后達到99%的殺菌率。將菌液濃度提高至1.6×106CFU/mL時，將共培養時間縮短至18 h，2Cr13Cu的殺菌率仍能達到99%以上（見圖1）。由此可見，2Cr13Cu的強烈殺菌能力為其在感染性手術及惡劣手術環境中的安全使用提供了保障。

圖1 不銹鋼樣品與金黃色葡萄球菌共培養18 h后的菌落計數

通過對2Cr13Cu抗菌不銹鋼的第三方檢測，同樣證明了其對醫院常見致病菌金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、沙門氏菌、銅綠假單胞桿菌的殺菌率均在99%以上，結果見表1。其中沙門氏菌是一種重要的人類食源性致病菌，銅綠假單胞菌對12種抗菌藥物的耐藥率逐年上升，只有亞胺培南、阿米卡星等耐藥率＜25.0%[16]。因此抗菌不銹鋼外科手術器械的這種優異的廣譜抗菌性能將會大大提高手術的安全性，有效降低手術感染風險。

2.2 硬度

洛氏硬度測試結果顯示，與對照2Cr13不銹鋼相比，2Cr13Cu不銹鋼的硬度在48～52 HRC之間，滿足不同手術器械對硬度的國標要求。可以推測，銅的加入并未引起Cr13不銹鋼硬度的降低。

2.3 耐蝕性能

根據標準規定進行沸水實驗檢測，觀察材料表面形貌，表明2Cr13Cu抗菌不銹鋼和對照不銹鋼手術器械表面均未出現銹蝕痕跡，評定其耐蝕性為A級，說明抗菌不銹鋼手術器械具備與對照不銹鋼手術器械相同的耐蝕性能，滿足行業標準對手術器械耐蝕性能的要求（見圖2）。

圖2 不銹鋼手術剪沸水試驗后照片

2.4 使用性能

經外觀檢測，抗菌不銹鋼外科醫用剪各項使用性能均滿足標準YY/T0176-2006的要求，具體各項性能如下：

（1）醫用剪連接牢固性好，螺釘牢固地固定在左片上，當閉合或打開時螺釘無跟動。

（2）醫用剪刃口完整，無崩刃，閉合與打開時無咬口及卡住現象。

（3）醫用剪開閉靈活，刃口接觸點在不小于距頭端三分之二刃口的長度處。

（4）醫用剪剪切順利，無變形、裂紋現象；試驗材料切整齊，無撕裂現象。

（5）醫用剪外表無鋒棱、毛刺、砂眼、裂紋，閉合后二片頭端無彼此遮蓋及過頭現象。

3 討論

傳統的外科手術器械對滅菌要求高，多數采用高溫高壓滅菌，對不耐熱器械則需采用戊二醛浸泡，操作者有出現呼吸道刺激癥和皮膚灼傷的風險。即使經過完全滅菌的手術器械，由于手術環境的不同亦有染菌風險，進而引發患者的院內感染。尤其在感染性手術中，傳統手術器械更淪為傳染媒介，給患者和醫者的健康帶來威脅。目前，中國科學院金屬所楊柯教授帶領的團隊與國內不銹鋼企業合作，通過設計并優化抗菌不銹鋼的冶煉和加工工藝，已生產出40噸級規模含銅抗菌不銹鋼板，具備了市場規模化應用的基礎。

表1 2Cr13Cu抗菌不銹鋼對細菌的殺菌率

抗菌不銹鋼手術器械的設計原理是通過合適的成分設計、冶煉工藝以及熱處理工藝，在保證其硬度、耐蝕性與傳統不銹鋼相當的基礎上，利用含銅不銹鋼的廣譜抗菌性能，抑制手術器械表面黏附細菌或直接殺死粘附在器械表面的細菌，從而大大減小其在術中染菌可能性，同時還會使其消毒滅菌更容易，使其具備更長的無菌保質期。

4 結語

本文主要介紹了抗菌不銹鋼在外科手術器械上的應用。研究結果表明2Cr13Cu抗菌不銹鋼的廣譜抗菌性能優異，且力學性能和耐蝕性能與普通2Cr13不銹鋼相當。因此抗菌不銹鋼在醫療器械上的應用前景將會十分廣闊，從材料角度上為降低院內感染發生提供了新的解決方案。

[1] 徐修禮,孫怡群,樊新,等.近5年醫院感染菌群的分布趨勢及耐藥性分析[J].中華醫院感染學雜志,2009,19(10):1276-1279.

[2] 胡付品,朱德妹.2013年中國CHINET細菌耐藥性監測[J].中國感染與化療雜志,2014,12(5):321-329.

[3] 姜皓.手術器械清洗和滅菌方法的研究[D].長春:吉林大學, 2012.

[4] 邊冬梅,張永濤.骨科手術外來器械與手術室器械污染情況對比分析[J].護理研究,2015(36):4569-4571.

[5] 毛芳.手術室骨科植入物管理方法改進與效果分析[J].湖南中醫雜志,2013,29(5):99-100.

[6] 劉萬紅,周萬舟.手術室外來器械的使用與管理現狀調查[J].中國感染控制雜志,2008,7(4):264-265.

[7] 李亞潔.骨科術中外來器械污染監測及冷凝水對其污染影響的研究[D].廣州:南方醫科大學,2013.

[8] 陳昭斌,張朝武.手術過程中空氣細菌總數變化趨勢及影響因素[J].中華醫院感染學雜志,2003,13(12):1132-1133.

[9] Arciola CR,Campoccia D,Speziale P,et al.Biofilm formation in Staphylococcus implant infections: A review of molecular mechanisms and implications forbiofilm-resistant materials[J]. Biomaterials,2012,33(26):5967-5982.

[10] Nguyen HDN,Yuk HG.Changes in resistance of Salmonella Typhimurium biofilmsformed under various conditions to industrial sanitizers[J].Food Control,2013,29(1):236-240.

[11] 劉永前.馬氏體抗菌不銹鋼的研究[D].沈陽:中國科學院金屬研究所,2008.

[12] Chen S,Lu M,Zhang J,et al.Microstructure and antibacterial property of Cu-contained antibacterial stainless steel[J].Acta Metallurgica Sinica,2004,43(3):314-318.

[13] Chen S,Chen D,Yang K,et al.A ferritic antibacterial stainless steel[P].Chinese patent:02144568.0.

[14] YangC,Wang S,Yang K.Heat treatment methods for a kind of martensite stainless steel which combined high hardness and strong antibacterial property[P].Chinese patent:201310278268.7.

[15] Yang K,Dong J,Chen S,et al.The craftwork performance and resistance to corrosionof the Cu-containing antibacterial stainless steels[J]. Chin J Mater Res,2009,20(5):523-527.

[16] 張春平,喻華.銅綠假單胞菌感染分布及耐藥性動態變遷[J].中華醫院感染學雜志,2008,18(1):121-123.

本文編輯 蘇欣

Research and Development of Surgical Instruments Made of Antibacterial Stainless Steel

HUANG Ya-lan1, YANG Chun-guang1, YANG Ke1, ZHAO Ying2, PAN Hao-bo2, CHENG De-lin3

1. Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, Shenyang Liaoning 110016, China; 2. Shenzhen Institutes of Advanced Technology, Chinese Academy of Sciences, Shenzhen 518055, China; 3. Shenzhen Medturn Medical Instrument Co., Ltd, Shenzhen 518055, China

ObjectiveTo explore the research and development of surgical instruments made of and its feasibility of clinical application. Methods The copper-bearing martensite antibacterial stainless steel with intellectual property rights was used to manufacture the antibacterial surgical instruments. According to the related testing standards, the hardness, corrosion resistance and antibacterial performance of antibacterial instruments were evaluated.ResultsThe hardness of antibacterial stainless steel could reach 48-52 HRC, and the corrosion resistance evaluated by the boiling water test was grade A, all satisfied relevant industrial standards of surgical instruments. The antibacterial tests operated by the third-party inspection institution also indicated that all the antibacterial rates of antibacterial surgical instruments against staphylococcus aureus, escherichia coli, pseudomonas aeruginosa and salmonella aertrycke exceeded 99%, showing a broad-spectrum antibacterial effectiveness.ConclusionThe application of antibacterial stainless steel on surgical instruments can effectively reduce risk of bacterial infection.

bacterial infection; antibacterial stainless steel; surgical instrument; hardness; antibacterial property

TG142.71；R118

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.01.003

1674-1633(2017)01-0010-04

2016-11-03

深圳市科技計劃項目-深港創新圈聯合研發項目（SGLH 20150213143207910）；國家自然科學基金重點項目（51631009）；國際自然科學基金面上項目（51371168）。

楊柯，研究員，博士生導師，研究領域包括新型醫用金屬材料、先進鋼鐵材料、儲氫合金等。

通訊作者郵箱：kyang@imr.ac.cn