抗菌不锈钢外科手术器械的研发

黄亚兰，杨春光，杨柯，赵颖，潘浩波，程德林

1. 中国科学院 金属研究所，辽宁 沈阳110016；2. 中国科学院深圳先进技术研究院，深圳 518055；3. 深圳市麦滕医疗器械有限公司，深圳 518055

抗菌不锈钢外科手术器械的研发

黄亚兰1，杨春光1，杨柯1，赵颖2，潘浩波2，程德林3

1. 中国科学院 金属研究所，辽宁 沈阳110016；2. 中国科学院深圳先进技术研究院，深圳 518055；3. 深圳市麦滕医疗器械有限公司，深圳 518055

目的探讨抗菌不锈钢外科手术器械的研发以及在临床应用的可行性。方法 采用自主知识产权的含铜马氏体抗菌不锈钢（2Cr13Cu）来研发抗菌外科手术器械并依据相关检测标准评价其硬度、耐蚀性能和抗菌性能。结果抗菌不锈钢手术器械的硬度可达48～52 HRC，沸水试验耐蚀性能评价为A级，均能满足手术器械相应行业标准要求。第三方的抗菌性能检测结果也显示，抗菌不锈钢手术器械对院内环境常见的金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、铜绿假单胞杆菌、鼠伤寒沙门氏菌的杀菌率均在99%以上，具备优异的广谱抗菌性能。结论本院研发的抗菌不锈钢在外科手术器械上的应用可有效降低细菌感染风险。

细菌感染；抗菌不锈钢；外科手术器械；硬度；抗菌性能

引言

院内感染现象日趋严重，其感染可能性受病人年龄、原发病等诸多因素影响，其中以老年人、颅内感染病人及脑血管病人感染率最高。目前对于院内感染的治疗仍是使用抗生素。而抗生素的大量使用使得医院病原菌群的耐药性近年来一直有大幅上升趋势，因此继续依赖抗生素控制感染只会让院内感染陷入恶性循环[1]。2013年中国CHINET细菌耐药性监测结果显示：与2012年相比，青霉素耐药肺炎链球菌（PRSP）的检出率有所升高，不动杆菌属（鲍曼不动杆菌占89.2%）对亚胺培南和美罗培南的耐药率分别为62.8%和59.4%，细菌耐药性仍呈增长趋势，多重耐药和广泛耐药菌株在某些病区内的流行播散对临床构成严重威胁[2]。因此必须寻找到非抗生素药物来解决院内感染问题。

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。外科手术中使用的手术器械多属于暂时接触组织的侵入性医疗器械，在使用过程中对患者的生命安全和健康有着直接或间接的影响。随着外科手术的频率升高，受众的增多，也对外科手术器械的性能提出了更多要求，传统外科手术器械的诸多缺点也越来越不容忽视。

（1）传统手术器械对灭菌要求高。使用后的手术器械已被严重污染，一般需经过消毒-清洗-灭菌的流程后方可使用。常用灭菌方法包括低温过氧化氢等离子法、高温高压灭菌及戊二醛浸泡法。其中低温过氧化氢等离子法的费用过高，不适合普遍使用；戊二醛浸泡法所需时间长，又对皮肤黏膜有刺激性，操作人员易出现呼吸道刺激及皮肤灼烧症状；高温高压灭菌法不能用于不耐热器皿[3]。各种灭菌方法都有其缺陷，所需的设备和人员众多，灭菌时间较长，在中小型医院或者医疗方舱中很难操作。

（2）外来手术器械的染菌问题亟待解决。边冬梅等[4]将外来手术器械与医院手术器械对比发现，外来手术器械术前污染率为2.8%，术中污染率为16.9%，术后污染率为27.0%，均高于医院内手术器械。外来器械的污染带来了严重后果，数据显示髋关节置换术后约有1%～5%的患者发生术后感染，导致患者住院时间延长、再次手术、植入物取出、肢体畸形，甚至死亡[5-7]。

（3）保质期短。传统手术器械经灭菌、烘干、包装后，其保质期仅为7～14 d。过此保质期后，手术器械表面则有细菌滋生的危险。而在潮湿环境中，其保质期则更短。

（4）传统手术器械在使用过程中存在染菌风险。尽管所有的医疗器械都必须经过严格灭菌消毒后才能使用，但消毒后在术中环境放置时间较长时，表面不可避免地还会存在细菌滋生的现象。陈昭斌等[8]对手术室菌群研究发现，手术开始后20 min至手术结束，手术室空气中的细菌总数超过卫生标准（≤200 CFU/m3），最高达1573 CFU/m3，从而易引起术中手术器械染菌。不难推测，对于医疗方舱等应急机动医疗系统，病人受到细菌感染的风险会进一步加大。

（5）传统手术器械一旦染菌则易形成细菌生物膜，消除难度更大。手术器械表面粘附细菌后很容易聚集形成细菌生物膜，其具有极强的耐药性和免疫逃避性，很难被彻底清除，是造成临床感染的重要原因之一[9-10]。

因此有必要通过赋予外科手术器械自身具有抗菌性能，从而降低其染菌风险，从源头出发大大降低由于手术器械污染、灭菌不彻底等引发的院内感染可能性。含铜抗菌不锈钢这一新型抗菌金属材料为达到上述目标奠定了材料基础。

含铜抗菌不锈钢属于合金型抗菌不锈钢，相对于涂层型、复合型抗菌不锈钢，其耐磨损性、抗菌持久性具有无可比拟的优势。其主要抗菌原理是：抗菌不锈钢与细菌作用后，不锈钢表面溶出的铜离子通过破坏其屏障细胞壁和细胞膜的保护作用，使细胞的通透性增加，内容物流出而使细胞死亡[11]。含铜抗菌不锈钢具有如下使用特点：

（1）广谱抗菌性。陈四红等[11-14]在0Cr17、0Cr18Ni9等不锈钢的成分基础上分别添加了2%和4%的铜并经合适的热处理后表现出了极强的抗菌性能，对大部分革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌的杀菌率均能达到90%以上，对表皮葡萄球菌、藤黄八叠球菌、弗氏志贺氏菌、铜绿假单胞菌、粪场球菌的杀菌率均能达到99%以上，甚至对生命力顽强的枯黑菌也具有80%的杀菌率。

（2）抗菌持久性。由于合金型抗菌不锈钢的成分均匀，从内到外均匀、弥散分布着抗菌富铜相（ε-Cu），研磨后的新生表面依然能够溶出足量的铜离子来保证其抗菌性能。

（3）耐热性，不会分解失效。抗菌不锈钢能承受至500℃的高温，抗菌性能不会下降。

1 材料与方法

本文以2Cr13Cu马氏体抗菌不锈钢为例，首先在实验室条件进行了抗菌性能测试。将2Cr13Cu热轧板材切成10 mm×10 mm×5 mm片状试样，取相同尺寸的2Cr13普通马氏体不锈钢试样片作为对照材料。进行合适的热处理后，按照国家标准GB4789.2-94的实验流程进行抗菌性能测试。供试菌株采用金黄色葡萄球菌（ATCC25923），菌液浓度为105CFU/mL，共培养时间为24 h。为了进一步检验抗菌效力，采用1.6×106CFU/mL的标准菌液分别与抗菌不锈钢和对照不锈钢（2Cr13）在温度37℃、湿度90%的恒温培养箱中共培养18 h。然后将经上述与不锈钢样品作用的菌液稀释到103CFU/mL，在相同的温度和湿度下用琼脂培养基培养24 h后，对培养皿中的菌落进行计数。材料杀菌率的计算公式[15]如下：

式(1)中，C为抗菌不锈钢的杀菌率，A为对照不锈钢的菌落数，B为抗菌不锈钢的菌落数。

为了进一步验证实验室的研究结果，准备了30片50 mm×50 mm×5 mm的2Cr13Cu样片，送往广东省微生物分析检测中心进行抗菌性能测试，检测菌种包括金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、鼠伤寒沙门氏菌和铜绿假单胞杆菌。

采用该抗菌不锈钢加工抗菌手术器械，将其与市售普通外科手术器械分别进行切割，制成硬度试样，平行样6个。根据国家标准GB/T230.1-2009 金属材料洛氏硬度试验的相关规定，使用TH320全洛式硬度计进行硬度测量，其中载荷为150 kg，载荷保持时间5 s，恢复时间1 s。

根据不锈钢医用器械耐腐蚀性能试验方法（YY/T0149-2006）中的沸水实验法的规定，对抗菌手术器械和普通手术器械进行耐蚀性检测。首先将两种器械浸泡在丙酮中超声除油10 min，然后放入70℃0.5%肥皂+2.5%Na3PO4.12H2O浸泡10 min，用三级水漂洗3次，放入三级水中煮沸30 min，再在自来水中浸泡1 h，放入空气中暴露2 h，最后用干布用力擦拭表面，观察表面腐蚀痕迹。

根据《医用剪通用技术条件》（YY/T0176-2006）及《医用剪》（YY/T 0596-2006）中的相关规定，抽选3把抗菌外科医用剪进行使用性能测试。

2 结果

2.1 抗菌性能

平板计数实验表明，2Cr13Cu与105CFU/mL浓度的金黄色葡萄球菌共培养24 h后达到99%的杀菌率。将菌液浓度提高至1.6×106CFU/mL时，将共培养时间缩短至18 h，2Cr13Cu的杀菌率仍能达到99%以上（见图1）。由此可见，2Cr13Cu的强烈杀菌能力为其在感染性手术及恶劣手术环境中的安全使用提供了保障。

图1 不锈钢样品与金黄色葡萄球菌共培养18 h后的菌落计数

通过对2Cr13Cu抗菌不锈钢的第三方检测，同样证明了其对医院常见致病菌金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、沙门氏菌、铜绿假单胞杆菌的杀菌率均在99%以上，结果见表1。其中沙门氏菌是一种重要的人类食源性致病菌，铜绿假单胞菌对12种抗菌药物的耐药率逐年上升，只有亚胺培南、阿米卡星等耐药率＜25.0%[16]。因此抗菌不锈钢外科手术器械的这种优异的广谱抗菌性能将会大大提高手术的安全性，有效降低手术感染风险。

2.2 硬度

洛氏硬度测试结果显示，与对照2Cr13不锈钢相比，2Cr13Cu不锈钢的硬度在48～52 HRC之间，满足不同手术器械对硬度的国标要求。可以推测，铜的加入并未引起Cr13不锈钢硬度的降低。

2.3 耐蚀性能

根据标准规定进行沸水实验检测，观察材料表面形貌，表明2Cr13Cu抗菌不锈钢和对照不锈钢手术器械表面均未出现锈蚀痕迹，评定其耐蚀性为A级，说明抗菌不锈钢手术器械具备与对照不锈钢手术器械相同的耐蚀性能，满足行业标准对手术器械耐蚀性能的要求（见图2）。

图2 不锈钢手术剪沸水试验后照片

2.4 使用性能

经外观检测，抗菌不锈钢外科医用剪各项使用性能均满足标准YY/T0176-2006的要求，具体各项性能如下：

（1）医用剪连接牢固性好，螺钉牢固地固定在左片上，当闭合或打开时螺钉无跟动。

（2）医用剪刃口完整，无崩刃，闭合与打开时无咬口及卡住现象。

（3）医用剪开闭灵活，刃口接触点在不小于距头端三分之二刃口的长度处。

（4）医用剪剪切顺利，无变形、裂纹现象；试验材料切整齐，无撕裂现象。

（5）医用剪外表无锋棱、毛刺、砂眼、裂纹，闭合后二片头端无彼此遮盖及过头现象。

3 讨论

传统的外科手术器械对灭菌要求高，多数采用高温高压灭菌，对不耐热器械则需采用戊二醛浸泡，操作者有出现呼吸道刺激症和皮肤灼伤的风险。即使经过完全灭菌的手术器械，由于手术环境的不同亦有染菌风险，进而引发患者的院内感染。尤其在感染性手术中，传统手术器械更沦为传染媒介，给患者和医者的健康带来威胁。目前，中国科学院金属所杨柯教授带领的团队与国内不锈钢企业合作，通过设计并优化抗菌不锈钢的冶炼和加工工艺，已生产出40吨级规模含铜抗菌不锈钢板，具备了市场规模化应用的基础。

表1 2Cr13Cu抗菌不锈钢对细菌的杀菌率

抗菌不锈钢手术器械的设计原理是通过合适的成分设计、冶炼工艺以及热处理工艺，在保证其硬度、耐蚀性与传统不锈钢相当的基础上，利用含铜不锈钢的广谱抗菌性能，抑制手术器械表面黏附细菌或直接杀死粘附在器械表面的细菌，从而大大减小其在术中染菌可能性，同时还会使其消毒灭菌更容易，使其具备更长的无菌保质期。

4 结语

本文主要介绍了抗菌不锈钢在外科手术器械上的应用。研究结果表明2Cr13Cu抗菌不锈钢的广谱抗菌性能优异，且力学性能和耐蚀性能与普通2Cr13不锈钢相当。因此抗菌不锈钢在医疗器械上的应用前景将会十分广阔，从材料角度上为降低院内感染发生提供了新的解决方案。

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本文编辑 苏欣

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

深圳市科技计划项目-深港创新圈联合研发项目（SGLH 20150213143207910）；国家自然科学基金重点项目（51631009）；国际自然科学基金面上项目（51371168）。

杨柯，研究员，博士生导师，研究领域包括新型医用金属材料、先进钢铁材料、储氢合金等。

通讯作者邮箱：kyang@imr.ac.cn