抗菌不銹鋼外科手術(shù)器械的研發(fā)

本文探討抗菌不銹鋼外科手術(shù)器械的研發(fā)以及在臨床應(yīng)用的可行性。采用自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的含銅馬氏體抗菌不銹鋼（2Cr13Cu）來研發(fā)抗菌外科手術(shù)器械并依據(jù)相關(guān)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)其硬度、耐蝕性能和抗菌性能。抗菌不銹鋼手術(shù)器械的硬度可達(dá)48～52 HRC，沸水試驗(yàn)?zāi)臀g性能評(píng)價(jià)為A級(jí)，均能滿足手術(shù)器械相應(yīng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。第三方的抗菌性能檢測(cè)結(jié)果也顯示，抗菌不銹鋼手術(shù)器械對(duì)院內(nèi)環(huán)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(yōu)異的廣譜抗菌性能。

引言

院內(nèi)感染現(xiàn)象日趨嚴(yán)重，其感染可能性受病人年齡、原發(fā)病等諸多因素影響，其中以老年人、顱內(nèi)感染病人及腦血管病人感染率最高。目前對(duì)于院內(nèi)感染的治療仍是使用抗生素。而抗生素的大量使用使得醫(yī)院病原菌群的耐藥性近年來一直有大幅上升趨勢(shì)，因此繼續(xù)依賴抗生素控制感染只會(huì)讓院內(nèi)感染陷入惡性循環(huán)[1]。2013年中國CHINET細(xì)菌耐藥性監(jiān)測(cè)結(jié)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(dòng)桿菌屬（鮑曼不動(dòng)桿菌占89.2%）對(duì)亞胺培南和美羅培南的耐藥率分別為62.8%和59.4%，細(xì)菌耐藥性仍呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，多重耐藥和廣泛耐藥菌株在某些病區(qū)內(nèi)的流行播散對(duì)臨床構(gòu)成嚴(yán)重威脅[2]。因此必須尋找到非抗生素藥物來解決院內(nèi)感染問題。

根據(jù)世界衛(wèi)生組織（WHO）頒布的《院內(nèi)感染防治實(shí)用手冊(cè)》中的有關(guān)數(shù)據(jù)，每天全世界有超過1400萬人在遭受院內(nèi)感染的痛苦，其中60%的細(xì)菌感染與使用的醫(yī)療器械有關(guān)。外科手術(shù)中使用的手術(shù)器械多屬于暫時(shí)接觸組織的侵入性醫(yī)療器械，在使用過程中對(duì)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(shù)的頻率升高，受眾的增多，也對(duì)外科手術(shù)器械的性能提出了更多要求，傳統(tǒng)外科手術(shù)器械的諸多缺點(diǎn)也越來越不容忽視。

（1）傳統(tǒng)手術(shù)器械對(duì)滅菌要求高。使用后的手術(shù)器械已被嚴(yán)重污染，一般需經(jīng)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(fèi)用過高，不適合普遍使用；戊二醛浸泡法所需時(shí)間長(zhǎng)，又對(duì)皮膚黏膜有刺激性，操作人員易出現(xiàn)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(shè)備和人員眾多，滅菌時(shí)間較長(zhǎng)，在中小型醫(yī)院或者醫(yī)療方艙中很難操作。

（2）外來手術(shù)器械的染菌問題亟待解決。邊冬梅等[4]將外來手術(shù)器械與醫(yī)院手術(shù)器械對(duì)比發(fā)現(xiàn)，外來手術(shù)器械術(shù)前污染率為2.8%，術(shù)中污染率為16.9%，術(shù)后污染率為27.0%，均高于醫(yī)院內(nèi)手術(shù)器械。外來器械的污染帶來了嚴(yán)重后果，數(shù)據(jù)顯示髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后約有1%～5%的患者發(fā)生術(shù)后感染，導(dǎo)致患者住院時(shí)間延長(zhǎng)、再次手術(shù)、植入物取出、肢體畸形，甚至死亡[5-7]。

（3）保質(zhì)期短。傳統(tǒng)手術(shù)器械經(jīng)滅菌、烘干、包裝后，其保質(zhì)期僅為7～14 d。過此保質(zhì)期后，手術(shù)器械表面則有細(xì)菌滋生的危險(xiǎn)。而在潮濕環(huán)境中，其保質(zhì)期則更短。

（4）傳統(tǒng)手術(shù)器械在使用過程中存在染菌風(fēng)險(xiǎn)。盡管所有的醫(yī)療器械都必須經(jīng)過嚴(yán)格滅菌消毒后才能使用，但消毒后在術(shù)中環(huán)境放置時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，表面不可避免地還會(huì)存在細(xì)菌滋生的現(xiàn)象。陳昭斌等[8]對(duì)手術(shù)室菌群研究發(fā)現(xiàn)，手術(shù)開始后20 min至手術(shù)結(jié)束，手術(shù)室空氣中的細(xì)菌總數(shù)超過衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)（≤200 CFU/m3），最高達(dá)1573 CFU/m3，從而易引起術(shù)中手術(shù)器械染菌。不難推測(cè)，對(duì)于醫(yī)療方艙等應(yīng)急機(jī)動(dòng)醫(yī)療系統(tǒng)，病人受到細(xì)菌感染的風(fēng)險(xiǎn)會(huì)進(jìn)一步加大。

（5）傳統(tǒng)手術(shù)器械一旦染菌則易形成細(xì)菌生物膜，消除難度更大。手術(shù)器械表面粘附細(xì)菌后很容易聚集形成細(xì)菌生物膜，其具有極強(qiáng)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(shù)器械自身具有抗菌性能，從而降低其染菌風(fēng)險(xiǎn)，從源頭出發(fā)大大降低由于手術(shù)器械污染、滅菌不徹底等引發(fā)的院內(nèi)感染可能性。含銅抗菌不銹鋼這一新型抗菌金屬材料為達(dá)到上述目標(biāo)奠定了材料基礎(chǔ)。

含銅抗菌不銹鋼屬于合金型抗菌不銹鋼，相對(duì)于涂層型、復(fù)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(yōu)勢(shì)。其主要抗菌原理是：抗菌不銹鋼與細(xì)菌作用后，不銹鋼表面溶出的銅離子通過破壞其屏障細(xì)胞壁和細(xì)胞膜的保護(hù)作用，使細(xì)胞的通透性增加，內(nèi)容物流出而使細(xì)胞死亡[11]。含銅抗菌不銹鋼具有如下使用特點(diǎn)：

（1）廣譜抗菌性。陳四紅等[11-14]在0Cr17、0Cr18Ni9等不銹鋼的成分基礎(chǔ)上分別添加了2%和4%的銅并經(jīng)合適的熱處理后表現(xiàn)出了極強(qiáng)的抗菌性能，對(duì)大部分革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌的殺菌率均能達(dá)到90%以上，對(duì)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(chǎng)球菌的殺菌率均能達(dá)到99%以上，甚至對(duì)生命力頑強(qiáng)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(nèi)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(huì)分解失效?？咕讳P鋼能承受至500℃的高溫，抗菌性能不會(huì)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(shí)驗(yàn)室條件進(jìn)行了抗菌性能測(cè)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(duì)照材料。進(jìn)行合適的熱處理后，按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB4789.2-94的實(shí)驗(yàn)流程進(jìn)行抗菌性能測(cè)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(yǎng)時(shí)間為24 h。為了進(jìn)一步檢驗(yàn)抗菌效力，采用1.6×106CFU/mL的標(biāo)準(zhǔn)菌液分別與抗菌不銹鋼和對(duì)照不銹鋼（2Cr13）在溫度37℃、濕度90%的恒溫培養(yǎng)箱中共培養(yǎng)18 h。然后將經(jīng)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(yǎng)基培養(yǎng)24 h后，對(duì)培養(yǎng)皿中的菌落進(jìn)行計(jì)數(shù)。材料殺菌率的計(jì)算公式[15]如下：

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

為了進(jìn)一步驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)室的研究結(jié)果，準(zhǔn)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(cè)中心進(jìn)行抗菌性能測(cè)試，檢測(cè)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(shù)器械，將其與市售普通外科手術(shù)器械分別進(jìn)行切割，制成硬度試樣，平行樣6個(gè)。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T230.1-2009 金屬材料洛氏硬度試驗(yàn)的相關(guān)規(guī)定，使用TH320全洛式硬度計(jì)進(jìn)行硬度測(cè)量，其中載荷為150 kg，載荷保持時(shí)間5 s，恢復(fù)時(shí)間1 s。

根據(jù)不銹鋼醫(yī)用器械耐腐蝕性能試驗(yàn)方法（YY/T0149-2006）中的沸水實(shí)驗(yàn)法的規(guī)定，對(duì)抗菌手術(shù)器械和普通手術(shù)器械進(jìn)行耐蝕性檢測(cè)。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(jí)水漂洗3次，放入三級(jí)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(jù)《醫(yī)用剪通用技術(shù)條件》（YY/T0176-2006）及《醫(yī)用剪》（YY/T 0596-2006）中的相關(guān)規(guī)定，抽選3把抗菌外科醫(yī)用剪進(jìn)行使用性能測(cè)試。

2 結(jié)果

2.1 抗菌性能

平板計(jì)數(shù)實(shí)驗(yàn)表明，2Cr13Cu與105CFU/mL濃度的金黃色葡萄球菌共培養(yǎng)24 h后達(dá)到99%的殺菌率。將菌液濃度提高至1.6×106CFU/mL時(shí)，將共培養(yǎng)時(shí)間縮短至18 h，2Cr13Cu的殺菌率仍能達(dá)到99%以上（見圖1）。由此可見，2Cr13Cu的強(qiáng)烈殺菌能力為其在感染性手術(shù)及惡劣手術(shù)環(huán)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(yǎng)18 h后的菌落計(jì)數(shù)

注：a.對(duì)照2Cr13；b.抗菌2Cr13Cu。

通過對(duì)2Cr13Cu抗菌不銹鋼的第三方檢測(cè)，同樣證明了其對(duì)醫(yī)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(jié)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(duì)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(shù)器械的這種優(yōu)異的廣譜抗菌性能將會(huì)大大提高手術(shù)的安全性，有效降低手術(shù)感染風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 硬度

洛氏硬度測(cè)試結(jié)果顯示，與對(duì)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(shù)器械對(duì)硬度的國標(biāo)要求?？梢酝茰y(cè)，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(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行沸水實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，觀察材料表面形貌，表明2Cr13Cu抗菌不銹鋼和對(duì)照不銹鋼手術(shù)器械表面均未出現(xiàn)銹蝕痕跡，評(píng)定其耐蝕性為A級(jí)，說明抗菌不銹鋼手術(shù)器械具備與對(duì)照不銹鋼手術(shù)器械相同的耐蝕性能，滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)手術(shù)器械耐蝕性能的要求（見圖2）。

圖2 不銹鋼手術(shù)剪沸水試驗(yàn)后照片

注：a.普通手術(shù)器械；b.抗菌手術(shù)器械。

2.4 使用性能

經(jīng)外觀檢測(cè)，抗菌不銹鋼外科醫(yī)用剪各項(xiàng)使用性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)YY/T0176-2006的要求，具體各項(xiàng)性能如下：

（1）醫(yī)用剪連接牢固性好，螺釘牢固地固定在左片上，當(dāng)閉合或打開時(shí)螺釘無跟動(dòng)。

（2）醫(yī)用剪刃口完整，無崩刃，閉合與打開時(shí)無咬口及卡住現(xiàn)象。

（3）醫(yī)用剪開閉靈活，刃口接觸點(diǎn)在不小于距頭端三分之二刃口的長(zhǎng)度處。

（4）醫(yī)用剪剪切順利，無變形、裂紋現(xiàn)象；試驗(yàn)材料切整齊，無撕裂現(xiàn)象。

（5）醫(yī)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(xiàn)象。

3 討論

傳統(tǒng)的外科手術(shù)器械對(duì)滅菌要求高，多數(shù)采用高溫高壓滅菌，對(duì)不耐熱器械則需采用戊二醛浸泡，操作者有出現(xiàn)呼吸道刺激癥和皮膚灼傷的風(fēng)險(xiǎn)。即使經(jīng)過完全滅菌的手術(shù)器械，由于手術(shù)環(huán)境的不同亦有染菌風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而引發(fā)患者的院內(nèi)感染。尤其在感染性手術(shù)中，傳統(tǒng)手術(shù)器械更淪為傳染媒介，給患者和醫(yī)者的健康帶來威脅。目前，中國科學(xué)院金屬所楊柯教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)與國內(nèi)不銹鋼企業(yè)合作，通過設(shè)計(jì)并優(yōu)化抗菌不銹鋼的冶煉和加工工藝，已生產(chǎn)出40噸級(jí)規(guī)模含銅抗菌不銹鋼板，具備了市場(chǎng)規(guī)模化應(yīng)用的基礎(chǔ)。

表1 2Cr13Cu抗菌不銹鋼對(duì)細(xì)菌的殺菌率

抗菌不銹鋼手術(shù)器械的設(shè)計(jì)原理是通過合適的成分設(shè)計(jì)、冶煉工藝以及熱處理工藝，在保證其硬度、耐蝕性與傳統(tǒng)不銹鋼相當(dāng)?shù)幕A(chǔ)上，利用含銅不銹鋼的廣譜抗菌性能，抑制手術(shù)器械表面黏附細(xì)菌或直接殺死粘附在器械表面的細(xì)菌，從而大大減小其在術(shù)中染菌可能性，同時(shí)還會(huì)使其消毒滅菌更容易，使其具備更長(zhǎng)的無菌保質(zhì)期。

4 結(jié)語

本文主要介紹了抗菌不銹鋼在外科手術(shù)器械上的應(yīng)用。研究結(jié)果表明2Cr13Cu抗菌不銹鋼的廣譜抗菌性能優(yōu)異，且力學(xué)性能和耐蝕性能與普通2Cr13不銹鋼相當(dāng)。因此抗菌不銹鋼在醫(yī)療器械上的應(yīng)用前景將會(huì)十分廣闊，從材料角度上為降低院內(nèi)感染發(fā)生提供了新的解決方案。