生物功能化含铜不锈钢的相关材料学问题研究

Copper (Cu) is an essential metallic element with trace amount in human bodies, playing important roles with many biofunctions. Cu ions are also well known for the strong antibacterial ability. The creative idea to design the bio-functionized Cu-bearing stainless steel is to add proper amount of Cu in the currently used medical stainless steel in order to continuously release trace amount of Cu ions through its inevitable corrosion in the body environment, which have been approved to possess some bio-medical functions such as anti-infection, inhibition of in-stent restenosis and promotion of osteogenesis by the Cu-bearing stainless steels. However, some basic material issues on this novel steel still need to be deeply studied and understand. Based on the previous studies, this project will be focused on the different Cu-bearing stainless steels with different austenitic structure steabilities, and aimed at realization of bio-medical functions for the Cu-bearing stainless steel with maintainance of same property level of the currently used stainless steel. It is expected that through systematic and deep studies on various material issues and relevant mechanisms, including solution/precipitation of Cu in the steel, release of Cu ions in the biological environment, effect of Cu-rich precipitations on main properties of the steel, effect of Cu addtion on the bio-function of the steel, etc., a sound basis on the material will be established for the research, development and application of this novel stainless steel with special bio-functions.

铜是人体内必需的微量金属元素，在体内发挥着重要的生物功能作用。铜离子具有强烈杀菌作用已被广泛认可。在现有医用不锈钢中添加适量铜元素，使其在人体环境中由于不可避免的腐蚀而微量和持续地释放出对人体有益的铜离子，是生物功能化含铜不锈钢的创新设计思想，并已经证明含铜不锈钢具有抗细菌感染、抑制支架内再狭窄、促进成骨等生物医学功能，但其仍存在一些材料学方面的基本问题需要深入研究和认识。本项目在前期研究工作基础上，以具有不同奥氏体结构稳定性的多种含铜不锈钢为主要研究材料，以实现含铜不锈钢的生物医学功能化并保持不锈钢原有性能水平为应用目标，期望通过对含铜不锈钢中的铜固溶与析出规律、在生理环境中的铜离子释放机制、富铜相析出对其综合性能的影响、铜含量对其生物功能化的影响等多方面的材料学基本问题及相关机制的系统和深入研究，为具有特定生物医学功能的含铜不锈钢新材料的研究发展与临床应用奠定坚实的材料学基础。

本项目以几种具有不同奥氏体结构稳定性的含铜不锈钢为主要研究材料，从铜在钢中的固溶与析出规律、在生理环境中的铜离子释放规律、富铜相析出对含铜不锈钢主要性能的影响和铜含量对生物功能化的影响等四个方面，对含铜抗菌不锈钢的材料学基本问题及相关机制进行了系统和深入研究。利用相图计算获得了三种含铜不锈钢（304L-Cu、316L-Cu和317L-Cu）的平衡固溶度公式。在此基础上，利用硬度测试、透射电镜观察和三维原子探针分析绘制出含铜不锈钢的析出动力学曲线，为材料的抗菌热处理提供了设计依据。含铜不锈钢中铜离子释放规律研究结果表明，Cu离子浓度随着时效处理时间以及浸泡时间的增加呈单调增加。在相同时效时间和浸泡时间条件下，700°C时效后的Cu离子的溶出量较600°C和800°C时效要有轻微增加。不同铜含量添加及不同热处理制度对不锈钢的显微组织无明显影响，均能保持奥氏体组织。在固溶状态下，不锈钢的力学性能变化不大，这主要是由于层错能引起的软化效应和铜添加引起的固溶强化效应的作用相互抵消而导致。时效处理后，富铜相的析出一定程度地提高了含铜不锈钢的强度。但是富铜相的析出也破坏了钝化膜的连续性，进而降低了不锈钢的耐蚀性能。此外，高铜含量添加和时效处理能够增加钝化膜中CuO和Cu的含量，由此获得了不锈钢中优化的铜含量添加范围和时效处理工艺。采用细胞增殖及凋亡、Cu/Zn-SOD释放、免疫荧光、内皮细胞的迁移和小管生成情况等相关试验系统地研究了不同铜含量添加下的含铜不锈钢的生物功能化表现，显示铜的添加是生物安全的，能够提高细胞中Cu/Zn-SOD的活力，促进细胞的生长贴附，并促进血管化。上述研究结果为具有特定生物医学功能的含铜不锈钢新材料的研究发展与临床应用奠定坚实的材料学基础。