含铜不锈钢在尿液中的钝化膜分析及铜离子的溶出

朱博轩，李建中，赵 静2，，范连慧，邢鹏飞

（1.东北大学 冶金学院，沈阳 110819；2.中国科学院金属研究所，沈阳 110016；3.中国人民解放军北部战区总医院，沈阳110083 ）

目前，由植入器械诱发的感染占医源性感染的40%［1］.泌尿系统在人体环境中相对开放，细菌种类及数量均高于其他部位，因此在泌尿系统环境中，感染更为高发［2］.临床数据显示，输尿管支架植入患者体内后，7 d 内约10%～50%的患者发生尿路感染，当植入超过30 d 时，感染率接近100%［3-4］.因此，在过去的50 年中，大量的研究工作集中于优化材料抗菌性能这一领域［5］.中国科学院金属研究所杨柯团队研究发现，利用铜强烈的广谱抗菌功能，在不锈钢中加入一定量的铜并采用相应的热处理工艺，可以使材料基体内形成纳米尺寸且分布均匀的富铜相［6-7］.富铜相在空气中氧气和水蒸气的作用下，表面释放出铜离子，抑制细菌生物膜在材料表面形成［8］.含铜不锈钢以特殊的物理抗菌机制，有效解决了细菌对抗生素的耐药性，为抑制感染提供了稳定的途径［9］.含铜抗菌医用金属新材料能有效抑制在其表面上形成的细菌生物膜，从而降低细菌感染的发生率，使植入器械的临床医疗效果更佳.但目前心血管病患者植入的支架大多是医用316L 不锈钢，支架植入人体后易引发冠状动脉疾病［10］.

不锈钢的耐腐蚀性能源于其表面致密且稳定的钝化膜［11］.相关研究发现，钝化膜由Cr，Fe，Ni等氧化物组成，表面形成的屏障层阻碍外界物质进一步与材料基体反应，从而保持不锈钢的稳定性［12］.含铜不锈钢不同于传统不锈钢材料，表面的钝化膜中除含有CrO3，Cr2O3，FeCr2O4，Fe2O3等，还含有Cu 组成的氧化物质，如Cu2O 和CuO［13］.赵金龙等［14］研究发现，含铜不锈钢钝化膜中Cu 的价态分布不同，直接影响材料腐蚀性能.高含量（质量分数）的Cr2O3，Cr（OH）3，CuO 可有效提高材料耐点蚀性能.王育武等［15］研究了不同温度对含铜不锈钢钝化膜的影响，发现随着温度升高，其耐蚀性降低.但是截至目前，含铜不锈钢表面钝化膜研究均集中于空气环境中，并未研究材料应用于体内植入时，在人体缓冲液作用下表面钝化膜状态及特定环境对钝化膜的影响.因此，本文中从含铜不锈钢输尿管支架服役角度出发，研究材料在尿液环境中表面钝化膜状态及其对铜离子溶出的影响.

1 材料与方法

1.1 实验材料

在目前临床上广泛应用的医用316L 奥氏体不锈钢成分基础上，添加4%～5%的Cu，用25 kg真空感应炉进行熔炼，经过锻造、轧制等工艺，制备316L 型含铜不锈钢（316L-Cu）实验材料.材料成分如表1 所列.用1 050 ℃固溶0.5 h，700 ℃保持时效6 h 的热处理工艺，含铜不锈钢中析出富铜相.以临床中广泛应用的316L 不锈钢为对照材料，将实验材料加工成尺寸为φ10 mm×1 mm的片状样品，所有样品经水磨砂纸逐级打磨抛光.

表1 316L-Cu 不锈钢化学成分（质量分数）Table 1 316L-Cu stainless steel chemical composition（mass fraction） %

1.2 人体尿液采集

人体尿液采集于6 名无尿路感染史、近期未服用药物且无特殊饮食的健康志愿者.实验中所用尿液为新鲜中段晨尿，在无菌环境中采集，且采集容器经灭菌处理.将采集的新鲜尿液经0.45 μm滤膜过滤，以去除尿液中的颗粒物质，并分装至无菌的5 mL 离心管中，-20 ℃冷冻保存.实验前，将温度平衡至室温.

1.3 X 射线光电子谱分析

将316L-Cu 不锈钢和316L 不锈钢分别在尿液中浸泡72 h，浸泡比例为3 cm2／mL，温度为37 ℃.取出干燥后，采用X 射线光电子能谱（XPS，Thermo VG，USA）对316L-Cu 不锈钢和316L 不锈钢表面进行测试，考察材料在模拟体内环境中表面元素价态变化.为了深入研究材料表面不同深度的元素成分及状态，设定不同溅射时间，并在每一时间点进行全谱扫描，同时对Cr，Fe，Cu 的精细谱进行分析.XPS 测量在ESCALAB-250 俄歇表面测量系统上进行，其中单色X 射线源为1 486.6 eV，150 W 的铝Kα，以C 1s峰284.6 eV 为参照，溅射速度为0.2 nm／s.

2 结果分析与讨论

图1 为316L-Cu 不锈钢和316L 不锈钢分别与尿液接触72 h 后钝化膜的全谱图.从图中可知，两种不锈钢材料表面形成的钝化膜的主要元素均为Cr 2p3／2 和O 1s，其中316L-Cu 不锈钢还含有Cu 2p3／2.此外，由于材料表面吸附尿液中的无机盐，还含有Ca 2p3／2，P 2s，Mg 2p 及C 1s.

图1 材料与尿液接触72 h 后钝化膜全谱图Fig.1 Full spectrum of passive films on materials after exposure to human urine for 72 h

尿液中含有尿素、无机盐等，不锈钢与尿液接触后，表面形成钝化膜以防止材料腐蚀.钝化膜是由氧化铬与铁的氧化物混合而成，同时还会吸附尿液中的无机物和有机物，从而形成一种自身氧化膜与外界物质混合的“调节膜”（由外文文献中“condition film”翻译而来）［16］.为了更直接地表征材料暴露在人体尿液后的表面成膜情况，对材料表面溅射不同时间的Cr，Fe 进行分析，结果如图2 所示.由图可知，随着溅射时间的增加，Cr 和Fe的结合能峰位置逐渐移动，可见元素的状态及质量分数发生变化.316L-Cu 不锈钢溅射110 s 时的峰位置移动较大，表明这一深度的材料成分变化较大.进一步对溅射110 s 的材料表面Cr 和Fe 进行分峰处理，结果如图3 所示.Cr 的2p3／2 结合能峰可分解为Cr2O3（标准峰为576.6 eV）和Cr（标准峰为574.1 eV）两个主峰.316L-Cu 不锈钢和316L 不锈钢钝化膜中的Cr 均以Cr2O3和Cr 形态存在，表2 给出了溅射110 s 时Cr2O3和Cr 的质量分数.316L-Cu 不锈钢表面钝化膜中Cr2O3的质量分数低于316L 不锈钢，而Cr 的质量分数明显增加，表明316L-Cu 不锈钢表面形成的“调节膜”更薄.Fe 的2p3／2 结合能峰可分解为Fe2O3（标准峰为710.7 eV），Fe3O4（标准峰为708.1 eV）和Fe（标准峰为706.75 eV）三个主峰.材料与尿液接触72 h 后，有部分Fe 状态发生变化，被氧化为Fe2O3和Fe3O4.从表2 中可以看出，316L-Cu 不锈钢表面Fe 的质量分数高于316L 不锈钢，说明316L-Cu 不锈钢表面“调节膜”厚度小于316L 不锈钢.

表2 材料与尿液接触72 h 后，溅射110 s 时钝化膜中Cr 和Fe 的质量分数Table 2 The mass fraction of Cr and Fe in passive films on materials with 110 s sputtering time for 72 h %

图2 材料与尿液接触72 h 后，表面溅射不同时间的Cr 和Fe 的XPS 分析Fig.2 XPS analyses of Cr and Fe elements on materials after exposure to human urine for 72 h with different sputtering time

图3 材料与尿液接触72 h 后，溅射110 s 的Cr 和Fe 的XPS 分析Fig.3 XPS analyses of Cr and Fe elements on materials after exposure to human urine for 72 h with 110 s sputtering

图4 给出了两种材料表面Cr 和Fe 原子在形成的“调节膜”中所占百分比.316L-Cu 不锈钢中Cr 和Fe 所占比例较高，表明其表面从尿液中吸附的物质质量分数较小，且尿液中的无机盐在其表面沉积的厚度较小.这说明尿液中磷酸钙、磷酸铵、尿素等物质在316L 不锈钢表面的吸附量及厚度均大于316L-Cu 不锈钢，从而导致316L 不锈钢形成较厚的“调节膜”.

图4 两种材料溅射不同时间的Cr 和Fe 的原子数分数Fig.4 Atomic percentages of Cr and Fe on materials after different sputtering time

为了研究Cu2＋的溶出机制，对316L-Cu 不锈钢表面钝化膜不同深度的Cu 的状态进行分析.图5 为316L-Cu 不锈钢在空气环境下Cu 的XPS 分析结果图.从图中可知，溅射10 s 的Cu 的特征峰可分解为Cu（标准峰为932.4 eV），Cu2O（标准峰为932 eV），CuO（标准峰为933.6 eV）3 个主峰.由此可知，含铜不锈钢与空气接触后发生电化学反应，生成铜的氧化物，具体反应见下式：

图5 316L-Cu 不锈钢与空气接触72 h 后，溅射10 s 的Cu 的XPS 分析Fig.5 XPS analysis of Cu element on 316L-Cu SS with 10 s sputtering after exposure to air for 72 h

含铜不锈钢在空气中的水分和氧气的作用下，形成Cu2O 和CuO 混合的氧化膜；当其植入人体后，在尿液中的水、酸性物质等共同作用下，Cu2O 和CuO 不断与H＋反应，产生Cu2＋，反应式如下：

上述反应式中产生的Cu2＋在材料表面溶出，随体液扩散后，不断有新的材料表面显露出来，人体尿液中存在大量H＋，在弱酸条件下可以不断与Cu2＋发生反应，从而赋予含铜不锈钢持久的生物功能性.

3 结论

（1）316L-Cu 不锈钢在尿液中形成Cr2O3和N，P 等化合物混合的“调节膜”，且“调节膜”厚度小于316L 不锈钢表面形成的膜.

（2）316L-Cu 不锈钢中的铜以离子形式溶出，且基体中的铜不断发生氧化还原反应，由此赋予材料持久的生物功能性.