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铜含量对钴铬钼铜合金抗菌性和耐腐蚀性的影响

更新时间:2009-03-28

金属作为桩核修复、固定修复基底冠、活动修复支架卡环、种植等修复方式的主要材料,是口腔修复领域最常应用的材料之一。钴铬钼合金具有良好的生物相容性、耐磨性和耐腐蚀性[1-3],早在1929年就应用于口腔修复领域。随着含氟制品(如漱口水、牙膏、预防性凝胶等)的广泛应用和碳酸饮料以及甜食的摄入增加,口腔会处于一个含氟弱酸环境[4],当氟存在于口腔中时会对金属修复体产生一定的影响[5-7],因此需要进一步提高钴铬钼合金的耐腐蚀性。钴铬钼合金修复体高度抛光后可以降低菌斑黏附,但随着在口腔中应用的时间延长易出现菌斑附着[8-9],造成基牙龋损和软组织炎症[10]。因此,修复材料如果具有一定的抗菌能力,可在很大程度上改善修复质量。

近年来,铜作为抗菌成分添加到多种材料中[11]。张丹等[12]研究发现,316L-Cu不锈钢能够有效杀灭种植体周围炎的主要致病菌,同时能够持续释放Cu离子,改变种植体周围微环境,具有良好的临床应用价值。冯静雯[13]研究发现,Cu离子的细胞毒性表现为双向性,一方面纯铜材料具有明显的细胞毒性,另一方面含微量铜离子的317L-Cu抗菌不锈钢对细胞的生长、黏附、增殖等生物学行为无明显不良影响,具有良好的生物相容性。Burghardt等[14]研究显示,通过调整铜离子的含量,可诱导间充质干细胞(mesenchyma stem cell,MSC)的抗菌活性,当铜离子浓度为300 mol·L-1时足以抑制浮游细菌的生长。杨斐渊[15]分别在真空压力铸造和空气环境离心铸造条件下对钴铬合金进行1、3、5次反复熔炼,结果表明其电化学参数测量值无明显区别,合金表面的腐蚀产物随铸造次数的增加略有增加。Zhang等[16]研究证实,含铜质量分数为10%的铜合金不仅具有良好的生物相容性,还能显著提高铜合金的硬度和抗压强度,并且同时提高其耐腐蚀性。基于上述研究,铜作为抗菌成分加入医用不锈钢成为可能。目前国内外对含铜钴铬合金的抗菌性及耐腐蚀性研究较少。本研究利用电弧炉熔炼钴铬钼铜合金,并就不同铜含量对钴铬钼铜合金的耐腐蚀性和抗菌性的影响进行初步探讨,以期具有更好的使用性能。

1 材料和方法

1.1 实验仪器

电热恒温鼓风干燥箱(DHG-9073BS)、生化培养箱(SPX-250BS)(上海新军医疗器械公司),脱色摇床(南京生兴生物科技有限公司),超净工作台(Thermo公司,美国),721E紫外分光光度仪(上海光学仪器有限公司),电化学测试仪(LK-9805)、不锈钢新型电热恒温水浴锅(DKS224)(Autolab公司,瑞士)。

1.2 合金试件的制备

利用电弧炉将纯铜和商用钴铬钼合金熔炼成4种不同铜含量(质量分数分别为2%、3%、5%、7%)的钴铬钼铜合金铸锭,为了保证合金中各成分分布均匀,铸锭需要反复熔炼5次。不含铜的钴铬钼合金作为对照组。实验所用材料样品均从相应铸态合金锭上线切割取样,规格为10 mm×10 mm×1 mm。采用真空冶炼法制备试件。5组试件经800 ℃真空热处理保温4 h后,水冷,然后经180、240、360、600、800、1 000、1 200、2 000目砂纸逐级打磨,用0.5 μm金刚石抛光膏精细抛光。抛光后的样品用超声波在丙酮中荡洗除油,然后分别使用无水乙醇和去离子水清洗,于100 ℃烘箱中烘干备用。

1.3 标准菌液制备

菌种为中国药品生物制品检定所提供的金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus ATCC25923)及大肠埃希菌(Escherichia coli ATCC25922)。2种菌种经过复苏培养确定为纯培养物后,配置菌悬液接种于牛肉膏蛋白胨新鲜培养基斜面上,在37 ℃、90%湿度恒温培养箱中培养。24 h传代一次,取经过连续培养3代的菌落放置液体培养基中,在37 ℃恒温培养箱中增菌24 h。根据比浊结果将2种菌液浓度稀释为105 cfu·mL-1的标准菌液。

1.4 耐腐蚀性测定

通过电化学法测定耐腐蚀性。电化学介质为人工唾液,于950 mL去离子水中加入0.4 g NaCl、0.4 g KCl、0.795 g CaCl2·H2O、0.005 g Na2S·2H2O、0.78 g NaH2PO4·H2O、1 g尿素(Urea),调节pH至6.8,最后定容至1 L。

[20] 马秀萍, 李超. 铸造过热度和热处理对CoCrMo合金显微组织的影响[J]. 材料工程, 2014(3):66-70.

动态极化曲线在V3(Princeton Applied Research Versa STAT3)电化学工作站上进行。采用阳极极化,运用经典的三电极体系,以试件作为工作电极,铂片作为辅助电极,饱和甘汞电极作为参比电极。试验中所提及的电极电位均是相对于参比电极的电极电位。将试件完全浸入预先放入恒温水浴箱的人工唾液中(图1),各电极固定后与电化学腐蚀测试系统连接,首先测量工作电极的开路电位,待电路稳定后即测试试样的稳态电位至电位上下波动幅度不超过2 mV,并以此作为初始扫描电位,开始电位极化扫描并绘制极化曲线。初始电位为-500 mV(相对于开路电位),最终电位为+1 000 mV(相对于开路电位),电位扫描速率为0.5 mV·s-1

1.5 抗菌性实验

采用覆膜法抗菌实验分析铜含量对钴铬钼铜合金抗菌性的影响。取金黄色葡萄球菌和大肠埃希菌各0.2 mL 105 cfu·mL-1标准菌液均匀滴加在5组试件表面,覆盖无菌薄膜,使菌液与试件充分接触以无菌液溢出为准,将标记后的培养皿放入37 ℃、湿度90%的恒温培养箱中培养24 h。然后将与菌液接触24 h的薄膜、试件分别放入15 mL PBS中反复冲洗。取0.1 mL上述缓冲液,均匀涂布于新鲜培养基中,再次分别编码后置于37 ℃恒温培养箱中培养24 h。实验重复5次,且每组有3个平行样品。计算实验组的杀菌率,杀菌率(%)=[(对照组活菌数-实验组活菌数)/对照组活菌数]×100%。

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图1 电化学装置示意图Fig1 Sample holder for electrochemical testing

1.6 统计学分析

采用SPSS 17.0软件对数据进行统计分析,实验组与对照组间的比较采用t检验和χ2检验,P<0.05为差异具有统计学意义。

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2 结果

2.1 耐腐蚀性

5组试件的动电位极化曲线见图2。由图2可知,各种铜含量合金的极化曲线相差不大,说明铜含量的变化未明显改变钴铬钼铜合金的极化行为。

  

图2 5组的动电位极化曲线Fig2 Polarization curves of five groups

与不含铜的钴铬钼合金相比,铜含量为2%、3%、5%、7%时钴铬钼铜合金的自腐蚀电位由-437 mV分别提高至-340、-295、-205和-287 mV(P<0.05)。

与不含铜的钴铬钼合金相比,铜含量为2%、3%、5%时钴铬钼铜合金的腐蚀电流密度由0.396 μA·m2分别降低至0.202、0.149、0.314 μA·m2,铜含量为7%时钴铬钼铜合金的电流密度又升高至0.663 μA·m2

随着合金中铜含量的增加,合金的点蚀电位呈现先升高后降低的趋势,且含铜合金的点蚀点位均大于不含铜合金,表明在合金中添加少量的铜可在一定程度上提高耐点蚀性能。

2.2 抗菌性

5组大肠埃希菌培养24 h后的形貌见图3,乳白色斑点表示聚集的细菌群落。

  

图3 5组大肠埃希菌培养24 h后的形貌Fig3 Breeding status of 24 h of Escherichia coli in five groups

从图3可见,不含铜的钴铬钼合金培养皿中有大量菌落;铜含量为2%、3%时培养皿中菌落数量减少;铜含量为5%时培养皿中只剩下极少量菌落;铜含量为7%时已无肉眼可见的菌落。5组金黄色葡萄球菌和大肠埃希菌的杀菌率见图4,含铜的钴铬钼铜合金对2种细菌均有一定的杀灭作用,随着铜含量的增加钴铬钼铜合金杀菌率提高(P<0.05),当铜含量大于5%时,钴铬钼铜合金的杀菌率高达99%;铜含量为2%、3%时,钴铬钼铜合金对大肠埃希菌的杀灭率明显高于对金黄色葡萄球菌的杀灭率(P<0.05)。 

  

图4 5组的杀菌率比较Fig4 Comparasion of antibacterial rates in five groups

3 讨论

钴铬钼合金是由最初的钴铬二元合金、钴铬钨三元合金逐渐发展而来的。Co元素作为合金的主要成分,按照一定的比例在Co基础上添加Cr、Mo、C等元素形成固溶体。Cr元素以氧化物形式存在于合金表面,能够有效提高合金的耐腐蚀性及耐摩擦性;Mo元素通过细化晶粒,提高合金强度。钴铬钼合金作为医用材料在使用过程中,由于机械磨损而引发合金表面钝化膜破坏导致微动腐蚀[17]从而影响其临床效果。因此制备出一种不损害合金原有耐腐蚀性、机械强度的新型抗菌钴铬钼合金对提高临床疗效显得尤为重要。

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该模式是政府方与商业银行成立政府引导基金(比如城市发展基金、城市建设基金、产业基金)。一般采用优先/劣后分层结构化设计,商业银行以理财等资金出资作为优先级,政府方出资作为劣后级。常见的业务结构如图2所示。

医用不锈钢的耐腐蚀性要求极高,需要其成分稳定并且要尽量减少合金中各离子成分的释放,避免对人体造成损害。关于铜加入不锈钢并经过时效处理后对合金耐腐蚀性的影响,目前有两种观点:1)在钢中加入少量的铜会在一定程度上改善合金的耐腐蚀性。这与本实验结果一致,在钴铬钼合金中添加少量铜(2%~5%),热处理后的钴铬钼铜合金在表面析出富铜相,破坏了合金原有钝化膜连续性。点蚀一旦发生,溶出的铜离子就会再次以铜的化合物的形式重新沉积到不锈钢点蚀坑附近,在点蚀坑附近形成新的保护层,抑制点蚀坑的发展[23]。另有学者[24]认为,钴铬合金中的可溶性MnS杂质是点蚀的成核中心,含铜不锈钢溶出的铜离子与不锈钢中的硫形成非溶性的CuS化合物,减少MnS杂质形成的点蚀源数量,从而提高合金的耐腐蚀性。2)含铜抗菌不锈钢中铜的加入会导致钝化区间的减小[25],表现为耐腐蚀性的降低。当不锈钢中加入过量的铜后,合金的点蚀电位与基体合金相当,且在合金表面出现不均匀混合物,为氯离子提供活性吸附点,从而产生进一步的腐蚀。当该作用超过铜对耐腐蚀性的有利作用时腐蚀速度提高,腐蚀电流密度增加。

经过特殊热处理后的含铜不锈钢基体中形成均匀弥散分布富铜抗菌相[26],析出合金表面的铜离子数量也有所增加,当然只有当富铜相体积分数达到足够量,合金才能表现出优异的抗菌性。含铜不锈钢在与细菌作用前只有单一的Cu峰,而细菌作用后变为两个Cu峰。与标准谱线对比的结果表明,在与细菌接触前,含铜不锈钢中的Cu以富铜相的形式分布在合金表面;与细菌作用后,Cu以CuO/Cu0的形式存在于合金表面。这个结果证实了含铜不锈钢是通过合金表面富铜相所析出的二价铜离子产生抗菌作用。杨岩等[27]通过研究铜含量对Super304H合金性能的影响,发现合金在相同时效处理后,随着铜含量的增加,富铜相析出增加,颗粒大小更加均匀,分布密度增加,这是抗菌不锈钢发挥作用的必备条件。

本研究发现,随着钴铬钼铜合金中铜含量的增加,菌落数量依次减少,铜的加入起到了对细菌的杀灭作用,并且这种作用随着铜含量的增加而增强。这也进一步证实了在经相同时效处理后,富铜相析出量与合金中铜含量密切相关。本研究同时表明,当合金中添加2%、3%铜时,钴铬钼铜合金对大肠埃希菌的杀灭率高于对金黄色葡萄球菌的杀灭率。这可能是由于革兰阴性菌细胞膜上的不饱和脂肪酸具有铜依赖性氧化反应,随着游离出铜离子的增加,不饱和脂肪酸的水平升高,为铜促脂质体提供了高浓度的接触位点,导致细胞膜结构改变和稳定性下降,造成革兰阴性菌快速大量的死亡[28]。经过时效处理的含铜合金,铜离子从合金表面析出后进入细菌细胞内,降低细胞内酶的活性使细菌新陈代谢紊乱进而使其死亡[29]。大肠埃希菌为革兰阴性菌,细菌壁较薄(10~15 nm);而金黄色葡萄球菌为革兰阳性菌,细胞壁较厚(20~80 nm)。因此,铜离子更容易进入大肠埃希菌体内而杀死细菌,这一结果也与目前比较公认的铜离子的“接触式杀伤”相符合。本研究中,铜含量为5%~7%的钴铬钼铜合金能杀灭革兰阳性菌与革兰阴性菌,其24 h杀菌率高达99%,满足国际上对抗菌材料的要求。

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开水冲服,每日2次。1岁以内每次6克(半袋),1~3岁每次6~12克(半袋至1袋),4~7岁每次12~18克(1~1.5袋),8~12岁每次24克(2袋)。

含铜抗菌不锈钢于20世纪90年代首次研发成功,铜作为抗菌成分添加到各种钢中,通过特殊的时效处理后具有析出强化和沉淀硬化的作用,同时可改变合金的力学性能。铸态的钴铬钼合金含有大量粗大的共晶状的M23C6碳化物,铜加入后,铜相存在于基体和基体与碳化物的交接处,降低了合金的耐磨性;但含铜钴铬钼合金经过时效处理后与铸态钴铬钼合金相比耐磨性有所增强[18]。这是由于热处理后的铜以原子形式固溶于合金基体,基体析出的条状碳化物阻碍基体的可变形性[19],同时合金基体中的FCC结构转化为HCP结构[20],相变强化和固溶强化双重作用大幅度提高合金的强度和耐磨性。李金刚等[21]通过对含铜不锈钢的强度与富铜相颗粒尺寸关系的研究,发现在时效处理过程中,合金的强度呈先升高后降低的规律,当富铜相析出的尺寸细小且与基体保持完全共格关系时,合金的强度明显增加,随着铜析出相尺寸粗化,其与基体的共格关系减弱至消失,不锈钢的强度也开始降低。不同的时效处理,对含铜不锈钢的性能也有一定的影响。钟平等[22]通过改变对含2%Cu马氏体不锈钢的时效处理温度,发现合金材料硬度、抗拉强度、屈服强度均随时效处理温度的升高而加强,而冲击韧性、延伸率呈下降趋势。

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本研究结果表明,在钴铬钼合金中添加适量的铜能提高合金的耐腐蚀性。随着铜含量的提高,钴铬钼铜合金的抗菌性增强,铜含量为5%~7%的钴铬钼铜合金的杀菌率达99%以上。铜含量为5%的钴铬钼铜合金既具有较高的耐腐蚀性,又具有较强的抗菌性。

船舶减速过程对航道通航能力有着不可忽视的影响,通过挖掘船舶减速的影响因素对船舶减速过程进行调控,能有效缓解船舶减速对航道交通的影响。下面对船舶减速影响因素进行分析并提取船舶到达率、船舶速度分布标准差和航道长度等3个船舶减速影响因素。

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2.3四组患者左室收缩功能指标比较:OSAHS患者组中,中度组与重度组患者SV、CO、E/A、LVEF、Tei指数明显高于对照组,室间隔Sm、二尖瓣环Sm指标明显低于对照组,差意有统计学意义(P<0.05)。见表3。

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现阶段,社会不断进步,人们的生活水平不断提升,人们的物质消费方式以及观念不断发生改变。此种现象导致我国大部分民族文化在无形中进行消亡,其中也包括体育文化。目前,人们不断追求物质生活的享受,在社会发展中,不断提倡享乐主义,注重娱乐、现代化的生活方式。在体育锻炼中,大部分人们愿意选择趣味性的活动进行锻炼,难以接受一些传统具有体育文化的体育项目,导致传统体育文化逐渐淡出人们的视线,最终消亡。这使我国体育文化难以进行有效的传承,影响我国文化强国战略的实施,最终影响我国国际竞争力,不利于我国未来发展。并且在发展过程中,我国青少年对体育文化了解较少,难以对体育文化进行传承,同样也影响体育文化的发展。

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前文提到,高校图书馆嵌入式学科服务的发展困境主要源于行政层面上的支撑不足,表现为学科服务制度、服务策略、服务理念上的制度保障和执行能力有限,具体改进策略如下。

Zhang X, Chen H, Chen K. Sliding tribocorrosion behavior of forged CoCrMo alloy for artificial joint materials[J]. Chin Surf Eng, 2016, 29(2):43-48.

城市在建设和发展的过程当中,会消耗大量的资源,我们并不能够无节制的去消耗不可再生资源,如果还是肆意浪费,将会使这些不可再生资源枯竭,造成不可挽回的后果,对于生态环境来说也会造成很大的影响。有的城市在环境管理上会付出大量的金钱去弥补之前所造成的生态环境破坏,而且需要花费大量的时间才能够看到成效,所以节约资源、建设生态城市十分有必要。

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4.2.4 性病规范化治疗 单阳配偶中,无论是HIV阳性方还是HIV阴性方,患有性传播感染性疾病都会增加配偶间HIV传播风险。因此,对患有性病的性伴,需积极进行规范化的性病诊疗,以降低HIV的易感性。受规范化性病门诊建设和各医疗机构利益等因素的影响,当前性病规范化诊疗水平并不高[38],需加强卫生政策的引导和规范技术服务的推广应用。

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电化学试件制备:5组试件均在其中一个10 mm×10 mm表面锡焊引出导线,然后用环氧树脂冷镶嵌,最终工作面积为1 cm2。镶嵌后的试件使用砂纸依次打磨,用去离子水清洗试样表面,实验前浸泡于人工唾液溶液中待用。

在智慧社区的创建过程中,5G为信息传输提供了高效、可靠的网络基础。加强社区综合服务平台的建设,可以有效地将智慧家庭、物业管理、周边商圈、公共服务统一规划,依靠手机APP、家庭平台等智能终端,形成智慧化、一体化、数字化的社区服务网。

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诸暨市在“大调解”体系建设过程中,把首要工作放在调解组织的健全完善方面。经过多年建设,该市已建立覆盖村、镇乡(街道)、市三级的完备的调解组织体系。截止2017年底,全市建立各类调解组织741家,其中,村、社区调委会533家,镇乡(街道)调委会27家,企事业单位调委会149家,行业性专业调委会12家,在17家公安派出所设立20家人民调解工作室。

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选取我院2017年1月~2018年1月收治的50例异位妊娠患者为研究对象,随机分为两组,各25例,对照组接受经腹彩超检测,年龄21~44岁,平均年龄(27.5±3.5)岁,停经时间30~120d,平均停经时间(49.5±2.5)d;观察组接受经阴道超声检测,年龄22~45岁,平均年龄(28.5±3.5)岁,停经时间31~120d,平均停经时间(50.0±2.5)d;两组患者均已通过相关检测,符合检测标准,无超声、彩超不适者,均有明显停经史,HCG显示阳性,排除其他传染疾病,年龄、停经时间等方面经统计学分析,无显著性差异,P>0.05,有可比性。

[25] 林浩, 尹月, 王小丽, 等. 含铜抗菌马氏体不锈钢的组织与性能[J]. 金属功能材料, 2007, 14(2):14-17.

Lin H, Yin Y, Wang XL, et al. Structure and properties of Cu-contained antibacterial martensitic stainless steel[J]. Metal Funct Mater, 2007, 14(2):14-17.

[26] Quaranta D, Krans T, Espírito Santo C, et al. Mechanisms of contact-mediated killing of yeast cells on dry metallic copper surfaces[J]. Appl Environ Microbiol, 2011, 77(2):416-426.

[27] 杨岩, 程世长, 杨钢. 铜含量对Super304H钢持久性能的影响[J]. 机械工程材料, 2002, 26(10):23-25.

Yang Y, Cheng SC, Yang G. Effect of Cu addition on the creep rupture properties of Super304H steel[J]. Mater Mechan Eng, 2002, 26(10):23-25.

近年来我国农地流转规模不断扩大,耕地质量下降问题不容忽视。流转比例扩大是否会造成耕地质量的下降以及可能的影响机制等问题亟待回答。以往研究通常是将耕地问题单纯地割裂为社会科学问题或是自然科学问题进行研究,忽视了土地问题在农户行为与自然结果之间存在的相关关系,单一学科的研究视角限制了研究的深度和广度。因此,该研究通过采用跨学科的研究方法,利用粮食种植规模户的调研数据和耕地质量测试数据,结合耕地质量以往历史数据对农地流转和耕地质量之间的关系进行分析,重塑对耕地质量问题的认识。

[28] Hong R, Kang TY, Michels CA, et al. Membrane lipid peroxidation in copper alloy-mediated contact killing of escherichia coli[J]. Appl Environ Microbiol, 2012, 78(6):1776-1784.

[29] Nan L, Xu D, Gu T, et al. Microbiological influenced corrosion resistance characteristics of a 304L-Cu stainless steel against Escherichia coli[J]. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl, 2015, 48:228-234.

 
印准,任伊宾,战德松
《华西口腔医学杂志》2018年第02期文献

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