利用激光刻蚀在外科手术器具表面形成抑菌表面的方法与流程

1.本发明属于医疗器械领域，具体而言，本发明涉及利用激光刻蚀在外科手术器具上形 成抑菌表面的方法。


背景技术：

2.不锈钢是医疗器械广泛使用的基体材料，目前有超过80％的支架材料采用不锈钢。现 有医疗器械不锈钢材料表面抑菌主要通过成分作用来实现：一是在不锈钢基体内整体添加 抗菌金属元素，经过热处理使不锈钢内均匀弥散分布着具有抗菌效果的析出物；二是在不 锈钢表面沉积银、tio2等抗菌薄膜，使表面具有抗菌性能。这两种方法虽然具有一定的抗 菌效果，然而对抗菌金属元素与细菌之间的相互作用机制并无统一结论，金属的析出也会 对人体有一定的毒性，此外由于表面抗菌薄膜较薄，一般在100nm以内，在使用过程中极 易磨损，极大影响抑菌性能。经过这类方式处理过的材料表面不具备抑菌性能，而且通过 表面成分元素来实现抑菌，一旦成分去除，便不具备抑菌，因此不具有永久抑菌性能。
3.因此，目前对于医疗器械的抗菌性能有待进一步提高。


技术实现要素：

4.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个 目的在于提出一种利用激光刻蚀在外科手术器具上形成抑菌表面的方法，该方法将激光刻 蚀与外科手术器具进行结合，在外科手术器具上成功地形成了具有抗菌性能的抑菌表面， 该抑菌表面是在外科手术器具表面形成的物理形貌的变化，因此该抑菌性能不依赖任何抑 菌元素，抑菌效果更加稳定持久和安全有效。另外，该采用该方法还可以显著提高外科手 术器具的抗菌性和易清洁性，提高清洁效率，降低成本。
5.根据本发明的一个方面，本发明提出了利用激光刻蚀在外科手术器具上形成抑菌表面 的方法，根据本发明的具体实施例，该方法包括通过激光刻蚀在所述外科手术器具上形成 网格沟槽的微结构。
6.由此，本发明将激光刻蚀与外科手术器具进行结合，在外科手术器具上制造出网格沟 槽的微结构，进而使得该外科手术器具具有疏水、疏血性能、抗细菌粘附、抗蛋白质粘附、 抗血小板粘附以及抑制生物膜生长的良好性能。由此，该外科手术器具具有易清洁、消毒 效率高的优势。
7.另外，根据本发明上述实施例的利用激光刻蚀在外科手术器具上形成抑菌表面的方法 还可以具有如下附加的技术特征：
8.在本发明的一些实施例中，所述激光刻蚀采用纳秒脉冲激光，激光加工参数为：功率 20w，扫描速度600mm/s，频率20khz，扫描间距为60-180微米，扫描次数10次。由此可 以有效地在外科手术器具上刻蚀出预定尺寸的沟槽。
9.在本发明的一些实施例中，所述网格沟槽为十字网格沟槽，每条沟槽的宽度为40-50 微米，深度为30-80微米。由此形成的抑菌表面具有超疏水性能和超疏血性能以及良好
表面的方法，根据本发明的具体实施例，该方法包括通过激光刻蚀在所述外科手术器 具上形成网格沟槽的微结构。由此，本发明将激光刻蚀与外科手术器具进行结合，在 外科手术器具上制造出网格沟槽的微结构，进而使得该外科手术器具具有疏水、疏血 性能、抗细菌粘附、抗蛋白质粘附、抗血小板粘附以及抑制生物膜生长的良好性能。 由此，该外科手术器具具有易清洁、消毒效率高的优势。
31.本发明通过激光刻蚀改变外科手术器具表面微结构，使其具备抑菌效能是一种新的思 路。具体采用激光刻蚀技术是通过脉冲激光作用于外科手术器具表面，在表面加工制备出 如图2所示的网格沟槽的微结构，进而改变材料表面的浸润性能实现降低甚至抑制细菌粘 附力的效果。
32.根据本发明的具体实施例，本发明激光刻蚀采用纳秒脉冲激光。发明人发现，采 用纳秒脉冲激光刻蚀得到的微结构可以达到抑制或降低细菌粘附力的效果，而且纳秒脉 冲激光较微米激光更加节省成本，且刻蚀效率更高。
33.根据本发明的具体实施例，采用纳秒激光进行刻蚀的参数设置包括：刻蚀功率为 20w，扫描速度为600mm/s，频率为20khz，扫描次数为10次，扫描间距为60-180微 米。由此在该纳秒激光刻蚀的条件下可以有效地在外科手术器具上刻蚀出预定尺寸的 沟槽，进而使其具有抑制或降低细菌粘附力的性能。另外，发明人发现，扫描次数直接 影响刻蚀出的沟槽深度，若扫描次数过多，会使得样品表面的粗糙度降低，从而会降 低微结构的超水性能和超疏血性能。
34.根据本发明的具体实施例，扫描间距可以为60微米、90微米、120微米、150微 米、180微米。由此，在该扫描间距下刻蚀得到的网格沟槽中，沟槽与沟槽之间的间距 适宜，可以赋予微结构表面较强的超疏水和超疏血性能。另外，发明人通过进一步研 究发现，该网格沟槽还具有抗细菌粘附性能、抑制生物膜生长性能、抗蛋白质粘附性能和 抗血小板粘附性能。
35.根据本发明的具体实施例，发明人发现，采用纳秒激光刻蚀出的微结构的形状直 接影响抑菌效果，具体地，以网格沟槽的微结构的抑菌效果最佳。
36.根据本发明的具体实施例，若刻蚀的微型结构为网格沟槽，网格沟槽以十字网格 沟槽为最佳，每条沟槽的宽度为40-50微米，深度为30-80微米。由此形成的抑菌表面 具有超疏水性能和超疏血性能以及良好的抗蛋白质粘附、抗血小板粘附以及抑制生物 膜生长的性能。根据本发明的具体示例，每条沟槽的宽度可以为40微米、45微米、50 微米，优选45微米，深度为65微米左右。根据本发明的具体实施例，具有上述尺寸 的微型结构的抑菌表面的抑菌率不低于40％。具体地，与未刻蚀任何微结构的表面相 比，具有上述尺寸的网格沟槽微结构的抑菌表面抑制大肠杆菌粘附的能力提高了 44.7％。
37.根据本发明的另一个实施例，上述实施例在外科手术器具上形成抑菌表面的方法 进一步包括：利用化学修饰法在上述微结构表面进行低表面能修饰，由此可以进一步 提高抑菌表面的抑菌效果。
38.根据本发明的具体实施例，所述化学修饰法包括：利用无水乙醇对形成所述微结 构的外科手术器具表面进行清洗，然后将所述外科手术器具表面浸泡在5mmol/l的 pfdtes甲醇溶液中10小时，并置于恒温鼓风干燥箱内在150℃条件下固化1小时， 取出并待其冷却。通过化学修饰，能够使得激光加工后的外科手术器具表面快速达到 超疏水状态，继而
快速实现抑菌疏血性能。此外，上述化学修饰方法还具备处理简单、 操作方便等优点。
39.由此，本发明上述实施例的外科手术器具上的抑菌表面具有超疏水性能和超疏血 浆性能。因此，当使用后的外科手术器具上沾有血迹后，只要进行简单的酒精消毒清 洗，就很容易去除掉血迹。进而显著提高了外科手术器具的清洁效率。
40.另外，发明人通过对上述方法制备得到的微结构抑菌表面进行测评，还发现抑菌 表面还具有抗细菌粘附性能、抑制生物膜生长性能、抗蛋白质粘附性能以及抗血小板 粘附性能。由于其具有抗细菌粘附性能可显著降低交叉感染风险，而抗蛋白质粘附性 能以及抗血小板粘附性能，可以使得在使得该外科手术器具(例如外科手术刀)切割 皮肤或者组织时，不容易粘连组织和血液等，可以提高外科手术器具的锋利性和操作 便捷性。
41.实施例1(制备抑菌表面)
42.(1)材料选择
43.本次实验采用马氏体3cr13不锈钢，具有较高的碳含量，展现出较高的强度、硬 度和耐磨性，常作为手术刀具等医疗器械材料。实验采用10mm
×
10mm
×
1mm的不锈钢 样品(图1)，详细成分组成见表1。
44.表1 3cr13组成成分表
[0045][0046]
(2)激光扫描刻蚀
[0047]
首先对加工的原始样品进行抛光处理，再将抛光后的试样浸入无水乙醇中超声振 荡清洗5分钟并吹干。
[0048]
基体表面采用纳秒光纤脉冲激光器(lajamin laser,ljm-50d
‑ⅲ
)进行织构(激光波 长为1064nm，脉冲持续时间约100ns，重复速率为20khz，焦距为224mm，最大加工 范围为110mm
×
110mm，聚焦点直径为60μm)，将预处理后的试样用激光器照射，调 整激光参数，刻蚀出如图2所示的十字网格沟槽结构
[0049]
本实验激光加工参数为：功率20w，扫描速度600mm/s，频率20khz，扫描间距 分别为60μm、90μm、120μm、150μm、180μm，上述每个扫描间距下扫面次数为10 次。激光处理后，用无水乙醇进行超声振荡清洗10分钟并吹干，去除表面杂质和油渍。
[0050]
(3)低表面能修饰
[0051]
将无水乙醇清洗后的样品浸泡在5mmol/l的pfdtes(1h,1h,2h,2h-全氟癸基三 乙氧基硅烷)甲醇溶液中10小时，并利用dh-101-2bs型电热恒温鼓风干燥箱在150℃ 条件下固化1小时，取出并待其冷却。
[0052]
(4)表面形貌分析
[0053]
十字网格结构随着扫描间距的增大，槽与槽之间的距离也增大，沟槽深度和宽度 基本保持稳定；沟槽结构随着扫描次数的增加，在相同扫描间距的情况下，沟槽的深 度明
显增大，但是宽度没有明显的变化，说明扫描次数对沟槽的深度有直接的影响， 如图3所示。根据扫描电镜图4可知，激光扫描刻蚀中，表面材料由于高能激光的照 射瞬间熔化并溅射到材料表面，最后冷却重融在棱边以及沟槽内部。经过激光加工后 的样品形成了稳定规则的微米级阵列结构。
[0054]
实施例2(人血浆润湿性实验)
[0055]
(1)测评方法：
[0056]
对实施例1制备得到的5个样品进行水和prp(富血小板血浆)的静态接触角和 滚动角测量，测量三次取平均值，测量接触角和滚动角所用的prp(富血小板血浆) 体积为10μl。测定方法展示图如图5所示。
[0057]
(2)结果与结论：
[0058]
表2接触角和滚动角测定结果
[0059][0060]
从表2中可以得出，样品2-6的水接触角在147.7
°‑
152.0
°
范围内；水滚动角在2
°ꢀ‑4°
范围内。用样品3开展富含血小板的血浆的润湿性能实验，实验结果表明prp接 触角在151.4
°
左右；prp滚动角在9.5
°
左右。由此可以说明，样品3具有超疏水性 能和超疏血性能。由于prp的粘附性能比水的粘附性能强，因此在滚动角测量实验中， 相同体积的去离子水比prp更能够滚动。
[0061]
实施例3(大肠杆菌粘附实验)
[0062]
(1)测评方法：
[0063]
测试样品：实施例1制备得到的样品3(w)和未进行激光加工的对照样品(k)。
[0064]
在进行大肠杆菌粘附实验时，首先用75％的酒精对样品3(w)和未进行激光加工的对 照样品(k)的表面进行灭菌处理并在无菌生物安全柜中自然风干，为了检验样品表面的 灭菌情况，将风干的样品与培养基对粘，再将对粘后的培养基放入37℃恒温生化培养箱中 培养过夜；然后将样品分别放入无菌的24孔板中并在装有样品的孔板中各加入od600＝0.6 的细菌pbs悬液1ml，静置5分钟，然后将菌液吸出，再用无菌pbs溶液清洗三次，以清 洗未粘
附的大肠杆菌；将清洗后的样品放入装有3ml无菌pbs溶液的离心管中超声振荡30min，将超声振荡液部分梯度稀释10倍和100倍，再将原液和两种梯度稀释的超声振荡 液分别取100μl均匀涂抹在装有bhi培养基的培养皿上，再将培养皿放入37℃恒温生化培 养箱中孵育过夜，通过培养皿上的菌落数判断样品表面大肠杆菌的粘附情况。为了进一步 观察超声振荡后样品表面细菌的残留情况，将振荡后的样品去除并用无菌pbs溶液清洗2 次，再用1％的结晶紫溶液染色30min，最后通过激光共聚焦显微镜和扫面电子显微镜观察 观察样品表面。为了使实验数据更加准确，我们设置了两组实验，实验结果取两组实验的 平均值。
[0065]
(2)结果与结论：
[0066]
表3大肠杆菌粘附实验结果
[0067][0068]
如图6所示，在37℃恒温孵化箱中孵育24小时后，样品3(w1、w2)和对照样品 (k1、k2)对粘的培养基表面均没有菌落的生成，可以证明样品在进行大肠杆菌粘附实验 前酒精灭菌彻底，样品表面在实验过程中没有杂菌的污染。粘附实验结果表明(图7)，样 品3的表面能够有效地减少大肠杆菌的粘附，计算得出十字网格沟槽超微结构表面(样品 3)在原液、1/10菌液和1/100的菌液的抑菌率分别为44.7％、46.5％和54.5％。。
[0069]
实施例4(大肠杆菌生物膜实验)
[0070]
(1)测评方法：
[0071]
测试样品：实施例1制备得到的样品3(w)和未进行激光刻蚀处理的不锈钢对照样品 (k)。
[0072]
大肠杆菌生物膜实验是将培养过液的细菌培养液稀释到od600＝0.3，将样品进行75％ 酒精灭菌并充分干燥然后分别放入无菌的24孔板中，再取稀释后的菌液1ml分别注入含 有样品的孔槽中，然后将24孔板放入37℃恒温孵化箱中孵育16小时，使大肠杆菌在样品 具有足够时间生长生物膜。孵化结束后，将样品表面的菌液吸出并用无菌的pbs溶液清洗 3次，再利用1％的结晶紫溶液染色30min，最后通过激光共聚焦显微镜激发染色成像，从 而判断大肠杆菌生物膜的生长情况。为了使实验数据更加准确，设置两组实验。
[0073]
(2)结果与结论：
[0074]
如图8所示，样品3(w1、w2)和对照样品(k1、k2)表面灭菌彻底，在实验过 程中无杂菌的干扰。根据图9激光共聚焦显微镜成像的情况可以看出，样品3的表面荧光 发光面积明显低于对照样品表面，此外对照样品表面已经有大面积的菌落生成，因此可以 得出对照样品表面相对于十字网格沟槽微结构表面粘附了更多的大肠杆菌。生物膜的形成 与细菌的数量成正相关，细菌数量越多，生物膜形成的面积就越大。因此根据激光共聚焦 显微镜观
测的结果可以得出，十字网格沟槽超微结构表面能够显著抑制生物膜的形成。
[0075]
实施例5(蛋白质粘附实验)
[0076]
(1)测评方法：
[0077]
先将样品3(w)和对照样品(k)放入无菌生物安全柜中用75％的酒精进行灭菌处理 再分别放入无菌的24孔板中充分干燥。取100mg纤维蛋白原(fib)冻干粉，配置成5ml终 浓度为20mg/ml的fib溶液。分别取1ml配置的fib溶液注入装有样品的孔槽中，在室温 下放置10min。然后将样品表面的纤维蛋白溶液吸走，并用无菌pbs溶液清洗2次后使其 自然晾干，最后通过eds能谱判断表面粘附的物质组成，并用扫面电子显微镜和光学金相 显微镜观察纤维蛋白的粘附情况。
[0078]
(2)结果与结论：
[0079]
如图10所示，对十字网格沟槽微结构表面(样品3、原始表面(对照样品)粘附的物 质进行了eds能谱分析，根据表面粘附物质的能谱以及碳、氮、氧原子百分比可以得出， 粘附在各样品表面的物质为蛋白质。根据图11扫描电镜的观察结果可以看出，纤维蛋白在 十字网格沟槽微结构表面的粘附呈丝状和膜状且分布面积较少，在原始表面的粘附呈块状 和片状且分布面积较大。通过光学金相显微镜进一步观察(图12)，可以更加直观的看出十 字网格沟槽微结构表面相对于原始表面而言粘附有及少量的纤维蛋白。因此可以得出，十 字网格沟槽微结构表面能够抑制纤维蛋白的粘附。
[0080]
实施例6(血小板粘附实验)
[0081]
(1)测评方法
[0082]
将备用样品3(w)和对照样品(k)放入无菌生物安全柜中通过75％的酒精灭菌并充 分干燥。将灭菌处理的样品分别放入24孔板的孔槽中，各取1ml富含血小板的血浆滴入 装有样品的孔槽中，再将孔板置于37℃恒温箱中孵育3小时。孵育结束后用移液枪吸取 孔板中多余血浆，并用生理盐水清洗3遍，再用2.5％的戊二醛，在室温下固定2小时；将 固定好的样品用50％、70％和100％的乙醇/水梯度溶液相继脱水20分钟。脱水后的样 品经co2临界干燥器干燥1.5小时，再进行喷金处理并通过扫描电子显微镜(sem)观察 血小板形态和聚集变形的情况。
[0083]
(2)结果与结论：
[0084]
如图13所示，利用扫描电子显微镜分别对十字网格沟槽微结构表面和原始表面(对照 样品)在500
×
的视野下任选三个位置进行了拍照观察。从图片中可以看出十字网格沟槽 微结构表面的槽内基本没有血小板粘附，只有少量血小板粘附在微结构的凸起上；而原始 表面则粘附有大量的血小板，并且一些区域已经呈现出血小板的聚集粘附。因此，可以得 出十字网格沟槽微结构表面相对于原始表面(对照样品)能够显著抑制血小板的粘附。
[0085]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、 或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包 含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针 对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个 或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术 人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结
合和 组合。
[0086]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的， 不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例 进行变化、修改、替换和变型。