具体实施方式

与具有粗晶粒的金属材料相比，具有细晶粒的金属材料在诸如强度、韧性和耐腐蚀性的特性方面是优越的。因此，该金属材料广泛用于各种工业应用，例如钢板和医疗装置。

本公开内容的一些方面涉及经加工以形成具有以下平均晶粒尺寸的重结晶金属材料的金属：0.01至3μm、0.02至3μm、0.05至3μm、0.1μm至3μm、0.2至3μm、0.5μm至3μm、1μm至3μm、2μm至3μm、0.01至2μm、0.02至2μm、0.05至2μm、0.1μm至2μm、0.2至2μm、0.5μm至2μm、1μm至2μm、0.01至1μm、0.02至1μm、0.05至1μm、0.1μm至1μm、0.2至1μm、0.5μm至1μm、0.01至0.6μm、0.02至0.6μm、0.05至0.6μm、0.1μm至0.6μm、0.2至0.6μm、0.5μm至0.6μm、0.01至0.5μm、0.02至0.5μm、0.05至0.5μm、0.1μm至0.5μm、0.2至0.5μm、约0.01μm、约0.02μm、约0.03μm、约0.04μm、约0.05μm、约0.06μm、约0.07μm、约0.08μm、约0.09μm、约0.1μm、约0.2μm、约0.3μm、约0.4μm、约0.5μm、约0.6μm、约0.7μm、约0.8μm、约0.9μm、约1μm、约2μm、约3μm或更高或者其间任何范围。在一些实施方案中，加工金属以形成具有0.2μm至0.5μm的平均晶粒尺寸的重结晶金属材料。

应理解，金属材料可以具有均匀的平均晶粒尺寸。在一些实施方案中，金属包含约0.1μm±20％、约0.2μm±20％、约0.3μm±20％、约0.4μm±20％、约0.5μm±20％、约0.6μm±20％、约0.7μm±20％、约0.8μm±20％、约0.9μm±20％、约1μm±20％、约2μm±20％、约3μm±20％或其间任何范围的平均晶粒尺寸。在一些实施方案中，金属包含约0.1μm±40％、约0.2μm±40％、约0.3μm±40％、约0.4μm±40％、约0.5μm±40％、约0.6μm±40％、约0.7μm±40％、约0.8μm±40％、约0.9μm±40％、约1μm±40％、约2μm±40％、约3μm±40％、或其间任何范围的平均晶粒尺寸。

在一些方面，金属是304型不锈钢金属，其具有约0.10μm至约3μm，例如0.2至0.5μm的平均晶粒尺寸。在一些实施方案中，304型不锈钢金属具有表4所述的组成。

在一些方面，金属是316型不锈钢金属，其具有约0.1μm至约3μm，例如0.2μm至0.5μm的平均晶粒尺寸。在一些实施方案中，316型不锈钢金属具有表5所述的组成。

在一些方面，金属是钛或钛合金，其具有约0.8μm至约9μm，例如0.8至8.80μm的晶粒尺寸。在一些实施方案中，钛合金是β-钛(Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al)、Ti-6Al-4V或其组合。

在一些实施方案中，可以加工金属材料以调整晶粒尺寸从而控制细胞粘附、细胞生长或其组合。在一些实施方案中，金属材料或装置可以具有抑制细菌的粘附、生长或其组合的平均晶粒尺寸。在一些实施方案中，金属材料或装置可以具有增加预先确定的真核细胞的粘附、生长或其组合的平均晶粒尺寸。在一些实施方案中，金属材料或装置可以具有抑制预先确定的真核细胞的粘附、生长或其组合的平均晶粒尺寸。在一些实施方案中，金属材料或装置可以具有：(i)抑制细菌的粘附、生长或其组合的平均晶粒尺寸，(ii)促进预先确定的真核细胞的粘附、生长或其组合的平均晶粒尺寸，和(iii)抑制预先确定的真核细胞的粘附、生长或其组合的平均晶粒尺寸。

具有抗菌性的金属材料

如本文使用的术语“抗菌性”是指防止或减少微生物(例如细菌和真菌生物体)的生长或繁殖或粘附，或者杀死微生物的性质。

如本发明中使用的术语“细菌和真菌生物体”意指细菌和真菌的所有属和种，包括但不限于所有球菌、杆菌和螺旋菌。细菌的非限制性实例包括葡萄球菌(例如，表皮葡萄球菌(Staphylococcus epidermidis)、金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus))、粪肠球菌(Enterrococcus faecalis)、铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)、大肠杆菌(E.coli)、艰难梭菌(Clostridioides difficile)以及其它革兰氏阳性细菌和革兰氏阴性杆菌。真菌生物体的非限制性实例包括白色念珠菌(Candida albicans)、克鲁斯念珠菌(Candida krusei)、近平滑念珠菌(Candida parapsilosis)、念珠菌属、假热带念珠菌(Candida pseudotropicalis)、光滑念珠菌(Candida glabrata)、葡萄牙念珠菌(Candidalusitaniae)和热带念珠菌(Candida tropicalis)。

在一些实施方案中，细菌是革兰氏阳性细菌，包括但不限于金黄色葡萄球菌、表皮葡萄球菌、耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)等。在一些实施方案中，细菌是革兰氏阴性细菌，包括但不限于铜绿假单胞菌、大肠杆菌、肺炎克雷伯氏菌(Klebsiella pneumoniae)、嗜肺军团菌(Legionella pneumophila)、奇异变形杆菌(Proteus mirabilis)、阴沟肠杆菌(Enterobacter cloacae)、粘质沙雷氏菌(Serratia marcescens)、幽门螺杆菌(Helicobacter pylori)、肠炎沙门氏菌(Salmonella enteritidis)和伤寒沙门氏菌(Salmonella typhi)。

本发明的方面提供了金属材料和用于向金属材料提供有效广谱抗感染保护(包括但不限于针对耐药性葡萄球菌、MDR革兰氏阴性细菌(例如MDR铜绿假单胞菌)的保护)的方法。

本发明的方面提供了具有改善的抗菌性的金属材料。在一些实施方案中，金属材料可以用于医疗装置，例如植入物(例如，但不限于矫形植入物)。在一些实施方案中，金属材料可以用于手术器械、血管支架、内窥镜器械、导管部件、导丝、克氏针(K-wire)、板、销、螺钉、针、起搏器引线、牙套等或可植入医疗装置。在一些实施方案中，金属材料可以用于手术器械。在一些实施方案中，金属材料可以用于生物传感器。在一些实施方案中，金属材料可以用于厨房用具。在一些实施方案中，金属材料可以用于实验工具。在一些实施方案中，金属材料可以用于克氏针。

医疗装置的非限制性实例包括血管导管，例如可外周插入的中央静脉导管、透析导管、长期隧道式中央静脉导管、外周静脉导管、单腔和多腔短期中央静脉导管、动脉导管、肺动脉Swan-Ganz导管等、导尿管、其它长期泌尿装置、组织粘合泌尿装置、肾支架、阴茎假体、血管移植物、血管进入口、伤口引流管、脑积水分流器、脑室引流导管、神经和硬膜外导管、神经刺激器、腹膜透析导管、起搏器胶囊、人造尿道括约肌、小关节或临时关节置换物、扩张器、心脏瓣膜、矫形假体、脊柱硬件、手术部位修复网(例如疝网)、气管内导管、胆道支架、胃肠管、结直肠道植入物、男性和女性生殖植入物、美容或重建植入物、听诊器鼓、矫形植入物(例如关节(膝、髋、肘、肩、踝)、假体、外部固定销、髓内杆和钉)、脊柱植入物)、心脏起搏器、除颤器、电子装置引线、适配器、引线延伸物、可植入输注装置、可植入脉冲发生器、可植入生理监测装置、用于将可植入脉冲发生器或可植入输注装置定位在皮肤下的装置、以及用于再填充可植入输注装置或可能遭受微生物侵染的其它医疗和留置装置的装置(例如再填充针和端口进入套管)。

在一些实施方案中，装置是不锈钢装置，并且可以用于但不限于高速手术钻、椎体成形术和椎体后凸成形术装置、微创手术器械和内窥镜装置、矫形植入物和手术器械。

在一些实施方案中，装置是钛装置，并且可以用于但不限于矫形植入物、牙植入物、脊柱植入物、微创手术器械和内窥镜装置以及手术器械。

在一些实施方案中，在不向金属材料中或金属材料上添加抗菌剂的情况下实现了金属材料的抗菌性。

在一些实施方案中，金属材料使细菌细胞的粘附被抑制100％、95％、90％、80％、70％、60％、50％、40％、30％、20％、10％或至少5％或者其间任何值或范围。

促进细胞粘附或抑制细胞粘附的金属材料

在一些实施方案中，希望增加细胞在诸如金属植入物的金属材料上的粘附。在其它实施方案中，希望降低或抑制细胞在诸如金属植入物的金属材料上的粘附。例如，可能希望增加成骨细胞在矫形植入物的表面上的粘附。在其它实例中，可能希望增加内皮细胞在血管支架或植入物的表面上的粘附并抑制成纤维细胞在血管支架或植入物上的粘附。

在一些实施方案中，本文描述的金属材料可以改善真核细胞，例如成骨细胞、成纤维细胞、软骨细胞、内皮细胞、角质形成细胞、平滑肌细胞、尿路上皮细胞、破骨细胞、骨细胞、干细胞、间充质干细胞、诱导的多能干细胞、神经元、星形胶质细胞、许旺细胞、脑膜细胞、上皮细胞等的粘附和/或生长。

在一些实施方案中，本文描述的金属材料具有促进一些真核细胞的细胞粘附和/或生长的表面能。在一些实施方案中，金属材料使细胞粘附和/或生长增加至少2％、至少5％、至少10％、至少15％、至少20％、至少25％、至少30％、至少35％、至少40％、至少45％、至少50％、至少55％、至少60％、至少65％、至少70％、至少75％、至少80％、至少85％、至少90％、至少95％或者其间任何值或范围。

还在一些实施方案中，本文描述的金属材料具有抑制其它真核细胞的细胞粘附和/或生长的表面能。在一些实施方案中，金属材料使细胞粘附和/或生长降低至少2％、至少5％、至少10％、至少15％、至少20％、至少25％、至少30％、至少35％、至少40％、至少45％、至少50％、至少55％、至少60％、至少65％、至少70％、至少75％、至少80％、至少85％、至少90％、至少95％或者其间任何值或范围。

在一些实施方案中，本文描述的金属材料具有抗菌性，并且改善真核细胞，例如成骨细胞、成纤维细胞、内皮细胞、软骨细胞、内皮细胞、角质形成细胞、平滑肌细胞、尿路上皮细胞、破骨细胞、骨细胞、干细胞、间充质干细胞、诱导的多能干细胞、神经元、星形胶质细胞、许旺细胞、脑膜细胞、上皮细胞等的粘附和/或生长。

在一些实施方案中，本文描述的金属材料具有抗菌性，并且抑制真核细胞，例如免疫细胞的粘附和/或生长。

本文以下描述了金属材料和金属材料用于(i)减少或抑制细菌粘附和/或生长；(ii)改善诸如成骨细胞、成纤维细胞等真核细胞的粘附和/或生长；(iii)减少或抑制免疫细胞的粘附和/或生长；或者(iv)(i)减少或抑制细菌粘附和/或生长，(ii)改善诸如成骨细胞、成纤维细胞等真核细胞的粘附和/或生长，(iii)减少或抑制免疫细胞的粘附和/或生长，或(i)、(ii)和(iii)的任意组合的用途。

金属材料的用途

在一些实施方案中，金属材料可以用于医疗装置。例如，金属材料可以用于血管支架、内窥镜器械、手术器械、导管部件、导丝、克氏针、销、板、螺钉等或可植入医疗装置。

在一些实施方案中，金属材料可以用于生物传感器。在一些实施方案中，金属材料可以用于厨房用具。在一些实施方案中，金属材料可以用于实验工具。

医疗装置的非限制性实例包括血管导管，例如可外周插入的中央静脉导管、透析导管、长期隧道式中央静脉导管、外周静脉导管、单腔和多腔短期中央静脉导管、动脉导管、肺动脉Swan-Ganz导管等、导尿管、其它长期泌尿装置、组织粘合泌尿装置、肾支架、阴茎假体、血管移植物、血管进入口、伤口引流管、脑积水分流器、脑室引流导管、神经和硬膜外导管、神经刺激器、腹膜透析导管、起搏器胶囊、人造尿道括约肌、小关节或临时关节置换物、扩张器、心脏瓣膜、矫形假体、脊柱硬件、手术部位修复网(例如疝网)、气管内导管、胆道支架、胃肠管、结直肠道植入物、男性和女性生殖植入物、美容或重建植入物、听诊器鼓、矫形植入物(例如关节(膝、髋、肘、肩、踝)、假体、外部固定销、髓内杆和钉、脊柱植入物)、心脏起搏器、除颤器、电子装置引线、适配器、引线延伸物、可植入输注装置、可植入脉冲发生器、可植入生理监测装置、用于将可植入脉冲发生器或可植入输注装置定位在皮肤下的装置、以及用于再填充可植入输注装置或可能遭受微生物侵染的其它医疗和留置装置的装置(例如再填充针和端口进入套管)。

一些实施方案涉及手术器械。

在一些实施方案中，装置是K线。

在一些实施方案中，装置是可植入矫形植入物。

在一些实施方案中，装置是血管支架。

组成

可以使用用于医疗装置应用的已知金属材料，并且金属材料的实例包括铁、不锈钢、铝、银、铜、钛、锡、镍、锌、铬及这些金属材料的合金。其中，考虑到容易控制晶粒的晶粒尺寸、通用性、容易获得性、可加工性和低毒性，优选不锈钢。不锈钢不受特别限制，并且可以是马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢、奥氏体/铁素体不锈钢和沉淀硬化不锈钢中的任一种。

在一些实施方案中，金属材料是不锈钢或不锈钢合金。例如，金属材料可以是304型不锈钢或316型不锈钢。316型不锈钢与304型的区别在于钼的存在。在一些实施方案中，不锈钢材料可以包含6％至22％的镍。在一些实施方案中，为了耐腐蚀，不锈钢材料还可以包含其它合金元素，例如铬(16％至26％)。在一些实施方案中，不锈钢可以包含锰和钼。在一些实施方案中，316型不锈钢可以用于医疗装置。

在一些实施方案中，金属材料是钛或钛合金。在一些实施方案中，金属材料是钴铬。在一些实施方案中，金属材料是钴铬钼。在一些实施方案中，金属材料是镍钛诺。

纳米结构

根据本发明的方面，本文提供的金属材料具有不限于表面的纳米结构。例如，金属材料可以在其整个加工过程中保持其纳米结构，从而得到具有均匀的纳米结构的金属材料。

根据一些实施方案的金属材料由细晶粒制成，这允许应用于广泛的装置。金属材料具有均匀的纳米结构。预先确定的平均晶粒尺寸纳米结构(例如0.2μm至0.5μm)在整个材料中是一致的，即，在表面上和在材料内。

根据一些实施方案的形成金属材料的晶粒具有用于控制金属材料的生物特性的平均晶粒尺寸。

本发明的方面基于以下现象：金属材料的生物学特性取决于金属材料的平均晶粒尺寸。

在本发明的一些方面，本文描述的金属材料可以具有这样的晶粒尺寸、表面自由能和粗糙度：(i)减少或抑制细菌粘附和/或生长；(ii)改善或增加诸如成骨细胞、成纤维细胞等真核细胞的粘附和/或生长；(iii)减少或抑制免疫细胞的粘附和/或生长；或者(iv)(i)减少或抑制细菌粘附和/或生长，(ii)改善诸如成骨细胞、成纤维细胞等真核细胞的粘附和/或生长，(iii)减少或抑制免疫细胞的粘附和/或生长或(i)、(ii)和(iii)的任何组合。

在本发明的一些方面，本文描述的金属材料可以具有大致为所考虑的组织的真核细胞的尺寸的晶粒尺寸，并且促进细胞对金属的粘附和/或生长。此外，本文描述的金属材料可以具有促进细胞对金属的粘附和/或生长的表面自由能。此外，本文描述的金属材料可以具有促进细胞对金属的粘附和/或生长的粗糙度。

在本发明的一些方面，本文描述的金属材料可以具有抑制细胞对金属的粘附和/或生长的晶粒尺寸。此外，本文描述的金属材料可以具有促进细胞对金属的粘附和/或生长的表面自由能。此外，本文描述的金属材料可以具有抑制细胞对金属的粘附和/或生长的粗糙度。在一些实施方案中，细胞是原核细胞和/或真核细胞。

本发明的一些方面基于以下现象：金属材料的抗菌性取决于金属材料的平均晶粒尺寸。在一些实施方案中，金属材料具有约0.1至3μm的预先确定的平均晶粒尺寸。在一些实施方案中，金属材料具有0.2至1μm的预先确定的平均晶粒尺寸。在一些实施方案中，金属材料具有0.2至0.5μm的预先确定的平均晶粒尺寸。在一些实施方案中，本文提供的金属材料可以抑制微生物的生长和/或改善成骨细胞和成纤维细胞的生长。在一些实施方案中，本文提供的金属材料可以抑制微生物的生长、固定或生长和固定(吸附)。在一些实施方案中，本文提供的金属材料可以抑制免疫细胞的生长、固定或生长和固定(吸附)。在一些实施方案中，本文提供的金属材料促进预先确定的真核细胞的生长、固定或生长和固定(吸附)。

本发明的方面涉及用于抑制微生物的生长、固定或生长和固定的方法。

在一些实施方案中，用于抑制微生物的生长和/或固定的平均晶粒尺寸可以是0.01至3μm、0.02至3μm、0.05至3μm、0.1μm至3μm、0.2至3μm、0.5μm至3μm、1μm至3μm、2μm至3μm、0.01至2μm、0.02至2μm、0.05至2μm、0.1μm至2μm、0.2至2μm、0.5μm至2μm、1μm至2μm、0.01至1μm、0.02至1μm、0.05至1μm、0.1μm至1μm、0.2至1μm、0.5μm至1μm、0.01至0.6μm、0.02至0.6μm、0.05至0.6μm、0.1μm至0.6μm、0.2至0.6μm、0.5μm至0.6μm、0.01至0.5μm、0.02至0.5μm、0.05至0.5μm、0.1μm至0.5μm、0.2至0.5μm、约0.01μm、约0.02μm、约0.03μm、约0.04μm、约0.05μm、约0.06μm、约0.07μm、约0.08μm、约0.09μm、约0.1μm、约0.2μm、约0.3μm、约0.4μm、约0.5μm、约0.6μm、约0.7μm、约0.8μm、约0.9μm、约1μm、约2μm、约3μm或更高或者其间任何范围。在一些实施方案中，用于抑制微生物的生长和/或固定的平均晶粒尺寸可以是0.2μm至0.5μm。

在一些实施方案中，平均晶粒尺寸大于0.1μm但小于3μm。在一些实施方案中，平均晶粒尺寸大于0.2μm但小于1μm。在一些实施方案中，平均晶粒尺寸大于0.2μm但小于0.7μm。在一些实施方案中，平均晶粒尺寸大于0.2μm但小于0.5μm。在一些实施方案中，平均晶粒尺寸大于0.2μm但小于0.4μm。在一些实施方案中，平均晶粒尺寸大于0.2μm但小于0.3μm。在一些实施方案中，平均晶粒尺寸大于0.3μm但小于0.5μm。在一些实施方案中，平均晶粒尺寸大于0.4μm但小于0.5μm。

晶界可以通过电子背散射衍射(EBSD)测量，并且可以示出低角度下的不同原子。角度差可以大于5度。每个晶粒可以由晶界线所围绕的区域来确定。当晶粒尺寸大时，形状是独特且随机的多边形。随着颗粒变得更小，形状变成更小的多边形，类似于圆形、立方体或矩形。矩形的短长或圆形的直径大约是平均晶粒尺寸。

在一些实施方案中，金属材料具有约0.5μm(+/-20％)或0.2μm至0.5μm的平均晶粒尺寸，并且抑制革兰氏阳性细菌和革兰氏阴性细菌的生长。

在细化晶粒期间，不改变金属材料的化学组成。因此，可以使用不同化学组成的任何金属，只要它是具有晶体或晶粒的金属材料即可，例如钛、钛基材料、不锈钢、Co-Cr合金、Co-Cr-Mo、镍钛诺、铂、钯等。

在一些实施方案中，除了其抗菌性之外，金属材料还具有比常规不锈钢改善的拉伸强度和硬度。

作为调整晶粒的平均晶粒尺寸的方法，可以采用细化方法。方法的实例包括在细化之前对金属原料的轧制工艺、剪切工艺、压缩工艺、变形工艺以及这些工艺的组合。在这种情况下，可以进行冷却或加热，或者可以在存在或不存在特定气体(例如氧气或氮气)的气氛下进行细化。通常，通过加热导致塑性变形并且通过冷却进行重结晶来进行细化。将以上过程进行一次或重复多次，从而获得所需的平均晶粒尺寸。

根据本发明的方面，本文提供的由金属材料形成的装置具有不限于表面的纳米结构。例如，金属材料可以在其整个加工过程中保持其纳米结构，从而得到具有均匀的纳米结构的金属材料。

根据一些实施方案，本文提供的金属材料的磁场可以改变表面电荷以及初始蛋白吸附事件，转而改变细菌附着和真核细胞的定殖和/或生长。

抛光/未抛光的金属材料

在一些实施方案中，可以抛光金属材料以改变表面粗糙度。在一些实施方案中，抛光金属材料的方法包括使用研磨膜进行粗抛光(参见实施例4)。

表面粗糙度可以用原子力显微镜(AFM)计算，并且对于金属材料可以获得三个不同的参数-均方根粗糙度(Rq)、算术粗糙度(Ra)和最大高度(Rz)。

表1

表2

在一些实施方案中，抛光的材料具有约0.1nm至100μm的纳米级的表面粗糙度。

先前的研究表明，抑制细菌生长的表面能的最佳值为约42mN/m(参见Liu等人，“Understanding the Role of Polymer Surface Nanoscale Topography on InhibitingBacteria Adhesion and Growth”Biomaterials Science and Engineering,2016,2(1),pp 122–130)。

在一些实施方案中，金属材料的表面能的值为40至45mN/m、40至47mN/m、40至50mN/m、40至55mN/m、40至60mN/m、35至45mN/m、35至50mN/m、35至55mN/m、35至60mN/m、30至45mN/m、30至50mN/m、30至55mN/m、30至60mN/m。

在一些实施方案中，本文描述的金属材料具有促进一些真核细胞的生长的表面能。还在一些实施方案中，本文描述的金属材料具有抑制其它真核细胞的生长的表面能。例如，表面能可以促进内皮细胞的附着和生长，并且抑制成纤维细胞的附着和/或生长。

在一些实施方案中，促进真核细胞的生长的金属材料的表面能的值为40至45mN/m、40至47mN/m、40至50mN/m、40至55mN/m、40至60mN/m、35至45mN/m、35至50mN/m、35至55mN/m、35至60mN/m、30至45mN/m、30至50mN/m、30至55mN/m、30至60mN/m。

最佳Ra、Rq、Rz可以用Khang方程计算，理想表面能使用45mN/m。

Es＝E0,+ρ×reff

ES＝表面能

Eo,s＝基础表面能

reff＝粗糙度

ρ＝耦合常数

在一些实施方案中，金属材料可以具有调整以吸附蛋白质的表面能，所述蛋白质能降低炎性细胞功能，降低细菌功能，增加骨细胞功能，增加内皮细胞功能或前述的任何组合。

在一些实施方案中，金属材料可以具有调整以吸附蛋白质的平均晶粒尺寸，所述蛋白质能降低炎性细胞功能，降低细菌功能，增加骨细胞功能，增加内皮细胞功能或前述的任何组合。

不受理论束缚，表面能的变化转而可以改变初始蛋白吸附，例如用于抑制细菌附着和定殖。

在一些实施方案中，金属材料可以是抛光的或未抛光的。在一些实施方案中，抛光和/或未抛光的金属材料具有约100nm至10μm，例如小于500nm，例如约100nm的平均晶粒尺寸来减少革兰氏阳性细菌和阴性细菌的附着或生长。在一些实施方案中，抛光和/或未抛光的金属材料具有优选为约1至3μm的平均晶粒尺寸。

形状/装置

根据一些实施方案的金属材料的形状不受特别限制，并且可以采用任何形状，例如板形、线形、杆形、球形或圆柱形。在一些实施方案中，金属材料呈丝或线的形状。

在一些实施方案中，金属材料呈板或箔的形式，其厚度为约0.1mm至1mm，例如0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm或1mm。

在一些实施方案中，金属材料呈棒或丝的形式，其直径为0.02mm至6mm。

抑制微生物生长的方法

根据一些实施方案的抑制微生物生长的方法是使用包括预先确定的平均晶粒的金属材料的方法。

在一些实施方案中，提供金属材料，例如不锈钢材料，其中将晶粒的每个平均晶粒尺寸调整为以下范围内：0.01至3μm、0.02至3μm、0.05至3μm、0.1μm至3μm、0.2至3μm、0.5μm至3μm、1μm至3μm、2μm至3μm、0.01至2μm、0.02至2μm、0.05至2μm、0.1μm至2μm、0.2至2μm、0.5μm至2μm、1μm至2μm、0.01至1μm、0.02至1μm、0.05至1μm、0.1μm至1μm、0.2至1μm、0.5μm至1μm、0.01至0.6μm、0.02至0.6μm、0.05至0.6μm、0.1μm至0.6μm、0.2至0.6μm、0.5μm至0.6μm、0.01至0.5μm、0.02至0.5μm、0.05至0.5μm、0.1μm至0.5μm、0.2至0.5μm、约0.01μm、约0.02μm、约0.03μm、约0.04μm、约0.05μm、约0.06μm、约0.07μm、约0.08μm、约0.09μm、约0.1μm、约0.2μm、约0.3μm、约0.4μm、约0.5μm、约0.6μm、约0.7μm、约0.8μm、约0.9μm、约1μm、约2μm、约3μm或更高或者其间任何范围。在一些实施方案中，平均晶粒尺寸可以是0.2μm至0.5μm。在一些实施方案中，平均晶粒尺寸大于0.2μm但小于1μm。在一些实施方案中，平均晶粒尺寸大于0.1μm但小于3μm。在一些实施方案中，平均晶粒尺寸大于0.2μm但小于0.5μm。

在一些实施方案中，基于以上过程中获得的响应图谱确定用于给予对微生物生长的最佳抑制的晶粒的平均晶粒尺寸。

图1A示出了金属材料对革兰氏阳性细菌的抗菌性。例如，图1A示出了具有0.5μm、1μm、1.5μm、3μm和9μm的晶粒尺寸的金属材料抑制革兰氏阳性细菌的生长/粘附。图1B示出了金属材料对革兰氏阴性细菌的抗菌性。例如，图1B示出了具有0.5μm、3μm和9μm的晶粒尺寸的金属材料抑制革兰氏阳性细菌的生长/粘附。

用于促进或抑制细胞粘附和/或生长的方法

在一些实施方案中，装置可以植入以下解剖位置：皮下、腹膜内、肌内、血管内、眼内、脑内或其它合适的部位。

在一些实施方案中，金属材料的纳米结构可以被调整以匹配纳米级的蛋白质和微米级的细胞。在一些实施方案中，晶粒尺寸可促进内皮细胞或成骨细胞的粘附。

在一些实施方案中，提供具有两个或更多个表面的可植入金属装置。在一些实施方案中，所述装置可以包括第一金属表面和第二表面，所述第一金属表面被配置为具有促进第一细胞类型的附着和/或生长的表面能，所述第二表面被配置为具有抑制第二不同细胞类型的附着和/或生长的表面能。在一些实施方案中，所述装置可以包括第一金属表面和第二表面，所述第一金属表面被配置为具有促进第一细胞类型的附着和/或生长的平均晶粒尺寸，所述第二表面被配置为具有抑制第二不同细胞类型的附着和/或生长的平均晶粒尺寸。例如，可植入装置可以是具有第一表面和第二表面的血管支架，所述第一表面被配置为促进内皮细胞的附着和/或生长，所述第二表面被配置为抑制成纤维细胞的附着和/或生长。

在一些实施方案中，金属材料可以具有抑制细胞附着、细胞生长或其组合的平均晶粒尺寸和/或表面能。例如，金属材料可以抑制负责炎症的细胞，例如免疫细胞的附着和/或生长。

本公开内容的方面涉及具有0.2至0.5μm的均匀的平均晶粒尺寸纳米结构的金属材料、金属装置或器械，其中所述金属材料、金属装置或器械抑制/减少细菌生长和生物膜形成。在一些实施方案中，金属材料、金属装置或器械可以用于需要抗菌活性的应用。在一些实施方案中，所述应用包括手术器械、内窥镜装置(例如椎体成形术针)。在一些实施方案中，金属是304型不锈钢金属。在一些实施方案中，金属是316型不锈钢金属。在一些实施方案中，金属是304型不锈钢金属。在一些实施方案中，金属被磁化。

本公开内容的方面涉及具有0.2至0.5μm的均匀的平均晶粒尺寸纳米结构的磁化的金属材料、金属装置或器械，其中所述金属材料、金属装置或器械抑制/减少细菌生长和生物膜形成并且促进/增加真核细胞粘附。在一些实施方案中，金属材料、金属装置或器械可以用于需要抗菌活性和骨整合的应用。在一些实施方案中，所述应用包括可植入装置和矫形植入物。在一些实施方案中，金属是304型不锈钢金属。在一些实施方案中，金属是316型不锈钢金属。在一些实施方案中，金属材料具有高于2.3×10⁷emu/m³的磁矩。

本公开内容的方面涉及包含均匀的晶粒纳米结构并且具有0.1至3μm的平均晶粒尺寸的不锈钢金属材料或由不锈钢金属材料制成的制品，其被配置为(i)抑制微生物的粘附、生长或其组合，(ii)促进预先确定的真核细胞的粘附、生长或其组合，或者(iii)抑制预先确定的真核细胞的粘附、生长或其组合。在一些实施方案中，不锈钢金属材料包含均匀的晶粒纳米结构并且具有0.2至1μm的平均晶粒尺寸。在一些实施方案中，不锈钢金属材料包含均匀的晶粒纳米结构并且具有0.2至0.5μm的平均晶粒尺寸。在一些实施方案中，金属材料是304型不锈钢金属。在一些实施方案中，金属材料被磁化。在一些实施方案中，金属材料是316型不锈钢金属。在一些实施方案中，金属材料被磁化。在一些实施方案中，金属材料被磁化。在一些实施方案中，金属材料具有高于2.3×10⁷emu/m³的磁矩。

实施例

在下文，将参考实施例详细地描述本发明，但本发明不限于以下实施例，除非其超出本发明的主旨。

实施例1：金属材料的制造

为了提供金属材料，对不锈钢(SUS 304)进行轧制处理和热重结晶，以将晶粒的平均晶粒尺寸分别调整为0.5μm、1μm、1.5μm、2μm、3μm和9μm。金属材料具有长度为10mm，宽度为10mm且厚度为0.1mm的板状。根据以下过程进行轧制处理和热重结晶。具体地，使不锈钢(SUS 304)通过旋转研磨机几次，并且冷轧至约40至65％(每次约3至15％的压缩比)。然后，使得到的不锈钢在600至850℃退火10至100秒(加热速率：200℃/秒)以使不锈钢重结晶。根据相变状态，冷却重结晶的不锈钢以获得奥氏体不锈钢(冷却速率：200至400℃/秒)。

应理解，可以对316型不锈钢和其它金属进行相同的处理以控制平均晶粒尺寸。

使用本文描述的轧制处理和热重结晶获得的金属材料具有不限于表面的纳米结构(例如平均晶粒尺寸)。例如，金属材料可以在其整个加工过程中保持其纳米结构，从而得到具有均匀的纳米结构的金属材料。

实施例2-平均晶粒尺寸的测量

使用离子抛光机(“IM 4000”，由Hitachi High-Technologies Corporation制造)用氩离子抛光以上提供的金属材料的测试样品。然后，使用具有晶体取向分析功能的电子显微镜(“SU-70”，由Hitachi High-Technologies Corporation制造)在真空环境(1×10^{- 3}Pa)中在室温测量金属材料的平均晶粒尺寸。通过确定任意测量范围(即，观察的图像；放大倍数：1000倍)内的每个晶粒的面积并且计算圆(假定晶粒的形状是具有与晶粒的面积相同面积的圆)的直径来确定每个晶粒的尺寸。使用图像处理器(“TSL OMI Analysis 7”,由TSL Solutions制造)计算晶粒的面积和具有与晶粒的面积相同面积的圆的直径。然后，将在任意测量范围内的所有晶粒直径的总和除以晶粒数量，并且将得到的值定义为平均晶粒尺寸(nm)。

实施例3-未抛光金属材料的抗菌性

方法：

首先将细菌孵育过夜。在达到10⁵的浓度之后，将细菌与金属材料样品(304型不锈钢样品)混合并孵育24小时。然后用蒸馏水洗涤304型不锈钢样品并超声处理10分钟。在将样品再涡旋10秒之后，将每个样品的几个稀释液置于琼脂板上。将琼脂板孵育12小时。

结果：

图1A和图1B各自示出了通过将培养后的革兰氏阳性细菌或革兰氏阴性细菌的菌落形成单位相对于晶粒的平均晶粒尺寸作图而获得的响应图谱的实例。

如图1A中示出，当平均晶粒尺寸为0.5μm、1μm、1.5μm、3μm和9μm时，吸附在金属材料上的革兰氏阳性细菌的数量相对减少，表明测试的金属材料抑制革兰氏阳性细菌的生长/粘附。具体而言，图1A示出了平均晶粒尺寸为0.5μm的金属材料上革兰氏阳性细菌数量的普遍减少。如图1B中示出，当平均晶粒尺寸为0.5μm、3μm和9μm时，吸附在金属材料上的细菌的数量相对减少，表明测试的金属材料抑制革兰氏阴性细菌的生长/粘附。图1A示出了平均晶粒尺寸为0.5μm的金属材料上革兰氏阴性细菌，特别是大肠杆菌的数量的普遍减少。

实施例4-未抛光金属材料相对于抛光材料的抗菌性

测量未抛光金属材料相对于抛光材料的抗菌性。

方法：

样本：如表3中示出的304型不锈钢：直径(∮)：11mm；厚度：0.1mm。

表3

在第一步骤中，使用3M研磨膜磨石氧化铝对样本进行粗抛光。

首先在五张纸上使用3M研磨膜网目号4000(3μm)用手抛光样本约40秒。然后用3M研磨膜网目号8000(1μm)用手抛光样本约40秒。然后用3M研磨膜网目号15000(0.3μm)用手抛光样本约40秒。

在第二步骤中，使用氧化铝溶液对样本进行氧化铝抛光，并使用研磨机在工作台上进行抛光。使用的氧化铝溶液是氧化铝和∮0.05μm氧化铝的混合物溶液(∮1μm氧化铝：Buehler Micro PolishⅡ氧化铝1.0μm；∮0.05μm氧化铝：BuehlerMasterPrep抛光悬浮液0.05μm)。

将样本保持第一方向A抛光5分钟，保持第二方向B抛光5分钟，保持方向A抛光5分钟并且保持方向B抛光5分钟，总共抛光20分钟，如图6所示。

在第三步骤中，样本用以下洗涤：(1)首先用水：首先用手在稀释的中性洗涤剂和自来水中柔和地洗涤样本，然后用来自水龙头的自来水冲洗，然后柔和地擦拭样本以干燥样本；(2)然后用乙醇，通过将样本置于乙醇中并取出样本并柔和地擦拭以保持样本至干燥样本。

图2A和图2B示出了当金属材料被抛光时，吸附在平均晶粒尺寸为0.5μm、1μm、1.5μm、2μm、3μm和9μm的金属材料上的细菌的数量相对减少。

实施例5-细胞毒性MTS测定

方法：

将人胎儿成骨细胞(HFOb)与金属材料样品接种在12孔板中。每2天更换细胞培养基。对于细胞增殖测定，在3、5和7天后添加MTS试剂以确定活细胞的数量。

结果：

图3A和图3B示出了金属材料没有细胞毒性。对于大多数样品，对于所有三个读数(3、5和7天)，活力为80％或更高。对于第7天，所有读数显示100％或更高的活力。更高的活力表明金属材料样品促进细胞生长。

对于抛光样品，所有读数显示90％至120％的细胞活力。对于第5天，所有样品呈现高于100％的细胞活力，表明金属材料样品促进细胞生长。未抛光样品比抛光样品呈现更大的细胞活力。在未抛光样品上，平均晶粒尺寸为9μm的金属材料显示出最大的活力。

实施例6-304型不锈钢对相对于表面积归一化的大肠杆菌、耐多药大肠杆菌、耐甲氧西林金黄色葡萄球菌、表皮葡萄球菌菌落形成单位的抗菌性与平均颗粒尺寸的关系

方法

在该实施例中使用平均晶粒尺寸为0.5μm、1.5μm、2μm、3μm和9μm的304型不锈钢材料。

为了确保没有污染，通过用丙酮、然后用70％乙醇和DI水超声处理三次10分钟来洗涤样品。

然后将样品单独置于24孔板的孔中，并在UV光下灭菌过夜。在细胞接种之前，用PBS漂洗样品两次以去除任何可能的碎片。然后将0.5mL的制备的细菌悬浮液(10⁶细胞/mL)添加到每个样品上，并将板置于保持在37℃和5％CO₂的静态培养箱中。在孵育24小时之后，将板从培养箱中取出。从每个孔中吸出接种物并用1ml的PBS替换。用1ml的PBS填充无菌24孔板的孔，并将样品转移至板中。再用PBS洗涤样品三次(总共4次PBS漂洗)。最后的PBS洗涤液未被吸出。将板在冷水浴中超声处理15分钟。

将板短暂涡旋，将10μl的溶液一式三份吸移至琼脂板上。然后在PBS中以1:10、1:100、1:1000、1:10000和1:100000稀释该储备液(O-稀释液)，并将每种稀释液吸移至琼脂板上。然后在孵育约12至14小时之后手动计数菌落形成单位(CFU)。

在该实施例中使用的方法中，将样品洗涤(1+3次)四次以除去浮游细胞，这些细胞不附着到样品上并且是自由漂浮的。小心地洗涤样品以不破坏固着细菌。超声处理15分钟使细菌与表面分离。对固着细菌计数允许评价样品的表面上的生物膜形成细菌和生物膜预防。应理解，细菌可以附着到样品表面并引起感染，并且生物膜形成是该感染的特征。

结果

图9示出对于所有测试的细菌菌株，将平均晶粒尺寸降低至0.5μm引起细菌对金属材料表面的粘附的降低。测试的细菌包括革兰氏阴性细菌和革兰氏阳性细菌、耐药细菌和药物敏感细菌。在多重耐药性大肠杆菌(MDR大肠杆菌)细菌的情况下，这种降低更为显著。与其它晶粒尺寸相比，对于平均晶粒尺寸为0.5μm，MDR大肠杆菌的生长被抑制4至49倍。

实施例7-使用番红的生物膜形成测试

方法

为了确保没有污染，通过用丙酮、然后用70％乙醇和DI水超声处理三次10分钟来洗涤样品。然后将样品单独置于24孔板的孔中，并在UV光下灭菌过夜。在细胞接种之前，用PBS漂洗样品两次以去除任何可能的碎片。然后将0.5mL的制备的细菌悬浮液(10⁶细胞/mL)添加到每个样品上，并将板置于保持在37℃和5％CO₂的静态培养箱中。在孵育24小时之后，将板从培养箱中取出。从每个孔中吸出接种物并用1ml的PBS替换。用1ml的PBS填充无菌24孔板的孔，并将样品转移至板中。再用PBS洗涤孔三次(总共4次PBS漂洗)。

将样品用番红(0.1％w/v)染色5分钟。番红是用于组织学和细胞学以区分和鉴定不同组织和细胞的阳离子染料。番红用于染色革兰氏阳性细菌和革兰氏阴性细菌。

样品用1ml的PBS洗涤3至4次(直到PBS为无色)。

将番红用95％乙醇再溶解。使用分光光度计(SpectraMax M3,MolecularDevices,Sunnyvale,CA)测量每个孔中再溶解的番红的吸光度，其中λ_ab(吸光度的波长)设定为570nm。

结果

图13示出对于所有测试的细菌菌株，将平均晶粒尺寸降低至0.5μm引起在样品的表面上生物膜形成的降低。测试的细菌包括革兰氏阴性细菌和革兰氏阳性细菌、耐药细菌和药物敏感细菌。

应理解，生物膜形成过程包括三个步骤：

1-生物体在收集器表面(即基材或样品)上的吸附或积累。

2-在生物体与收集器之间的界面的附着或固结，通常包括生物体与收集器之间的聚合物桥的形成。

3-生物体在收集器表面上的定殖或生长和分裂。(参见Garrett,T.R.,Bhakoo,M.and Zhang,Z.,2008.Bacterial adhesion and biofilms on surfaces.Progress inNatural Science,18(9),pp.1049-1056.)

与其它晶粒尺寸(即1.5、2、3μm)相比，计算0.5μm样品的生物膜预防百分比：

在大肠杆菌的情况下，与1.5、2、3μm平均晶粒尺寸样品相比，观察到21至34％的生物膜预防。

在MDR大肠杆菌的情况下，与1.5、2、3μm平均晶粒尺寸样品相比，观察到10至28％的生物膜预防。

在MRSA的情况下，与1.5、2、3μm平均晶粒尺寸样品相比，观察到29至44％的生物膜预防。

在表皮葡萄球菌的情况下，与1.5、2、3μm平均晶粒尺寸样品相比，观察到30至41％的生物膜预防。

实施例8-晶粒尺寸对成纤维细胞生长的影响

研究了金属材料对人皮肤成纤维细胞(HDF)(CCL-110^TM)的细胞毒性。

方法

首先，将人皮肤成纤维细胞在37℃含5％CO₂的潮湿培养箱中的烧瓶的完全培养基(含10％胎牛血清和1％青霉素链霉素的Eagle’sMinimum Essential(EMEM)培养基)中单独培养。

然后，将细胞与金属丝样品以5,000个细胞/孔接种在48孔板的1000μL细胞培养基中，并在37℃在5％CO₂潮湿气氛中孵育3、5和7天。

在孵育一段时间之后，除去培养基，并更换1000μL的新鲜培养基，其中以1:5稀释了MTS溶液(200μL+1000μL EMEM)。这次，培养孔板仅3小时以允许颜色变化。用吸光度酶标仪(SpectraMax)在490nm下测量吸光度。数据表示为细胞活力的百分比。

测试的金属样品是如以下示出的具有不同直径和不同平均晶粒尺寸的316型不锈钢丝和304型不锈钢丝：

304型不锈钢样品：测试的金属样品是具有不同直径(以mm计)和不同平均晶粒尺寸(以μm计)的304型不锈钢丝。

CG304晶粒尺寸21.5μm

CG304晶粒尺寸12.0μm

CG304晶粒尺寸15.0μm

UFGSS 304晶粒尺寸0.27μm

UFGSS 304晶粒尺寸0.22μm

UFGSS 304晶粒尺寸0.23μm

使用的304型不锈钢金属样品的化学组成在下表中示出：

表4

316型不锈钢样品：测试的金属样品是具有不同直径(以mm计)和不同平均晶粒尺寸(以μm计)的316型不锈钢丝。

CG316晶粒尺寸16.5μm

CG316晶粒尺寸10.7μm

CG316晶粒尺寸7.1μm

UFGSS 316晶粒尺寸0.25μm

UFGSS 316晶粒尺寸0.22μm

UFGSS 316晶粒尺寸0.18μm

使用的316型不锈钢金属样品的化学组成在下表中示出：

表5

测试的样品的直径和样品面积在下表中示出：

表6

图4A至图4C示出了当在304型不锈钢金属样品上生长时，人皮肤成纤维细胞的活力百分比。图4C示出了平均晶粒尺寸为0.22μm和0.27μm的超细304型不锈钢金属样品促进人皮肤成纤维细胞。

图5A至图5C示出了当在316型不锈钢金属样品上生长时，人皮肤成纤维细胞的活力百分比。图5C示出了平均晶粒尺寸为16.5μm的常规金属样品促进人皮肤成纤维细胞。

实施例9：304型不锈钢磁极化和晶粒尺寸对细菌形成菌落的影响

方法

使用振动样品磁力计(VSM,The LakeShore 7407VSM)来研究样品的磁化率(图8)。使用的样品体积等于6.2mm³，并且在所有测试的晶粒尺寸下均是相同的。

在室温下使用振动样品磁力计测量具有各种平均晶粒尺寸(0.5、1.5、2、3、9、10μm)的304型不锈钢和316型不锈钢的磁化率。将样本固定在样品架上，并且磁场为-1000至+1000奥斯特(Oe)，以测量它们的磁化率(n≥2)。

在该实施例中使用具有不同平均晶粒尺寸(0.5、1和9μm)的304型不锈钢。

样品用0.1特斯拉磁体(0.1T)、0.5特斯拉磁体(0.5T)和1.1特斯拉磁体(1.1T)磁化。

结果

图10示出了与未处理的(UT)或去磁化的(DM)的304型不锈钢样品相比，控制304型不锈钢样品的磁矩(0.1T、0.8T、1.1T)降低了细菌对样品的粘附。磁化样品表现出细菌粘附的更显著的降低。统计分析表示与未处理的样品(UT)的差异。

与9μm晶粒的样品相比，平均晶粒尺寸为0.5μm和1μm的304型不锈钢样品由于其最高的磁化率而表现出细菌粘附/生物膜形成的更多的减少。

表7示出了在0.1T下的磁矩

表7示出了平均晶粒尺寸的降低增加了304型不锈钢样品的磁化率，并且平均晶粒尺寸为0.5μm的304型不锈钢样品表现出最高的磁化率，高于144.98±8.90memu。

实施例10-骨生长

方法

在组织培养处理的24孔板内，用500μL的含10％FBS和1％青霉素-链霉素的适当培养基为每个样本接种26000个人胎儿成骨细胞(≈2×10⁴个细胞cm^-2)。使板在37℃的静态条件下和在富含5％CO₂的环境中孵育3、24和72小时。在孵育期之后，定量粘附到每个样品表面的细胞的代谢活性。简而言之，小心地吸出上面的培养基，并用含20％MTS试剂的适当培养基替换。使细胞与MTS混合物在黑暗中在37℃和5％CO₂下孵育3小时。孵育后，使用分光光度计(SpectraMax M3,Molecular Devices,Sunnyvale,CA)测量每个孔的吸光度，其中λ_ab(吸光度的波长)设定为490nm。对获得的OD数据进行图形分析和统计学分析。在该测试中使用具有不同平均晶粒尺寸(0.5、1和9μm)的304型不锈钢。

结果

图11示出了在孵育后3小时之后，较高数量的成骨细胞粘附到磁化的304不锈钢样品。此外，图11示出了使用1.1T磁体的平均晶粒尺寸为0.5μm和1μm的304型不锈钢样品的磁化增加细胞粘附，而平均晶粒尺寸为9μm的304型不锈钢样品的磁化不影响细胞粘附。

图12A至图12C示出在孵育后，测试的平均晶粒尺寸为0.5μm(图12A)、1μm(图12B)或9μm(图12C)的所有磁化的304型不锈钢样品支持细胞粘附和生长长达72小时。此外，图12A至图12C表明在孵育后72小时在去磁化的(DM)样品上生长最低。

实施例11：316型不锈钢对细菌菌落形成单位的抗菌性与平均晶粒尺寸、磁性能和表面能的关系

方法

首先将耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)孵育过夜。在达到10⁵的浓度之后，将细菌与金属材料样品混合并孵育24小时。然后用蒸馏水洗涤样品并超声处理10分钟。在将样品再涡旋10秒之后，将每个样品的几个稀释液置于琼脂板上。将琼脂板孵育12小时。

材料

以下示出使用的316型不锈钢金属样品的化学组成。

表9

测试的金属样品是具有直径且具有不同平均晶粒尺寸的316型不锈钢丝：平均晶粒尺寸为0.22μm的超细材料和平均晶粒尺寸为10.7μm的常规材料。

将样品置于振动样品磁力计(7400-S Series VSN,Lake Shore)样品架上。在5000Oe至-5000Oe的磁场下设定读数。

结果

以下示出了相对于晶粒的平均晶粒尺寸、磁性能和表面能的响应量(CFU/cm²)的结果。

与平均晶粒尺寸为10.7μm(520CFU/cm²)时相比，当平均晶粒尺寸为0.22μm(6CFU/cm²)时，在316型不锈钢金属材料线上的MRSA的CFU/cm²降低。与平均晶粒尺寸为10.7μm(332.14mN/m)时相比，平均晶粒尺寸为0.22μm(37.39mN/m)时，样品的表面能降低。不受理论束缚，当金属样品的表面能接近42mN/m时，MRSA对316L型不锈钢金属材料的粘附降低。与平均晶粒尺寸为10.7μm的常规316型不锈钢线相比，在平均晶粒尺寸为0.22μm的316型不锈钢金属材料线上观察到通过加工硬化增加磁矩。

实施例12-316型不锈钢对细菌菌落形成单位的抗菌性与平均晶粒尺寸、磁性能和表面能的关系

方法

首先将铜绿假单胞菌孵育过夜。在达到10⁵的浓度之后，将细菌与金属材料样品混合并孵育24小时。然后用蒸馏水洗涤样品并超声处理10分钟。在将样品再涡旋10秒之后，将每个样品的几个稀释液置于琼脂板上。将琼脂板孵育12小时。

材料

使用的316型不锈钢金属样品的化学组成在下表中示出。

表10

测试的金属样品是具有直径且具有不同晶粒尺寸的316型不锈钢丝：平均晶粒尺寸为0.25μm的超细材料样品和平均晶粒尺寸为16.5μm的常规材料样品。将样品置于振动样品磁力计(7400-SSeries VSN,Lake Shore)样品架上。在5000Oe至-5000Oe的磁场下设定读数。

结果

以下示出了相对于晶粒的平均晶粒尺寸、磁性能和表面能的响应量(CFU/cm²)的结果。

与平均晶粒尺寸为16.5μm(73CFU/cm²)时相比，当平均晶粒尺寸为0.25μm(24CFU/cm²)时，在316型不锈钢金属材料线上的铜绿假单胞菌的CFU/cm²降低。与平均晶粒尺寸为16.5μm(971mN/m)时相比，平均晶粒尺寸为0.25μm(1.87mN/m)时，316型不锈钢金属材料丝的表面能降低。不受理论束缚，当金属样品的表面能接近约42mN/m时，铜绿假单胞菌对316L型不锈钢金属材料的粘附降低。与平均晶粒尺寸为16.5μm的常规316型不锈钢线相比，在平均晶粒尺寸为0.25μm的316型不锈钢金属材料线上观察到通过加工硬化增加磁矩。

实施例13-304型不锈钢对细菌菌落形成单位的抗菌性与平均晶粒尺寸、磁性能和表面能的关系

方法

首先将MRSA孵育过夜。在达到10⁵的浓度之后，将细菌与金属材料样品混合并孵育24小时。然后用蒸馏水洗涤样品并超声处理10分钟。在将样品再涡旋10秒之后，将每个样品的几个稀释液置于琼脂板上。将琼脂板孵育12小时。

材料

使用的304型不锈钢金属样品的化学组成在下表中示出。

表11

测试的金属样品是具有直径且具有不同晶粒尺寸的304型不锈钢丝：平均晶粒尺寸为0.27μm的超细材料样品和平均晶粒尺寸为21.5μm的常规材料样品。

将样品置于振动样品磁力计(7400-S Series VSN,Lake Shore)样品架上。在5000Oe至-5000Oe的磁场下设定读数。

结果

在下表中示出了相对于晶粒的平均晶粒尺寸、磁性能和表面能的响应量(CFU/cm²)的结果。

与当平均晶粒尺寸为21.5μm(82CFU/cm²)时相比，当平均晶粒尺寸为0.27μm(23CFU/cm²)时，在304型不锈钢金属材料线上的MRSA的CFU/cm²降低。与当平均晶粒尺寸为21.5μm时的15.08mN/m相比，当平均晶粒尺寸为0.27μm时，304型不锈钢金属材料丝的表面能为324.27mN/m。与平均晶粒尺寸为21.5μm的常规304型不锈钢线相比，在平均晶粒尺寸为0.27μm的304型不锈钢金属材料线上也观察到通过加工硬化增加磁矩。不受理论束缚，对于304型不锈钢金属，当磁矩增加时，表面能效应变弱。

实施例14：使用钛合金的成骨细胞生长数据

人胎儿成骨细胞(hFOB)(CRL-11372，ATCC)细胞毒性研究

将人胎儿成骨细胞在37℃含5％CO₂的潮湿培养箱中的烧瓶的完全培养基(含10％胎牛血清和1％青霉素链霉素的Dulbecco's Modified Eagle培养基(DMEM/F12))中单独培养。然后，将细胞与金属丝样品以5,000个细胞/孔接种在48孔板的1000μL细胞培养基中，并在37℃在5％CO₂潮湿气氛中孵育3、5和7天。在孵育一段时间之后，除去培养基，并更换1000μL的新鲜培养基，其中以1:10稀释了PrestoBlue溶液(100μL+900μL DEMEM/F12)。这次，培养孔板45分钟以允许颜色变化。用酶标仪(SpectraMax)在560nm的激发波长和590nm的发射波长下测量荧光。数据表示为细胞活力的百分比。

表12示出了使用的钛合金样品。

表12

(*)未知晶粒尺寸

表13示出了钛合金对照样品的组成

表13

ASTM F136钛

使用人胎儿成骨细胞(hFOB)的细胞生长测定。

对于所有测试的样品，在7天孵育期间，活力的百分比高于80％，表明对hFOB细胞的相对低的细胞毒性(参见图7)。

此外，在大多数情况下活力的百分比值高于100％，这表明与仅与新鲜培养基接触生长的细胞的数量相比，在样品的存在下生长的细胞的数量更高。不受理论束缚，细胞在钛样品的顶部生长，这促进了它们的增殖。

在第5天后，对于晶粒尺寸为3.1μm、2μm和0.8μm的样品，细胞活力的百分比略微降低。

尽管本文已经参考具体实施方案描述了公开内容，但应理解，这些实施方案仅是对本公开内容的原理和应用的例示。因此，应理解，在不背离由所附权利要求限定的本公开内容的主旨和范围的情况下，可以对示例性实施方案进行多种修改并且可以设计其它布置。