医用不锈钢的特性与研究进展，医械研发了解一下

不锈钢是一类特殊钢材料,钢中的Cr含量要超过12%,以保证其*的耐腐蚀性能。不锈钢依据不同的耐腐蚀性能和强度要求,按其显微组织分为奥氏体(C相)、铁素体(A相)、马氏体(M相)、双相(C+A、C+M等)和沉淀硬化(M+沉淀析出相)等多种类型,其中以AISI316L和317L为代表的奥氏体不锈钢是的外科植入金属材料,其它类型不锈钢主要用于制作医疗工具或特殊手术器械。1926年,18%Cr-8%Ni型不锈钢(AISI304)首先被用作骨科植人材料,随后在口腔科中也得到应用。到1952年,含有2%Mo的AISI316不锈钢在临床上获得应用,并逐渐取代了304不锈钢。为了解决不锈钢的晶间腐蚀问题,上世纪60年代,具有良好生物相容性、力学性能和更优耐腐蚀性能的超低碳不锈钢AISI316L和AISI317L开始在医学领域中得到应用。

2医用不锈钢的特点

医用不锈钢与工业结构用不锈钢相比,由于要求其在人体内保持优良的耐腐蚀性,以减少金属离子溶出,避免晶间腐蚀、应力腐蚀等局部腐蚀现象发生,防止造成植入器件失效断裂,保证植入器械的安全性,因此其化学成分要求相对更加严格。医用不锈钢特别是植入用不锈钢,其中的Ni和Cr等合金元素含量均高于普通不锈钢(通常达到普通不锈钢的上限要求),S和P等杂质元素含量要低于普通不锈钢,并明确规定钢中非金属夹杂物尺寸要分别小于115级(细系)和1级(粗系),而普通工业用不锈钢标准中并不对夹杂物提出特别要求。

表1列出了医用植入不锈钢与对应普通不锈钢的化学成分对比。为了避免医用不锈钢发生晶间腐蚀,还要求其具有更低的C含量,而早期则规定了C含量不高于0108%和0103%两个级别(质量分数)。随着冶金技术的进步和应用要求的提高,在最近几年修订的医用不锈钢国内外标准中,全部要求钢中C含量不高于0103%(如ASTMF138-03,ASTMF139-03、ISO5832-1-2007,GB4234-2003)。

表1医用植入不锈钢与对应普通不锈钢的化学成分对比(w/%)

医用不锈钢中常用的316L或317L奥氏体不锈钢在固溶状态下的强度和硬度均偏低,但可以通过冷加工变形来提高其强度和硬度(见图1)。因此临床使用的外科植入用不锈钢通常处于冷加工状态(冷加工变形量为20%左右),以满足植入器械要求的高强度和高硬度,但是冷加工状态增加了医用不锈钢应力腐蚀和腐蚀疲劳破坏的敏感性。

图1医用不锈钢的力学性能与冷加工变形量的关系

医用不锈钢由于具有良好的生物相容性、良好的力学性能、优异的耐体液腐蚀性能,以及良好的加工成型性,已经成为临床广泛应用的医用植入材料和医疗工具材料。医用不锈钢被广泛用来制作各种人工关节和骨折内固定器械,如各种人工髋关节、膝关节、肩关节、肘关节、腕关节、踝关节和指关节,各种规格的截骨连接器、加压钢板、鹅头骨螺钉、脊椎钉、骨牵引钢丝、人工椎体等,以及颅骨板、人工椎体等。在齿科方面,医用不锈钢被广泛应用于镶牙、齿科矫形、牙根种植及辅助器件,如各种齿冠、齿桥、固定支架、卡环、基托等,各种规格的嵌件、牙齿矫形弓丝、义齿和颌骨缺损修复等。在心脏外科,使用医用不锈钢制作心血管支架等。除用于加工各种外科植入器械外,医用不锈钢还用于加工各种各样的医疗手术器械或工具。

近年来,中国医疗器械行业对质优价廉的医用不锈钢丝材、棒材、骨科专用板材、螺钉等半成品的需求量明显上升,每年都在几百吨以上。中国医疗器械市场所需的医用不锈钢主要包括304,317L,420J2,3Cr13Mo,6Cr13Mo,00Cr18Ni14Mo3,00Cr18Ni15Mo3等。抚顺特钢公司、上海宝钢集团不锈钢分公司等作为国内医用不锈钢的主要生产厂家,一直参与国家医用不锈钢标准的修订工作。但是中国医用材料标准修订工作一直进展缓慢,基本上是跟随国际标准,仅做微小调整。目前国内仅有2种医用植入不锈钢标准,即GB4234(基本等同于ISO5832-1和ASTMF138)和YY060519-2007(等同于IS05832-9,对应ASTMF1586),医用不锈钢的标准化工作远远落后于美国(其目前共修订了6种外科植入用不锈钢)。因此新型医用不锈钢的标准修订工作也是今后我国医用不锈钢研究与发展中的重要组成部分。

3医用不锈钢存在的问题和不足

医用植入奥氏体不锈钢尽管具有优异的综合性能,但是在长期的临床使用中,仍然存在一些难以避免的问题和不足。首先是医用不锈钢的高密度(约718g/cm3)、高强度(300~1000MPa)以及高弹性模量(约200GPa)等特性会因与骨组织的力学性能相差较大而导致其力学相容性不够匹配,从而引起应力遮挡效应,易导致骨疏松、骨吸收或骨等现象发生。而骨组织由于缺乏足够的机械应力刺激,不易在骨折部位形成骨痂,容易发生二次骨折。

其次是医用不锈钢在生物环境中的腐蚀或磨蚀问题。医用不锈钢在人体内发生的主要腐蚀形式是缝隙腐蚀,其次是晶间腐蚀和点蚀,微动腐蚀和应力腐蚀开裂现象也有报道。总体来说,植入体使用时间越久,腐蚀程度越严重。腐蚀可能会对不锈钢力学性能和生物相容性产生强烈的影响,不仅会影响到材料或器件的使用寿命,还可能由于金属溶出物引起种植体周围组织的局部坏死和炎症反应,造成发炎、过敏和致癌等全身反应,影响宿主的健康。

第三是医用不锈钢中含有的N,iCr等金属离子溶出及相应的组织反应等问题。植入用医用奥氏体不锈钢中通常含有10%以上的Ni元素,用以稳定不锈钢的奥氏体结构。大量临床已经证明,Ni对人体是一种潜在的致敏因子。Ni及其化合物对人体常见的损害是Ni接触性皮炎,发病率较高,过敏性强者发生湿疹。Ni离子在生物体内富集可能会诱发毒性效应,发生细胞破坏和发炎反应,对生物体有致畸、致癌的危害性。

有统计表明,随着现代工业的迅速发展,对Ni过敏的人数显著增多,图2示出了上世纪几十年间Ni过敏的增长情况。在植入体内的316L不锈钢板和螺栓周围组织中发现,Ni离子浓度在(116~1200)mg/L范围内,在病人体内由于含Ni金属植入件腐蚀造成的Ni离子的最大释放率约为20Lg/kg#d-1[7]。KÊster等人的研究认为[8],不锈钢支架中N,iCr和Mo等金属离子释放引起的过敏反应可能是心血管支架再狭窄的间接原因之一。

最后就是不锈钢在人体内表现为生物惰性,表面无生物活性,植入人体后与周边肌体组织的结合不牢固,易于松动,有时会影响植入治疗效果。

图2对Ni过敏青年人数量的增加趋势

4医用不锈钢的研究与发展

4.1医用无Ni奥氏体不锈钢

针对Ni元素带来的危害,近年来许多国家对日用品及医用金属材料中的Ni含量制定了越来越高的要求,相关标准中所允许的最高Ni含量也越来越低。在1994年颁布的欧洲议会94/27/EC标准中[9],要求植入人体内的材料(植入材料、矫形假牙等)中的Ni含量不应超过0105%;而对于长期接触人体皮肤的金属材料(首饰、手表、戒指、手镯等),其Ni含量则以每周渗入皮肤含量不应超过015Lg/cm2为最高*。针对含Ni医用金属材料可能对人体健康造成的危害,专家建议办法就是严格禁止或限制各种直接接触人体的金属材料(如植入器件、牙科材料、首饰等)中的Ni含量。

鉴于医用不锈钢性能优异,制造技术成熟,价格低廉和临床应用广泛,为了避免其中Ni元素溶出引起的不良组织反应,近年来,在通过冶金和加工技术继续提高现有医用不锈钢综合性能的基础上,研究开发医用低Ni和无Ni奥氏体不锈钢已经成为国际上医用不锈钢的一个主要发展趋势。其原理是利用廉价的N元素(或N和Mn的共同作用)代替不锈钢中昂贵的Ni元素来稳定不锈钢的奥氏体组织结构,从而使不锈钢继续保持其优异的力学性能、耐腐蚀性能和生物学性能。

从近年来新修订的国际标准IS05832-9(低Ni+N医用奥氏体不锈钢,对应美国标准ASTMF1586)中可见,利用N元素来代替不锈钢中的部分Ni元素,可显著提高不锈钢的力学性能和耐腐蚀性能。这类不锈钢中的Ni含量较传统的316L不锈钢都有明显降低,而且表现出更为优良的耐模拟体液腐蚀性能,是一种很有潜力的新型不锈钢植人材料。欧美等国家都制定了相应材料标准,并开发出相应的新型医用不锈钢,中国也修订发布了外科植入用低Ni+N不锈钢的材料标准YY060519-2007(等同于IS05832-9,对应ASTMF1586)。

从表2给出的美国ASTM标准中的外科植入用不锈钢的化学成分,可以看出外科植入用不锈钢的发展演变过程和趋势。医用不锈钢中的Ni含量逐渐降低到痕量([0105%),而钢中的N含量从011%逐渐提高到1%。

与Ni元素相比。N元素既经济又对人体无害,并且加N后能明显提高不锈钢的力学性能和耐腐蚀性能。ASTMF2229中推荐的高N无Ni不锈钢由美国Carpenter公司开发并已经应用在欧美医疗市场上,部分和逐渐替代现有Cr-Ni型奥氏体不锈钢,用于加工各种骨固定器械及手术器械。从表3给出的美国ASTM标准中的外科植入用不锈钢的力学性能可以看出,随着医用不锈钢中N含量的增加,不锈钢的强度大幅度提高,是传统使用的316L或317L不锈钢强度的2倍以上,达到医用Co-Cr合金的强度水平,而不锈钢的塑性仍保持较高水平。

表2美国ASTM标准中的外科植入用不锈钢化学成分(w/%)

高N无Ni奥氏体不锈钢表现出优良的综合性能和生物相容性,但其生产及加工工艺仍然是限制其应用和发展的重要环境。目前高N不锈钢的制备方法有热等静压熔炼、加压感应炉熔炼、粉末冶金、高温渗N等,而适合工业化大规模生产只有加压电渣重熔技术,但仍存在N分布不均匀等问题。

表5部分医用高N无Ni不锈钢的力学性能