不銹鋼是一類特殊鋼材料,鋼中的Cr含量要超過12%,以保證其*的耐腐蝕性能。不銹鋼依據不同的耐腐蝕性能和強度要求,按其顯微組織分為奧氏體(C相)、鐵素體(A相)、馬氏體(M相)、雙相(C+A、C+M等)和沉淀硬化(M+沉淀析出相)等多種類型,其中以AISI316L和317L為代表的奧氏體不銹鋼是的外科植入金屬材料,其它類型不銹鋼主要用于制作醫療工具或特殊手術器械。1926年,18%Cr-8%Ni型不銹鋼(AISI304)首先被用作骨科植人材料,隨后在口腔科中也得到應用。到1952年,含有2%Mo的AISI316不銹鋼在臨床上獲得應用,并逐漸取代了304不銹鋼。為了解決不銹鋼的晶間腐蝕問題,上世紀60年代,具有良好生物相容性、力學性能和更優耐腐蝕性能的超低碳不銹鋼AISI316L和AISI317L開始在醫學領域中得到應用。

2醫用不銹鋼的特點

醫用不銹鋼與工業結構用不銹鋼相比,由于要求其在人體內保持優良的耐腐蝕性,以減少金屬離子溶出,避免晶間腐蝕、應力腐蝕等局部腐蝕現象發生,防止造成植入器件失效斷裂,保證植入器械的安全性,因此其化學成分要求相對更加嚴格。醫用不銹鋼特別是植入用不銹鋼,其中的Ni和Cr等合金元素含量均高于普通不銹鋼(通常達到普通不銹鋼的上限要求),S和P等雜質元素含量要低于普通不銹鋼,并明確規定鋼中非金屬夾雜物尺寸要分別小于115級(細系)和1級(粗系),而普通工業用不銹鋼標準中并不對夾雜物提出特別要求。

表1列出了醫用植入不銹鋼與對應普通不銹鋼的化學成分對比。為了避免醫用不銹鋼發生晶間腐蝕,還要求其具有更低的C含量,而早期則規定了C含量不高于0108%和0103%兩個級別(質量分數)。隨著冶金技術的進步和應用要求的提高,在最近幾年修訂的醫用不銹鋼國內外標準中,全部要求鋼中C含量不高于0103%(如ASTMF138-03,ASTMF139-03、ISO5832-1-2007,GB4234-2003)。

表1醫用植入不銹鋼與對應普通不銹鋼的化學成分對比(w/%)

醫用不銹鋼中常用的316L或317L奧氏體不銹鋼在固溶狀態下的強度和硬度均偏低,但可以通過冷加工變形來提高其強度和硬度(見圖1)。因此臨床使用的外科植入用不銹鋼通常處于冷加工狀態(冷加工變形量為20%左右),以滿足植入器械要求的高強度和高硬度,但是冷加工狀態增加了醫用不銹鋼應力腐蝕和腐蝕疲勞破壞的敏感性。

圖1醫用不銹鋼的力學性能與冷加工變形量的關系

醫用不銹鋼由于具有良好的生物相容性、良好的力學性能、優異的耐體液腐蝕性能,以及良好的加工成型性,已經成為臨床廣泛應用的醫用植入材料和醫療工具材料。醫用不銹鋼被廣泛用來制作各種人工關節和骨折內固定器械,如各種人工髖關節、膝關節、肩關節、肘關節、腕關節、踝關節和指關節,各種規格的截骨連接器、加壓鋼板、鵝頭骨螺釘、脊椎釘、骨牽引鋼絲、人工椎體等,以及顱骨板、人工椎體等。在齒科方面,醫用不銹鋼被廣泛應用于鑲牙、齒科矯形、牙根種植及輔助器件,如各種齒冠、齒橋、固定支架、卡環、基托等,各種規格的嵌件、牙齒矯形弓絲、義齒和頜骨缺損修復等。在心臟外科,使用醫用不銹鋼制作心血管支架等。除用于加工各種外科植入器械外,醫用不銹鋼還用于加工各種各樣的醫療手術器械或工具。

近年來,中國醫療器械行業對質優價廉的醫用不銹鋼絲材、棒材、骨科專用板材、螺釘等半成品的需求量明顯上升,每年都在幾百噸以上。中國醫療器械市場所需的醫用不銹鋼主要包括304,317L,420J2,3Cr13Mo,6Cr13Mo,00Cr18Ni14Mo3,00Cr18Ni15Mo3等。撫順特鋼公司、上海寶鋼集團不銹鋼分公司等作為國內醫用不銹鋼的主要,一直參與國家醫用不銹鋼標準的修訂工作。但是中國醫用材料標準修訂工作一直進展緩慢,基本上是跟隨國際標準,僅做微小調整。目前國內僅有2種醫用植入不銹鋼標準,即GB4234(基本等同于ISO5832-1和ASTMF138)和YY060519-2007(等同于IS05832-9,對應ASTMF1586),醫用不銹鋼的標準化工作遠遠落后于美國(其目前共修訂了6種外科植入用不銹鋼)。因此新型醫用不銹鋼的標準修訂工作也是今后我國醫用不銹鋼研究與發展中的重要組成部分。

3醫用不銹鋼存在的問題和不足

醫用植入奧氏體不銹鋼盡管具有優異的綜合性能,但是在長期的臨床使用中,仍然存在一些難以避免的問題和不足。首先是醫用不銹鋼的高密度(約718g/cm3)、高強度(300~1000MPa)以及高彈性模量(約200GPa)等特性會因與骨組織的力學性能相差較大而導致其力學相容性不夠匹配,從而引起應力遮擋效應,易導致骨疏松、骨吸收或骨等現象發生。而骨組織由于缺乏足夠的機械應力刺激,不易在骨折部位形成骨痂,容易發生二次骨折。

其次是醫用不銹鋼在生物環境中的腐蝕或磨蝕問題。醫用不銹鋼在人體內發生的主要腐蝕形式是縫隙腐蝕,其次是晶間腐蝕和點蝕,微動腐蝕和應力腐蝕開裂現象也有報道。總體來說,植入體使用時間越久,腐蝕程度越嚴重。腐蝕可能會對不銹鋼力學性能和生物相容性產生強烈的影響,不僅會影響到材料或器件的使用壽命,還可能由于金屬溶出物引起種植體周圍組織的局部壞死和炎癥反應,造成發炎、過敏和致癌等全身反應,影響宿主的健康。

第三是醫用不銹鋼中含有的N,iCr等金屬離子溶出及相應的組織反應等問題。植入用醫用奧氏體不銹鋼中通常含有10%以上的Ni元素,用以穩定不銹鋼的奧氏體結構。大量臨床已經證明,Ni對人體是一種潛在的致敏因子。Ni及其化合物對人體常見的損害是Ni接觸性皮炎,發病率較高,過敏性強者發生濕疹。Ni離子在生物體內富集可能會誘發毒性效應,發生細胞破壞和發炎反應,對生物體有致畸、致癌的危害性。

有統計表明,隨著現代工業的迅速發展,對Ni過敏的人數顯著增多,圖2示出了上世紀幾十年間Ni過敏的增長情況。在植入體內的316L不銹鋼板和螺栓周圍組織中發現,Ni離子濃度在(116~1200)mg/L范圍內,在病人體內由于含Ni金屬植入件腐蝕造成的Ni離子的最大釋放率約為20Lg/kg#d-1[7]。Kêster等人的研究認為[8],不銹鋼支架中N,iCr和Mo等金屬離子釋放引起的過敏反應可能是心血管支架再狹窄的間接原因之一。

最后就是不銹鋼在人體內表現為生物惰性,表面無生物活性,植入人體后與周邊肌體組織的結合不牢固,易于松動,有時會影響植入治療效果。

圖2對Ni過敏青年人數量的增加趨勢

4醫用不銹鋼的研究與發展

4.1醫用無Ni奧氏體不銹鋼

針對Ni元素帶來的危害,近年來許多國家對日用品及醫用金屬材料中的Ni含量制定了越來越高的要求,相關標準中所允許的最高Ni含量也越來越低。在1994年頒布的歐洲議會94/27/EC標準中[9],要求植入人體內的材料(植入材料、矯形假牙等)中的Ni含量不應超過0105%;而對于長期接觸人體皮膚的金屬材料(首飾、手表、戒指、手鐲等),其Ni含量則以每周滲入皮膚含量不應超過015Lg/cm2為最高*。針對含Ni醫用金屬材料可能對人體健康造成的危害,專家建議辦法就是嚴格禁止或限制各種直接接觸人體的金屬材料(如植入器件、牙科材料、首飾等)中的Ni含量。

鑒于醫用不銹鋼性能優異,制造技術成熟,價格低廉和臨床應用廣泛,為了避免其中Ni元素溶出引起的不良組織反應,近年來,在通過冶金和加工技術繼續提高現有醫用不銹鋼綜合性能的基礎上,研究開發醫用低Ni和無Ni奧氏體不銹鋼已經成為國際上醫用不銹鋼的一個主要發展趨勢。其原理是利用廉價的N元素(或N和Mn的共同作用)代替不銹鋼中昂貴的Ni元素來穩定不銹鋼的奧氏體組織結構,從而使不銹鋼繼續保持其優異的力學性能、耐腐蝕性能和生物學性能。

從近年來新修訂的國際標準IS05832-9(低Ni+N醫用奧氏體不銹鋼,對應美國標準ASTMF1586)中可見,利用N元素來代替不銹鋼中的部分Ni元素,可顯著提高不銹鋼的力學性能和耐腐蝕性能。這類不銹鋼中的Ni含量較傳統的316L不銹鋼都有明顯降低,而且表現出更為優良的耐模擬體液腐蝕性能,是一種很有潛力的新型不銹鋼植人材料。歐美等國家都制定了相應材料標準,并開發出相應的新型醫用不銹鋼,中國也修訂發布了外科植入用低Ni+N不銹鋼的材料標準YY060519-2007(等同于IS05832-9,對應ASTMF1586)。

從表2給出的美國ASTM標準中的外科植入用不銹鋼的化學成分,可以看出外科植入用不銹鋼的發展演變過程和趨勢。醫用不銹鋼中的Ni含量逐漸降低到痕量([0105%),而鋼中的N含量從011%逐漸提高到1%。

與Ni元素相比。N元素既經濟又對人體無害,并且加N后能明顯提高不銹鋼的力學性能和耐腐蝕性能。ASTMF2229中推薦的高N無Ni不銹鋼由美國Carpenter公司開發并已經應用在歐美醫療市場上,部分和逐漸替代現有Cr-Ni型奧氏體不銹鋼,用于加工各種骨固定器械及手術器械。從表3給出的美國ASTM標準中的外科植入用不銹鋼的力學性能可以看出,隨著醫用不銹鋼中N含量的增加,不銹鋼的強度大幅度提高,是傳統使用的316L或317L不銹鋼強度的2倍以上,達到醫用Co-Cr合金的強度水平,而不銹鋼的塑性仍保持較高水平。

表2美國ASTM標準中的外科植入用不銹鋼化學成分(w/%)

高N無Ni奧氏體不銹鋼表現出優良的綜合性能和生物相容性,但其生產及加工工藝仍然是限制其應用和發展的重要環境。目前高N不銹鋼的制備方法有熱等靜壓熔煉、加壓感應爐熔煉、粉末冶金、高溫滲N等,而適合工業化大規模生產只有加壓電渣重熔技術,但仍存在N分布不均勻等問題。

表5部分醫用高N無Ni不銹鋼的力學性能