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(jù)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(yī)療工具或特殊手術(shù)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(yīng)用。到1952年,含有2%Mo的AISI316不銹鋼在臨床上獲得應(yīng)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(jì)60年代,具有良好生物相容性、力學(xué)性能和更優(yōu)耐腐蝕性能的超低碳不銹鋼AISI316L和AISI317L開始在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中得到應(yīng)用。

2醫(yī)用不銹鋼的特點

醫(yī)用不銹鋼與工業(yè)結(jié)構(gòu)用不銹鋼相比,由于要求其在人體內(nèi)保持優(yōu)良的耐腐蝕性,以減少金屬離子溶出,避免晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕等局部腐蝕現(xiàn)象發(fā)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(xué)成分要求相對更加嚴(yán)格。醫(yī)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(zhì)元素含量要低于普通不銹鋼,并明確規(guī)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(yè)用不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)中并不對夾雜物提出特別要求。

表1列出了醫(yī)用植入不銹鋼與對應(yīng)普通不銹鋼的化學(xué)成分對比。為了避免醫(yī)用不銹鋼發(fā)生晶間腐蝕,還要求其具有更低的C含量,而早期則規(guī)定了C含量不高于0108%和0103%兩個級別(質(zhì)量分數(shù))。隨著冶金技術(shù)的進步和應(yīng)用要求的提高,在最近幾年修訂的醫(yī)用不銹鋼國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)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(yī)用植入不銹鋼與對應(yīng)普通不銹鋼的化學(xué)成分對比(w/%)

醫(yī)用不銹鋼中常用的316L或317L奧氏體不銹鋼在固溶狀態(tài)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(tài)(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(tài)增加了醫(yī)用不銹鋼應(yīng)力腐蝕和腐蝕疲勞破壞的敏感性。

圖1醫(yī)用不銹鋼的力學(xué)性能與冷加工變形量的關(guān)系

醫(yī)用不銹鋼由于具有良好的生物相容性、良好的力學(xué)性能、優(yōu)異的耐體液腐蝕性能,以及良好的加工成型性,已經(jīng)成為臨床廣泛應(yīng)用的醫(yī)用植入材料和醫(yī)療工具材料。醫(yī)用不銹鋼被廣泛用來制作各種人工關(guān)節(jié)和骨折內(nèi)固定器械,如各種人工髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)和指關(guān)節(jié),各種規(guī)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(yī)用不銹鋼被廣泛應(yīng)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(huán)、基托等,各種規(guī)格的嵌件、牙齒矯形弓絲、義齒和頜骨缺損修復(fù)等。在心臟外科,使用醫(yī)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(yī)用不銹鋼還用于加工各種各樣的醫(yī)療手術(shù)器械或工具。

近年來,中國醫(yī)療器械行業(yè)對質(zhì)優(yōu)價廉的醫(yī)用不銹鋼絲材、棒材、骨科專用板材、螺釘?shù)劝氤善返男枨罅棵黠@上升,每年都在幾百噸以上。中國醫(yī)療器械市場所需的醫(yī)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(nèi)醫(yī)用不銹鋼的主要生產(chǎn)廠家,一直參與國家醫(yī)用不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)的修訂工作。但是中國醫(yī)用材料標(biāo)準(zhǔn)修訂工作一直進展緩慢,基本上是跟隨國際標(biāo)準(zhǔn),僅做微小調(diào)整。目前國內(nèi)僅有2種醫(yī)用植入不銹鋼標(biāo)準(zhǔn),即GB4234(基本等同于ISO5832-1和ASTMF138)和YY060519-2007(等同于IS05832-9,對應(yīng)ASTMF1586),醫(yī)用不銹鋼的標(biāo)準(zhǔn)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(yī)用不銹鋼的標(biāo)準(zhǔn)修訂工作也是今后我國醫(yī)用不銹鋼研究與發(fā)展中的重要組成部分。

3醫(yī)用不銹鋼存在的問題和不足

醫(yī)用植入奧氏體不銹鋼盡管具有優(yōu)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(yī)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(xué)性能相差較大而導(dǎo)致其力學(xué)相容性不夠匹配,從而引起應(yīng)力遮擋效應(yīng),易導(dǎo)致骨疏松、骨吸收或骨等現(xiàn)象發(fā)生。而骨組織由于缺乏足夠的機械應(yīng)力刺激,不易在骨折部位形成骨痂,容易發(fā)生二次骨折。

其次是醫(yī)用不銹鋼在生物環(huán)境中的腐蝕或磨蝕問題。醫(yī)用不銹鋼在人體內(nèi)發(fā)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(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象也有報道。總體來說,植入體使用時間越久,腐蝕程度越嚴(yán)重。腐蝕可能會對不銹鋼力學(xué)性能和生物相容性產(chǎn)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(yīng),造成發(fā)炎、過敏和致癌等全身反應(yīng),影響宿主的健康。

第三是醫(yī)用不銹鋼中含有的N,iCr等金屬離子溶出及相應(yīng)的組織反應(yīng)等問題。植入用醫(yī)用奧氏體不銹鋼中通常含有10%以上的Ni元素,用以穩(wěn)定不銹鋼的奧氏體結(jié)構(gòu)。大量臨床已經(jīng)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(fā)病率較高,過敏性強者發(fā)生濕疹。Ni離子在生物體內(nèi)富集可能會誘發(fā)毒性效應(yīng),發(fā)生細胞破壞和發(fā)炎反應(yīng),對生物體有致畸、致癌的危害性。

有統(tǒng)計表明,隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展,對Ni過敏的人數(shù)顯著增多,圖2示出了上世紀(jì)幾十年間Ni過敏的增長情況。在植入體內(nèi)的316L不銹鋼板和螺栓周圍組織中發(fā)現(xiàn),Ni離子濃度在(116~1200)mg/L范圍內(nèi),在病人體內(nèi)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(yīng)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(nèi)表現(xiàn)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(jié)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(shù)量的增加趨勢

4醫(yī)用不銹鋼的研究與發(fā)展

4.1醫(yī)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(yī)用金屬材料中的Ni含量制定了越來越高的要求,相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)中[9],要求植入人體內(nèi)的材料(植入材料、矯形假牙等)中的Ni含量不應(yīng)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(yīng)超過015Lg/cm2為最高*。針對含Ni醫(yī)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(yán)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(yī)用不銹鋼性能優(yōu)異,制造技術(shù)成熟,價格低廉和臨床應(yīng)用廣泛,為了避免其中Ni元素溶出引起的不良組織反應(yīng),近年來,在通過冶金和加工技術(shù)繼續(xù)提高現(xiàn)有醫(yī)用不銹鋼綜合性能的基礎(chǔ)上,研究開發(fā)醫(yī)用低Ni和無Ni奧氏體不銹鋼已經(jīng)成為國際上醫(yī)用不銹鋼的一個主要發(fā)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(wěn)定不銹鋼的奧氏體組織結(jié)構(gòu),從而使不銹鋼繼續(xù)保持其優(yōu)異的力學(xué)性能、耐腐蝕性能和生物學(xué)性能。

從近年來新修訂的國際標(biāo)準(zhǔn)IS05832-9(低Ni+N醫(yī)用奧氏體不銹鋼,對應(yīng)美國標(biāo)準(zhǔn)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(xué)性能和耐腐蝕性能。這類不銹鋼中的Ni含量較傳統(tǒng)的316L不銹鋼都有明顯降低,而且表現(xiàn)出更為優(yōu)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(yīng)材料標(biāo)準(zhǔn),并開發(fā)出相應(yīng)的新型醫(yī)用不銹鋼,中國也修訂發(fā)布了外科植入用低Ni+N不銹鋼的材料標(biāo)準(zhǔn)YY060519-2007(等同于IS05832-9,對應(yīng)ASTMF1586)。

從表2給出的美國ASTM標(biāo)準(zhǔn)中的外科植入用不銹鋼的化學(xué)成分,可以看出外科植入用不銹鋼的發(fā)展演變過程和趨勢。醫(yī)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(jīng)濟又對人體無害,并且加N后能明顯提高不銹鋼的力學(xué)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(fā)并已經(jīng)應(yīng)用在歐美醫(yī)療市場上,部分和逐漸替代現(xiàn)有Cr-Ni型奧氏體不銹鋼,用于加工各種骨固定器械及手術(shù)器械。從表3給出的美國ASTM標(biāo)準(zhǔn)中的外科植入用不銹鋼的力學(xué)性能可以看出,隨著醫(yī)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(tǒng)使用的316L或317L不銹鋼強度的2倍以上,達到醫(yī)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(biāo)準(zhǔn)中的外科植入用不銹鋼化學(xué)成分(w/%)

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

表5部分醫(yī)用高N無Ni不銹鋼的力學(xué)性能