王青川, 张炳春, 任伊宾, 杨柯
中国科学院金属研究所 沈阳 110016
WANG Qingchuan, ZHANG Bingchun, REN Yibin, YANG Ke
中图分类号: TG142.71,R318.00
文章编号: 0412-1961(2017)10-1311-06
通讯作者:
收稿日期: 2017-07-3
网络出版日期: 2017-10-11
版权声明: 2017 《金属学报》编辑部 《金属学报》编辑部
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作者简介 王青川,男,1987年生,博士
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摘要
医用无镍不锈钢比传统不锈钢具有更加优异的综合性能,在骨组织和血管修复等医疗器械领域中具有广阔的应用前景。近些年无镍不锈钢作为医用金属材料的优异性能正在被逐步挖掘,这对开发具有更高服役安全性和生物相容性的医疗器械具有重要意义。本文主要综述了无镍不锈钢在合金设计、力学性能、耐蚀性和生物相容性方面的研究进展以及产品开发现状,展望了这一新型医用金属材料的未来发展趋势。
关键词：
Abstract
Biomedical nickel-free stainless steels acquire better comprehensive properties than the traditional stainless steels, with wide application prospect in medical devices for bone and vascular repair. As a new biomaterial, in recent years, the excellent properties of nickel-free stainless steels are gradually verified, which is meaningful for developing medical devices with higher safety and biocompatibility. In this paper, the research progress on alloy design, mechanical properties, corrosion resistance and biocompatibility of nickel-free stainless steels and the current application status are reviewed, and the future tendency on research and development for this new metallic biomaterial is also proposed.
Keywords：
不锈钢具有优异的综合性能,作为植入材料在医疗器械领域中的使用已经有上百年的历史[1]。自20世纪50年代316L奥氏体不锈钢发展成熟后,至今广泛用于骨科、齿科和心血管支架等临床治疗。然而,医用不锈钢仍存在因强度不足导致的植入物断裂、腐蚀产生的无菌性松动和金属离子溶出引发的毒性反应等问题。为了进一步提高植入器件的安全性和有效性,近些年在传统奥氏体不锈钢的基础上,人们开发出具有更加优异的力学性能、耐蚀性能、生物相容性和生物功能的新型不锈钢[2-4]。其中,无镍不锈钢具有更加优异的综合性能,已经成为未来医用不锈钢的发展趋势。
无镍不锈钢有效避免了镍离子溶出对人体产生的致敏、致畸等危害[5],并且具备异常优异的力学性能和耐局部腐蚀能力。随着研究的深入,无镍不锈钢的特殊性能正在得到进一步发掘。无镍不锈钢的发展历史、制备及性能等方面的研究已经被多次总结报道[4,6-8],本文主要聚焦于无镍不锈钢研究与应用方面的新进展,并展望其未来发展趋势。
N是强烈的奥氏体稳定元素。无镍不锈钢中以较高的N含量(大于0.4%,质量分数)代替Ni元素来稳定不锈钢的奥氏体组织,因此又称为高氮无镍不锈钢[9]。为了增加N在钢中的固溶度,一般会加入大量的Mn元素。在以往的研究工作中报道了多种系列的无镍不锈钢,其中包括P558合金、P2000合金,以及美国Carpenter公司开发的BioDur 108合金等。自本世纪初,中国科学院金属研究所开发出BIOSSN高氮无镍不锈钢,其名义成分为Fe-18Cr-15Mn-2Mo-(0.5~1.0)N。随着研究的深入,无镍不锈钢的成分需要进一步优化以获得更加优异的性能,而稳定的奥氏体组织是无镍不锈钢获得优异性能的基础。
为了预测不锈钢的组织并用于合金设计,在过去的半个多世纪,人们提出了很多相关相图。1949年Schaeffler[10]最早提出了预测不锈钢焊接组织的Ni当量公式及其相图,之后为了更准确地预测不锈钢组织,该相图又被多次修正[11-13]。其中Speidel等[13]修正后的Schaeffler相图已被广泛应用于高氮钢的成分设计[14]。然而大量研究[15-17]发现,修正前后的Schaeffler相图均不能准确地预测高Mn含量的高氮无镍不锈钢的组织。
针对高氮无镍不锈钢的组织稳定性,近期本文作者利用热力学计算数据提出了新的N当量公式和相图[18],表示如下：
式中,系数Neq和Creq表示对应每个元素的N当量或Cr当量,M%表示元素M的质量分数。若高氮钢在1423 K (1150 ℃)获得全奥氏体组织,其化学成分需满足以下关系：
如图1[18]所示,利用实验结果验证,发现新的相图能够准确地预测高氮无镍不锈钢组织。
图1 高氮无镍不锈钢相图及组织的实验结果[
Fig.1 Constitution diagram for high nitrogen nickelfree stainless steel (HNS) summarized from data of experimental and commercial stainless steels[18] (Solid symbols represent full austenite,opensymbolsrepresent d-ferrite+austenite)
进一步研究[19]发现,Mn与Cr、Mo元素间存在强烈的相互作用。利用这种相互作用很好地统一了过去几十年间提出的不同相图。另外,还首次提出了这些相图的适用范围,即相图仅适合于与提出相图时所用钢中Mn含量相近的不锈钢。这些研究结果将为无镍不锈钢的成分优化提供更精确的指导。
N作为间隙原子对不锈钢具有强烈的强化效果。在几乎不降低塑性的同时,无镍不锈钢的强度随N含量的增加呈线性提高[20]。为了获得更加优异的力学性能,医用无镍不锈钢往往选择更高的N含量。Zhao等[21]研究了N含量为0.9% (质量分数)的BIOSSN不锈钢,发现其塑性与316L不锈钢相当,强度超过316L不锈钢的2倍,并且其加工硬化能力优异。另外,BIOSSN不锈钢还具有优异的耐磨性。因此,较高N含量的无镍不锈钢作为植入材料具有更高的生物力学安全性。
虽然高氮无镍不锈钢的室温力学性能优异,但是其表现出典型的低温脆性,并且随N含量的升高,其韧脆转变温度大幅提高。Hwang等[22]提出韧脆转变温度(DBTT)可由下式计算：
由式(4)可见,当N含量超过1.0% (质量分数)时,高氮无镍不锈钢DBTT可以达到甚至超过室温。最近Mohammadzadeh等[23]在1.2% (质量分数)N含量的无镍不锈钢中再次证实了该结论,而这种脆性行为大大限制了其适用范围。
1969年,Defilippi等[24]最早发现了含N不锈钢的低温脆性行为,并认为这与其低温变形时产生的大量层错有关。之后的研究对高氮钢的低温脆性提出了不同的机制解释。Tomota等[25,26]提出沿{111}平面滑移而导致脆断的机制。Müllner[27]认为,低温脆性与变形产生的极薄孪晶和较低的位错密度有关。而Wang等[28]和Hwang等[22]认为,低温脆性与形变马氏体的产生有关。至今高氮无镍不锈钢的韧脆转变机制仍然存在争议。近期Tanaka等[29]研究结果发现,高氮无镍不锈钢中加Cu明显地降低了其韧脆转变温度,但是其低温脆性行为并未被消除。
医用不锈钢的耐蚀性能尤其是耐点蚀能力,对植入物的安全性有很大影响。如股骨柄因疲劳引发的断裂失效就与点蚀坑产生的应力集中相关[30,31]。另外,临床结果显示不锈钢髋关节假体植入数年后表面出现点蚀,并引发无菌性松动而失效[32]。故医用不锈钢的临床应用对提高其耐点蚀能力的要求仍然迫切。
大量研究表明,无镍不锈钢的耐点蚀能力随钢中的N含量呈线性增长[33]。高氮无镍不锈钢的耐点蚀电位甚至达到传统不锈钢的2倍。Olsson等[34]提出了不锈钢耐点蚀能力当量(PRE)公式：PRE=%Cr+3.3×%Mo+16×%N。该公式也说明N元素对提高不锈钢的耐点蚀能力具有强烈影响。然而,为了增加植入器械的强度,不锈钢往往在冷加工状态下服役。Brunski[35]提到316L不锈钢使用时往往保持在30%左右的冷变形。研究[36]表明,严重冷变形,即变形量大于20%时,变形产生的缺陷会明显地削弱不锈钢的耐点蚀能力。这将大大增加不锈钢植入物包括髋关节假体、血管支架等因腐蚀而导致的失效风险。
Fu等[37]研究发现,无镍不锈钢中N含量较低时,严重冷变形对耐点蚀能力的不利影响非常明显。但当N含量继续升高时,Ren等[38]研究发现这种不利影响被明显削弱。近期本文作者[39]研究发现,当N含量大于0.9% (质量分数)时,冷变形带来的不利影响被完全消除,结果如图2[39]所示。深入的研究表明,无镍不锈钢的特殊耐蚀性与其含有N富集层的特殊钝化膜结构有关。该研究结果为开发具有更高耐点蚀性能的不锈钢植入器械提供了新的方向。
图2 冷变形对2种N含量无镍不锈钢极化曲线的影响[
Fig.2 Potentiodynamic curves of 0.76%N (mass fraction) (a) and 0.92%N (b) HNS under different cold working levels[
无镍奥氏体不锈钢以N代替Ni,避免了镍离子释放对人体的危害。体外细胞实验结果表明,与传统的含Ni不锈钢(如316L)和NiTi合金相比,高氮无镍不锈钢具有更高的细胞增值率[40,41]。ASTM F2229标准显示,BioDur 108合金通过了所有的生物相容性检测,即高氮无镍不锈钢具有优异的生物相容性[6]。
在动物体内骨植入实验方面,Fini等[42]将P558无镍不锈钢植入羊胫骨26周后,结果显示无镍不锈钢与骨组织的结合优于含Ni的高氮不锈钢和Ti6Al4V合金。研究认为高氮无镍不锈钢促进了成骨细胞的分化。最近,上海交通大学第九人民医院将无镍不锈钢植入兔胫骨[43],结果显示无镍不锈钢与骨组织的结合比例、新生骨面积以及骨结合力都明显优于传统的316L不锈钢,如图3[43]中所示。另外该研究还认为,钢中的N和Mn元素共同促进了无镍不锈钢的骨诱导和长期骨整合的能力。
图3 骨和植入物界面的组织和生物力学分析[
Fig.3 Histological and biomechanical analyses of bone-implant interfaces[
(a) histological observation of undecalcified sections: pink tissue-old bone (OB) and crimson tissue-new bone (NB)
(b) percentage of bone-implant contact and new bone area from the histomorphometric measurements (a—p<0.05, b—p<0.01 when compared to 316L SS; P.I—post implantation)
(c) bonding strength at bone-implant interfaces from push-out test (*—p<0.05)
另外,研究表明无镍不锈钢作为心血管支架材料也具有更优异的生物相容性。中国科学院金属研究所研究了高氮无镍不锈钢表面的血小板黏附和动态凝血时间,发现与传统316L不锈钢相比,高氮无镍不锈钢具有更加优异的血液相容性[44,45]。其原因可能是无镍不锈钢避免了镍离子与人血清蛋白结合并导致血液变性的反应[46]。
支架内再狭窄是目前经皮冠状动脉介入治疗中面临的亟待解决的问题。再狭窄的主要原因是支架植入后血管平滑肌细胞的过度增殖所导致的新生内膜增生。也有研究[47,48]认为Ni等金属离子溶出引起的过敏反应可能是支架内再狭窄发生的重要原因。近期有研究[49,50]也发现高氮无镍不锈钢表面的内皮化速率更快,并且平滑肌细胞增殖速率更低。
日本东京大学开展了相关的动物实验,结果如图4[51]所示。研究结果表明,与316L不锈钢支架相比,无镍不锈钢支架植入猪的冠状动脉后,具有更低的再狭窄率。研究者认为这与无镍不锈钢可以避免镍离子所引发的平滑肌细胞中缺氧诱导因子的增多有关。中国科学院金属研究所利用BIOSSN无镍不锈钢开发出新型冠脉支架,并且开展了猪冠脉植入的大规模动物实验。实验结果表明,与传统316L不锈钢相比,无镍不锈钢支架具有更快的内皮化速率[52]和更低的内膜增生程度[53]。
图4 猪冠状动脉植入无镍不锈钢支架后内膜增生降低[
Fig.4 Neointima formation after coronary stenting in pig was reduced by high nitrogen Ni-free stainless steel stent after 28 d implantation[
(a) percentage of in-stent restenosis evaluated using angiography; n=20 and 17 in the 316L and Ni-free stents groups, respectively (*—p<0.05)
(b) representative sections of stented arteries stained with hematoxylin/eosin (L—lumen, N—neointima, M—media)
由于具有优异的综合性能,高氮无镍不锈钢在多个领域中已经逐渐开始应用。在工业领域中最经典的应用案例是大型火力发电机转子护环用钢,并且目前已经成为该产品的唯一用钢。在医疗器械方面,高氮无镍不锈钢作为医用材料已经在骨科和血管疾病治疗领域中开发出相关产品,并开始了临床应用。
美国Zimmer等公司利用BioDur 108合金开发出空心螺钉系统,其具有深螺纹、大孔径的特点,且不降低螺钉强度[54],其已经在临床上大量应用。加拿大Trendy MED公司利用BioDur 108合金开发出具有更低的网丝厚度和表面覆盖率的冠脉支架,且临床实验效果明显。目前,该支架产品在加拿大已通过特别计划(special access program)的形式销售[55]。国内中国科学院金属研究所杨柯团队利用BIOSSN无镍不锈钢开发的新型冠脉支架产品取得了突破性进展[53],并于近期报道了前期动物实验结果和一期临床实验结果。其中临床随访结果显示,植入无镍不锈钢支架4个月后,30例病人均无明显再狭窄发生。BIOSSN冠脉支架避免了目前临床使用支架中Ni离子溶出对人体的危害,同时还具有网丝薄、变形均匀、柔顺性和支撑力优异等优势。
相对于传统不锈钢,无镍不锈钢具有更加优异的综合性能,近些年仍是医用金属材料研究的热点,并在多个方面取得重要进展。在合金设计方面,提出能够更加准确预测无镍不锈钢显微组织的N当量公式和相图,对进一步优化无镍不锈钢成分并获得稳定的奥氏体组织具有重要指导意义。
在力学性能方面,以往大量研究均表明,随N含量的增加,无镍不锈钢的强度大幅提高。但由于其低温脆性行为,无镍不锈钢不能通过提高N含量进一步提高力学性能。因而阐明低温脆性机制并提出改善低温韧性的途径,是未来无镍不锈钢的研究目标之一。在耐蚀性方面,发现无镍不锈钢中的N含量足够高时,即使发生严重冷变形仍能保持优异的耐点蚀能力。这些研究为设计具有更高安全服役性能的医疗器件提供了新的材料保障。另外,最新的体外和体内实验结果均表明,无镍不锈钢具有优异的生物相容性和生物功能性,在骨组织和血管修复等医疗器械中具有诱人的应用前景。总之,N和Mn元素的加入使无镍不锈钢获得了优异的综合性能,在未来的研究中还需进一步探索其作为医用材料的特殊性能。
目前,无镍不锈钢空心骨钉已经大量应用于临床,但是国内以无镍不锈钢作为骨植入材料的产品开发依旧空白。然而,中国科学院金属研究所在无镍不锈钢冠脉支架产品的开发方面已取得了突破性进展。目前,包括中国的很多国家已经下调了医用不锈钢标准中的Ni含量,并发布了医用无镍不锈钢标准。随着材料性能的进一步优化和制造成本的降低,医用无镍不锈钢将会有逐渐取代传统医用不锈钢的趋势,从而为临床应用提供具有更高服役安全性和生物相容性的医疗器械。
The authors have declared that no competing interests exist.
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