医用不锈钢 医用不锈钢与普通不锈钢有什么区别？存在的问题与不足

1前言

不锈钢是一种特殊的钢材，钢中的铬含量应超过12%，以保证其特殊的耐腐蚀性。根据耐蚀性和强度要求的不同，不锈钢可分为奥氏体(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+沉淀相)根据其微观结构。以AISI316L和317L为代表的奥氏体不锈钢是最常用的外科植入金属材料，其他类型的不锈钢也是如此。1926年，18%Cr-8%Ni不锈钢(AISI304)首先被用作骨科的植入材料，之后也被用于口腔医学。到1952年，含2%钼的AISI316不锈钢开始应用于临床，并逐渐取代304不锈钢。为了解决不锈钢的晶间腐蚀问题，20世纪60年代，具有良好生物相容性、力学性能和较好耐腐蚀性的超低碳不锈钢AISI316L和AISI317L开始在医学领域应用。

2医用不锈钢的特点

与工业结构用不锈钢相比，医用不锈钢要求在人体内保持优异的耐腐蚀性能，以减少金属离子的溶解，避免晶间腐蚀、应力腐蚀等局部腐蚀现象，防止植入器械的失效和断裂，保证植入器械的安全。医用不锈钢，尤其是植入式不锈钢，含有较高的合金元素如Ni、Cr(通常满足普通不锈钢的上限要求)，较低的杂质元素如S、p，明确规定钢中非金属夹杂物的尺寸应分别小于115级(细体系)和1级(粗体系)，而普通工业不锈钢的标准对夹杂物没有提出特殊要求。

表1列出了医用植入不锈钢和相应的普通不锈钢的化学成分比较。为了避免医用不锈钢的晶间腐蚀，还要求有较低的C含量，而早期规定C含量不应高于0.108%和0.103%(质量分数)。随着冶金技术的进步和应用要求的提高，近年来修订的医用不锈钢国内外标准中，要求钢中的C含量不超过0.103%(如ASTMF138-03、ASTMF139-03、ISO5832-1-2007、GB4234-2003)。

表1医用植入不锈钢与相应普通不锈钢的化学成分比较(w/%)

医用不锈钢中常用的316L或317L奥氏体不锈钢的强度和硬度在固溶状态下较低，但可以通过冷加工变形来提高(见图1)。因此，临床上使用的外科植入用不锈钢通常处于冷加工状态(冷加工变形约为20%)，以满足植入设备所需的高强度和高硬度，但冷加工状态增加了医用不锈钢应力腐蚀和腐蚀疲劳损伤的敏感性。

图1医用不锈钢力学性能与冷加工变形的关系

医用不锈钢因其良好的生物相容性、良好的力学性能、优异的体液耐腐蚀性和良好的加工成型性，已成为一种广泛使用的医用植入材料和医用工具材料。医用不锈钢广泛用于制作各种人工关节和骨折内固定器械，如人工髋关节、膝关节、肩关节、肘关节、腕关节、踝关节、指关节、各种规格的截骨连接件、加压钢板、鹅头螺钉、脊柱钉、骨牵引丝、人工椎体等。，以及颅骨板和人造椎体。在牙科中，医用不锈钢广泛应用于牙齿嵌体、牙齿矫正、牙根种植及辅助器械，如各种牙冠、牙桥、固定托槽、卡环、基托、各种规格的镶嵌件、牙齿正畸弓丝、义齿、颌骨缺损修复等。在心脏外科手术中，医用不锈钢用于制造心血管支架。医用不锈钢除了加工各种手术器械外，还用于加工各种医用手术器械或工具。

近年来，对医用不锈钢丝、棒材、骨科专用板材、螺钉等半成品的需求。，质优价廉，在中国医疗器械行业大幅增长，每年达到数百吨以上。中国医疗器械市场所需的医用不锈钢主要有304、317L、420J2、3cr13mo、6cr13mo、00cr18ni14mo3、00cr18ni15mo3等。抚顺特钢公司和上海宝钢集团不锈钢分公司作为国内医用不锈钢的主要生产厂家，一直在参与国家医用不锈钢标准的修订。但我国医用材料标准的修订一直进展缓慢，基本遵循国际标准，只有微小的调整。目前国内医用植入不锈钢只有GB4234(基本相当于ISO5832-1和ASTMF138)和YY060519-2007(相当于IS05832-9，相当于ASTMF1586)两个标准，医用不锈钢的标准化远远落后于美国(目前已修订了6种手术植入不锈钢)。因此，新医用不锈钢的标准修订也是我国未来医用不锈钢研发的重要组成部分。

3医用不锈钢的问题和不足

医用植入式奥氏体不锈钢虽然具有优异的综合性能，但在长期临床使用中仍存在一些不可避免的问题和不足。首先，医用不锈钢的高密度(约718g/cm3)、高强度(300~1000MPa)、高弹性模量(约200GPa)等特性与骨组织的力学性能不匹配，导致应力屏蔽效应，容易导致骨质疏松、骨吸收或骨萎缩。但由于缺乏足够的机械应力刺激，骨组织不易在骨折部位形成骨痂，容易发生二次骨折。

其次，医用不锈钢在生物环境中的腐蚀或磨损。医用不锈钢在人体内的主要腐蚀形式是缝隙腐蚀，其次是晶间腐蚀和点蚀，也有微动腐蚀和应力腐蚀开裂的报道。一般来说，种植体使用时间越长，腐蚀越严重。腐蚀可能会对不锈钢的力学性能和生物相容性产生强烈的影响，不仅会影响材料或器件的使用寿命，还会因金属溶解而引起植入物周围组织的局部坏死和炎症反应，导致炎症、过敏、癌变等全身性反应，影响宿主的健康。

三是医用不锈钢中所含的N、iCr等金属离子的溶解及相应的组织反应。医用植入用奥氏体不锈钢通常含有10%以上的镍，以稳定不锈钢的奥氏体结构。大量临床研究证明，镍是一种潜在的人体致敏物质。Ni及其化合物对人体的常见损害为Ni接触性皮炎，发病率较高，过敏患者多发生湿疹。镍离子在生物体内的富集可能诱发毒性效应，导致细胞破坏和炎症，从而对生物产生致畸和致癌作用。

统计显示，随着现代工业的快速发展，对镍过敏的人数明显增加。图2显示了近几十年来镍过敏的增长情况。在植入体内的316L不锈钢板和螺栓周围的组织中发现，镍离子的浓度在(116~1200)mg/L范围内，含镍金属植入物腐蚀引起的镍离子最大释放速率约为20Lg/kg#d-1[7]。根据kêster等人[8]的研究，不锈钢支架内N、iCr、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，不锈钢在人体内是生物惰性的，表面没有生物活性。植入人体后与周围身体组织结合不牢固，容易松动，有时会影响植入的治疗效果。

图2对镍过敏的青少年人数呈上升趋势

医用不锈钢的研究与发展

4.1医用无镍奥氏体不锈钢

鉴于镍元素造成的危害，近年来，许多国家对生活用品和医用金属材料中的镍含量提出了越来越高的要求，相关标准允许的最高镍含量也越来越低。在1994年颁布的欧洲议会94/27/EC标准中，要求植入人体的材料(植入材料、矫形假牙等)中的Ni含量。)不应超过0.105%；用于金属材料(珠宝、手表、戒指、手镯等。)长期接触人体皮肤者，其镍含量每周不应超过0.15 LG/cm2。鉴于含Ni医用金属材料可能对人体健康造成的危害，专家建议，最好的办法是严格禁止或限制各种金属材料(如植入器械、牙科材料、首饰等)中的Ni含量。)与人体直接接触。

鉴于医用不锈钢性能优异、制造技术成熟、价格低廉、临床应用广泛，为避免镍元素溶解引起的不良组织反应，近年来，在通过冶金和加工技术不断提高现有医用不锈钢综合性能的基础上，研发医用低镍无镍奥氏体不锈钢已成为世界医用不锈钢的一大发展趋势。原理是用廉价的N元素(或N和Mn的联合作用)代替不锈钢中昂贵的Ni元素来稳定不锈钢的奥氏体结构，使不锈钢保持其优异的力学性能、耐腐蚀性能和生物性能。

从近年新修订的国际标准IS05832-9(低Ni+N的医用奥氏体不锈钢，对应美国标准ASTMF1586)可以看出，用N元素代替不锈钢中的部分Ni，可以显著提高不锈钢的力学性能和耐腐蚀性能。与传统的316L不锈钢相比，这种不锈钢中的镍含量明显降低，表现出更好的抗模拟体液腐蚀性能。这是一种很有潜力的新型不锈钢植入材料。欧美等国家制定了相应的材料标准，开发了相应的Ni+N医用不锈钢。我国还修订发布了外科植入不锈钢的材料标准YY060519-2007(相当于IS05832-9，对应于ASTMF1586)。

从表2给出的美国ASTM标准中手术植入不锈钢的化学成分可以看出手术植入不锈钢的演变过程和趋势。医用不锈钢中的镍含量逐渐减少到微量([0105%)，而钢中的氮含量从011%逐渐增加到1%。

比起Ni元素。元素氮对人体经济无害，添加氮可显著提高不锈钢的力学性能和耐腐蚀性能..ASTMF2229推荐的高N无镍不锈钢由美国卡彭特公司开发，已应用于欧美医疗市场，部分并逐步替代现有的铬镍奥氏体不锈钢加工各种骨固定器械和手术器械。从表3给出的美国ASTM标准中手术植入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，不锈钢的强度大大提高，是传统316L或317L不锈钢的两倍以上，达到医用Co-Cr合金的强度水平，而不锈钢的塑性保持在较高水平。

表2美国材料试验标准中外科植入用不锈钢的化学成分(w/%)

表3美国材料试验标准中外科植入用不锈钢的一些机械性能

鉴于铬镍医用不锈钢如316L或317L中的镍危害，钢中氮的各种有益作用(提高强度、韧性和耐腐蚀性)，以及高氮钢在工业上的成功生产和应用，国际上从20世纪90年代开始研究和开发医用高氮无镍奥氏体不锈钢。1996年，门泽耳等人[10]分析了高氮无镍奥氏体钢在医学领域应用的可行性，并对Fe-18Cr-18Mn-2Mo-1N高氮无镍不锈钢的组织和性能进行了综合研究。通过降低钢中Gr和Mn的含量，适当提高Mo的含量，研制出高氮无镍医用不锈钢Fe-15cr-(10-15) Mn-4Mo-019n。1999年，Thomann等人[11]研究了PANACEAP558高N无镍不锈钢(Fe-17Cr-10Mn-3Mo-0149N)在37e模拟体液中的耐磨性，表明其耐磨性优于含Ni的ISO5832-1和ISO5832-9医用不锈钢，非常适合制作外科植入器械。1999年，卡彭特公司发布了新开发的BioDurm108高n无镍奥氏体不锈钢(Fe-21Cr-22Mn-1Mo-1N)，具有良好的力学性能和生物相容性，并于2002年列入ASTM标准(F2229-02)[12-13]。Montanaro等人[14]表明，P558高氮无镍不锈钢无细胞毒性、遗传毒性和致突变性。考虑到Mn的毒性及其对耐蚀性的不利影响，黑田东彦等人制备了小尺寸、高氮、无镍、无Mn的Fe-24Cr-2Mo-(0162~0192)N不锈钢，在细胞毒性试验中表现出良好的生物相容性(见图3)。

图3高温渗氮前后Fe-24CR-2MO不锈钢表面细胞培养及其与316L不锈钢的比较

与添加n的铬镍不锈钢(Fe-21cr-10n-i4mn-2mo-0143n，iso5832-9)相比，FiNi等人[17-18]研究了P558高n无镍奥氏体不锈钢在体外细胞培养并植入绵羊胫骨26周后的形态和组织相容性(见图4)[17]。结果表明，高氮无镍不锈钢植入绵羊胫骨26周后，骨组织形态学检测结果达到69.196%，明显高于对照含镍不锈钢(55.106%)，略好于Ti6Al4V合金(67.133%)。它表现出优异的组织相容性，适用于硬组织植入材料。最近，Weissr等人探索应用高氮无镍奥氏体不锈钢DINEN114452(接近ASTMF2229-02)制作心血管支架，以利用其更好的支撑力，开发更细尺寸的支架网。

近年来发展起来的一些高氮无镍医用奥氏体不锈钢的化学成分和力学性能分别见表4和表5，大致可分为Fe-Cr-n、Fe-Cr-mo-n、Fe-Cr-Mn-mo-n3高氮无镍奥氏体不锈钢，其强度和硬度与医用钴基合金相近，但塑性较好。高N无镍不锈钢，如美国卡彭特公司开发的BioDurm108和中国科学院金属研究所开发的BIOSSN4也表现出较好的耐腐蚀性和生物相容性。

图4。NCr-Ni不锈钢(Fe-21Cr-10N-i4Mn-2Mo-0143N)(a)和高无氮不锈钢(Fe-17Cr-10Mn-3Mo-0149N)(b)植入绵羊胫骨26周的组织切片照片

表4某些高氮无镍医用不锈钢的化学成分(w/%)

高氮无镍奥氏体不锈钢具有优异的综合性能和生物相容性，但其生产加工技术仍是限制其应用和发展的重要环境。目前，高氮不锈钢的制备方法有热等静压熔炼、压力感应炉熔炼、粉末冶金、高温氮渗透等。，但只有压力电渣重熔技术适合工业化大生产，但仍存在N分布不均匀等问题。

表5医用高氮无镍不锈钢的力学性能

近年来，高温固相渗氮工艺制备小尺寸高氮钢和高氮无镍医用不锈钢的技术受到重视。黑田东彦等[15-16，21，25]采用高温固相渗透法制备了高氮、无镍、无锰的小尺寸不锈钢(Fe-24Cr-1N和Fe-24Cr-2Mo-(0162~0192)N)。此外，Alvarez等人【26-27】通过在一定的氢压下连续熔化铁铬或铁铬钼不锈钢，获得孔隙率约为50%，孔径约为150Lm的莲花状多孔不锈钢，然后通过高温氮渗透获得各种孔隙率的高氮无镍不锈钢多孔材料，可以有效调节不锈钢的弹性模量等力学性能。植入小鼠腿骨12周后，表明该材料具有优异的组织相容性，有望用于骨科修复等领域。但在一定温度范围内，如果高氮无镍不锈钢中的氮含量达到过饱和状态，就会析出不同形态的氮化合物，如Cr2N和CrN [28-29]，对不锈钢的性能产生不利影响。因此，虽然高温氮渗透工艺可以解决小尺寸高氮无镍不锈钢的制备，但必须控制其氮含量，防止氮化合物沉淀。

结果表明，与临床使用的316铬镍不锈钢相比，高无氮不锈钢具有更好的抗血小板粘附能力(见图5)和更长的动态凝固初凝时间(高25%~60%)。随着不锈钢中氮含量的增加，其抗凝血性能越来越好。但其相关机制有待进一步研究。

图5新鲜人血浆浸泡2小时后不锈钢表面血小板粘附照片:(a)316L不锈钢，(b)无镍0146%N不锈钢，(c)无镍0164%N不锈钢，(d)无镍0181%N不锈钢

高氮无镍不锈钢与医用钴铬钼合金(Co62-Cr28-Mo6，其余为ni等)力学性能(见表6)和生物性能对比研究。)表明，高氮无镍不锈钢的力学性能与钴铬钼合金相近，而其抗点蚀性和血液相容性明显优于钴铬钼合金，表现出更高的点蚀点和更长的动态凝固初凝时间(高于其他合金)。中国科学院冶金研究所利用高氮无镍奥氏体不锈钢的这些优点，目前正在开发无镍不锈钢骨固定装置和抗凝血不锈钢心血管支架等产品，并于近期成功完成了骨固定装置的动物试验。

表6高氮无镍不锈钢(0162%氮)与钴铬钼合金力学性能对比

大量的临床应用研究表明，与目前临床广泛使用的医用不锈钢316L或317L相比，高氮奥氏体医用不锈钢具有更好的力学性能、耐腐蚀性、耐磨性和抗腐蚀疲劳性，更好的生物相容性，更低的材料成本和更好的加工成型性。由于不含具有潜在毒副作用的Ni元素，作为人体植入材料具有很大的应用优势，将显著提高医用金属植入材料的长期使用安全性。

图6在新鲜等离子体中浸泡3小时的高氮无镍不锈钢(0162%N)和钴铬钼合金(Co62-Cr28-Mo6)表面血小板粘附照片:(a)和(b)高氮无镍不锈钢；钴铬钼合金

4.2医用不锈钢的表面改性

表面改性处理不仅可以有效提高医用不锈钢的耐腐蚀性和耐磨性，还可以进一步提高其生物相容性，甚至使表面具有生物活性。近年来，国内外学者在这一领域进行了大量的研究，主要集中在骨、牙等硬组织的不锈钢种植体表面改性和不锈钢心血管支架等方面。目前，应用于医用不锈钢的表面改性方法主要包括表面合金化、陶瓷化、功能化等表面涂层处理技术。

在不锈钢心血管支架表面涂覆一层高分子膜或涂覆一层带有抗凝血基因的内皮细胞膜，可以改善支架的生物学特性，有效减少血栓形成，提高支架的血液相容性。

图7涂覆类金刚石碳膜的不锈钢支架与原支架在人血浆中金属离子溶出的比较:(and后的金属离子，(b)4d后的金属离子

图7显示了在不锈钢心血管支架表面涂覆类金刚石碳膜后金属离子溶解的差异[38]。可以看出，覆膜支架的金属离子溶出度大大降低。此外，在不锈钢心血管支架表面涂覆药物已实现临床应用。

离子注入技术已成功应用于提高金属材料的表面硬度和耐磨性，也逐渐应用于提高医用金属材料的耐腐蚀性和生物相容性。医用不锈钢的离子注入可以提高其机械性能，如硬度、耐磨性和抗疲劳性，对提高医用不锈钢的临床安全性和使用寿命具有重要意义。为了提高医用316L不锈钢的耐磨性，通常采用氮离子注入。当表层植入适当厚度的氮离子改性层时，人工股骨头关节头的耐磨性及其在模拟体液中的耐蚀性将显著提高[39]。通过热喷涂、烧结、化学气相沉积和物理气相沉积(PVD)，可以在不锈钢表面制备不同类型的涂层。通过在不锈钢基体表面制备生物惰性或活性涂层，可以提高不锈钢植入物的耐腐蚀性、生物相容性和血液相容性，其中类金刚石膜、氮化钽膜、碳化硅膜、羟基磷灰石涂层、聚合物涂层、纤维涂层、仿生涂层和生物玻璃陶瓷涂层得到了广泛的研究。在不锈钢表面使用氧化铝、氧化锆、氮化钛等生物惰性材料作为涂层材料，可以防止不锈钢基体中有害离子的溶解，抑制基体的腐蚀，使其具有比不锈钢基体更好的生物相容性。目前，陶瓷涂层材料主要用于金属植入物，如羟基磷灰石、生物玻璃陶瓷等。与人体骨组织和软组织结合良好，已应用于临床。

4.3抗菌不锈钢

90年代末，日本钢铁公司率先在国际上研发具有抗菌功能的不锈钢。含银抗菌不锈钢r304-ab、r430-ab和r430ln-ab由日本川崎钢铁股份有限公司[40]首次公布开发，其对大肠杆菌的杀菌率均在99%以上，表现出优异的抗菌性能。日本日清钢铁股份有限公司[41]开发了3个系列的含铜抗菌不锈钢NSSAM、LNSSAM、NSS3，制造和抗菌性能良好，对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、铜绿假单胞菌、沙门氏菌等常见细菌有较强的杀灭作用。抗菌不锈钢作为一种集结构和功能于一体的新型材料，在健康和疾病预防领域具有广阔的应用前景。

本世纪初，中国科学院金属研究所率先在国内研发Cu系抗菌不锈钢，先后开发出铁素体、奥氏体、马氏体等多种类型的抗菌不锈钢[42-44]。这些抗菌不锈钢不仅具有很强的广谱抗菌性能(见表7)，而且具有与普通不锈钢相同的力学性能、耐腐蚀性和加工性能。目前，宝钢、TISCO、浙江天宝、Xi交通大学等多家单位已在国内研发抗菌不锈钢。

表7抗菌不锈钢的广谱抗菌性能

在临床医疗中，植入式医疗器械在使用前必须经过一系列非常严格的消毒灭菌过程，但这些措施并不能完全降低患者遭受细菌感染的可能性。作为一种常见的术后并发症，医疗器械引起的细菌感染已成为21世纪医学领域亟待解决的问题。据统计，美国每年与骨科植入物相关的感染发生率约为41.3%。此外，根据世界卫生组织(WHO)发布的5份医院感染防治实用手册中的相关数据，全球每天有1400多万人患有医院感染，其中60%的细菌感染与使用的医疗器械有关。骨科植入物相关感染中常见细菌的比例如图8所示[45]，金

金黄色葡萄球菌和表皮葡萄球菌是引起骨科植入器械感染的主要细菌，分别占34%和32%，其他球菌占13%。变形链球菌(致龋菌)和牙龈卟啉单胞菌(牙周致病菌)等厌氧菌是正畸器械细菌感染的主要原因[46]。

图8骨科植入物相关感染中常见细菌的比例

植入式医疗器械引起的感染通常需要长期依赖抗生素甚至多次手术才能治愈，给患者的身心带来极大的痛苦。研究开发具有抗菌感染功能的生物医用材料，使其具有长期自动杀菌功能，从而减少感染环节，降低感染概率，减少抗生素的使用，具有重要的临床意义和广阔的应用前景。中国科学院金属研究所利用抗菌不锈钢独特的杀菌性能，目前正在研发具有抗菌感染功能的新型不锈钢医疗器械。

5结论

我国不锈钢医疗器械市场潜力巨大，但相关产业基础还比较薄弱，产品技术和质量普遍处于国际中游水平。特别是在不锈钢医疗器械产品的设计、制造和综合配套能力上，无法完全提供各种满足临床需求的产品，需要更大的技术提升。中国医用不锈钢材料及相关医疗器械行业未来在国内外市场将面临巨大的机遇和挑战，应继续向更高水平发展。

我国对高氮无镍医用奥氏体不锈钢、抗菌不锈钢等新型医用不锈钢及相关表面改性技术的研究与国际发展水平相当。随着无镍不锈钢抗凝血机理、抗菌不锈钢抗菌机理、医用不锈钢表面活化、新型医用不锈钢生物安全和机械相容性基础研究的深入，将进一步推动具有自主知识产权的新型医用不锈钢的临床应用和新型不锈钢医疗器械的设计制造，产生新的社会效益和经济效益。