以下為正文：
1前言
不銹鋼是一類特殊鋼材料,鋼中的Cr含量要超過(guò)12%,以保證其特有的耐腐蝕性能。不銹鋼依據(jù)不同的耐腐蝕性能和強(qiáng)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最常用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(wèn)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(kāi)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(diǎn)
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(duì)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(dá)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(jí)(細(xì)系)和1級(jí)(粗系),而普通工業(yè)用不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)中并不對(duì)夾雜物提出特別要求。
表1列出了醫(yī)用植入不銹鋼與對(duì)應(yīng)普通不銹鋼的化學(xué)成分對(duì)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(gè)級(jí)別(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。隨著冶金技術(shù)的進(jìn)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(guó)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(duì)應(yīng)普通不銹鋼的化學(xué)成分對(duì)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(qiáng)度和硬度均偏低,但可以通過(guò)冷加工變形來(lái)提高其強(qiáng)度和硬度(見(jiàn)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(qiáng)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(lái)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(lái),中國(guó)醫(yī)療器械行業(yè)對(duì)質(zhì)優(yōu)價(jià)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(guó)醫(yī)療器械市場(chǎng)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(tuán)不銹鋼分公司等作為國(guó)內(nèi)醫(yī)用不銹鋼的主要生產(chǎn)廠家,一直參與國(guó)家醫(yī)用不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)的修訂工作。但是中國(guó)醫(yī)用材料標(biāo)準(zhǔn)修訂工作一直進(jìn)展緩慢,基本上是跟隨國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),僅做微小調(diào)整。目前國(guó)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(duì)應(yīng)ASTMF1586),醫(yī)用不銹鋼的標(biāo)準(zhǔn)化工作遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于美國(guó)(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(guó)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(wèn)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(zhǎng)期的臨床使用中,仍然存在一些難以避免的問(wèn)題和不足。首先是醫(yī)用不銹鋼的高密度(約718g/cm3)、高強(qiáng)度(300~1000MPa)以及高彈性模量(約200GPa)等特性會(huì)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、骨吸收或骨萎縮等現(xiàn)象發(fā)生。而骨組織由于缺乏足夠的機(jī)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(wèn)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(diǎn)蝕,微動(dòng)腐蝕和應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂現(xiàn)象也有報(bào)道?？傮w來(lái)說(shuō),植入體使用時(shí)間越久,腐蝕程度越嚴(yán)重。腐蝕可能會(huì)對(duì)不銹鋼力學(xué)性能和生物相容性產(chǎn)生強(qiáng)烈的影響,不僅會(huì)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(guò)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(wèn)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(duì)人體是一種潛在的致敏因子。Ni及其化合物對(duì)人體常見(jiàn)的損害是Ni接觸性皮炎,發(fā)病率較高,過(guò)敏性強(qiáng)者發(fā)生濕疹。Ni離子在生物體內(nèi)富集可能會(huì)誘發(fā)毒性效應(yīng),發(fā)生細(xì)胞破壞和發(fā)炎反應(yīng),對(duì)生物體有致畸、致癌的危害性。
有統(tǒng)計(jì)表明,隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展,對(duì)Ni過(guò)敏的人數(shù)顯著增多,圖2示出了上世紀(jì)幾十年間Ni過(guò)敏的增長(zhǎng)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(rèn)為[8],不銹鋼支架中N,iCr和Mo等金屬離子釋放引起的過(guò)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(wú)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(dòng),有時(shí)會(huì)影響植入治療效果。
圖2對(duì)Ni過(guò)敏青年人數(shù)量的增加趨勢(shì)
4醫(yī)用不銹鋼的研究與發(fā)展
4.1醫(yī)用無(wú)Ni奧氏體不銹鋼
針對(duì)Ni元素帶來(lái)的危害,近年來(lái)許多國(guó)家對(duì)日用品及醫(yī)用金屬材料中的Ni含量制定了越來(lái)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(lái)越低。在1994年頒布的歐洲議會(huì)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(guò)0105%;而對(duì)于長(zhǎng)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(guò)015Lg/cm2為最高限量。針對(duì)含Ni醫(yī)用金屬材料可能對(duì)人體健康造成的危害,專家建議最好的辦法就是嚴(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(jià)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(lái),在通過(guò)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(kāi)發(fā)醫(yī)用低Ni和無(wú)Ni奧氏體不銹鋼已經(jīng)成為國(guó)際上醫(yī)用不銹鋼的一個(gè)主要發(fā)展趨勢(shì)。其原理是利用廉價(jià)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(lái)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(lái)新修訂的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IS05832-9(低Ni+N醫(yī)用奧氏體不銹鋼,對(duì)應(yīng)美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASTMF1586)中可見(jiàn),利用N元素來(lái)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(guó)家都制定了相應(yīng)材料標(biāo)準(zhǔn),并開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的新型醫(yī)用不銹鋼,中國(guó)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(duì)應(yīng)ASTMF1586)。
從表2給出的美國(guó)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(guò)程和趨勢(shì)。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(jì)又對(duì)人體無(wú)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(wú)Ni不銹鋼由美國(guó)Carpenter公司開(kāi)發(fā)并已經(jīng)應(yīng)用在歐美醫(yī)療市場(chǎng)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(guó)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(qiáng)度大幅度提高,是傳統(tǒng)使用的316L或317L不銹鋼強(qiáng)度的2倍以上,達(dá)到醫(yī)用Co-Cr合金的強(qiáng)度水平,而不銹鋼的塑性仍保持較高水平。
表2美國(guó)ASTM標(biāo)準(zhǔn)中的外科植入用不銹鋼化學(xué)成分(w/%)
表3美國(guó)ASTM標(biāo)準(zhǔn)中的外科植入用不銹鋼的部分力學(xué)性能
鑒于316L或317L等Cr-Ni型醫(yī)用不銹鋼中存在的Ni危害和N在鋼中的多種有益作用(提高強(qiáng)韌性和耐蝕性),以及高N鋼在工業(yè)中的成功生產(chǎn)和應(yīng)用,從上世紀(jì)90年代起,國(guó)際上開(kāi)始了醫(yī)用高N無(wú)Ni奧氏體不銹鋼的研究開(kāi)發(fā)工作。1996年Menzel等人[10]分析了高N無(wú)Ni奧氏體鋼在醫(yī)療領(lǐng)域中應(yīng)用的可行性,對(duì)Fe-18Cr-18Mn-2Mo-1N高N無(wú)Ni不銹鋼的組織和性能進(jìn)行了全面研究。通過(guò)降低鋼中的Gr和Mn含量,適當(dāng)提高M(jìn)o含量,開(kāi)發(fā)出Fe-15Cr-(10-15)Mn-4Mo-019N高N無(wú)Ni醫(yī)用不銹鋼。1999年Thomann等人[11]研究了PANACEAP558高N無(wú)Ni不銹鋼(Fe-17Cr-10Mn-3Mo-0149N)在37e模擬體液中的耐磨蝕性能,表明其具有比ISO5832-1和ISO5832-9兩種含Ni醫(yī)用不銹鋼更為優(yōu)異的耐磨損性能,非常適合制作外科植入器械。美國(guó)Carpenter公司在1999年發(fā)布了其新研發(fā)的BioDurm108高N無(wú)Ni奧氏體不銹鋼(Fe-21Cr-22Mn-1Mo-1N),其具有良好的力學(xué)性能和生物相容性,已在2002年列入到ASTM標(biāo)準(zhǔn)中(F2229-02)[12-13]。Montanaro等人[14]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究表明,P558高N無(wú)Ni不銹鋼無(wú)細(xì)胞毒性、遺傳毒性和致突變性?？紤]到Mn元素的毒性和對(duì)耐蝕性的不利影響,Kuroda等人采用高溫滲N處理的方法,制備出小尺寸的Fe-24Cr-2Mo-(0162~0192)N高N無(wú)Ni無(wú)Mn不銹鋼,其在細(xì)胞毒性試驗(yàn)中表現(xiàn)出良好的生物相容性(見(jiàn)圖3)。
圖3Fe-24Cr-2Mo不銹鋼高溫滲N前后表面上的細(xì)胞培養(yǎng)及其與316L不銹鋼對(duì)比
Fini等人[17-18]對(duì)照加N的Cr-Ni不銹鋼(Fe-21Cr-10N-i4Mn-2Mo-0143N,ISO5832-9),研究了P558高N無(wú)Ni奧氏體不銹鋼在體外細(xì)胞培養(yǎng)及植入綿羊脛骨26周后的形態(tài)和組織相容性(見(jiàn)圖4)[17]。研究結(jié)果表明,高N無(wú)Ni不銹鋼植入綿羊脛骨26周后,骨組織形態(tài)學(xué)測(cè)試結(jié)果達(dá)到69196%,明顯高于參照的含Ni不銹鋼的55106%,略優(yōu)于Ti6Al4V合金的67133%,表現(xiàn)出優(yōu)異的組織相容性,適于作為硬組織植入材料。最近Weissr等人探索將高N無(wú)Ni奧氏體不銹鋼DINEN114452(接近ASTMF2229-02)用于制作心血管支架,以期利用其更優(yōu)良的支撐力,開(kāi)發(fā)尺寸更為精細(xì)的支架網(wǎng)格。
表4和表5分別給出了近幾年來(lái)開(kāi)發(fā)出的部分高N無(wú)Ni醫(yī)用奧氏體不銹鋼的化學(xué)成分及力學(xué)性能,可大致分為Fe-Cr-N,Fe-Cr-Mo-N,Fe-Cr-Mn-Mo-N3種體系高N無(wú)Ni奧氏體不銹鋼,均具有與醫(yī)用Co基合金相近的高強(qiáng)度和高硬度,但塑性更優(yōu)。美國(guó)Carpenter公司開(kāi)發(fā)的BioDurm108、中科院金屬所開(kāi)發(fā)的BIOSSN4等高N無(wú)Ni不銹鋼還表現(xiàn)出更優(yōu)異的耐蝕性能和生物相容性。
圖4加NCr-Ni不銹鋼(Fe-21Cr-10N-i4Mn-2Mo-0143N)(a)與高N無(wú)Ni不銹鋼(Fe-17Cr-10Mn-3Mo-0149N)(b)植入綿羊脛骨26周后的組織切片照片
表4部分高N無(wú)Ni醫(yī)用不銹鋼的化學(xué)成分(w/%)
高N無(wú)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(wèn)題。
表5部分醫(yī)用高N無(wú)Ni不銹鋼的力學(xué)性能
近年來(lái),利用高溫固相滲N工藝制備小尺寸高N無(wú)Ni醫(yī)用不銹鋼的高N鋼制備技術(shù)受到重視。Kuroda等人[15-16,21,25]采用高溫固相滲N方法制備出小尺寸的高N無(wú)Ni無(wú)Mn不銹鋼(Fe-24Cr-1N和Fe-24Cr-2Mo-(0162~0192)N)。此外,Alvarez等人[26-27]通過(guò)在一定氫氣壓力下連續(xù)區(qū)域熔煉Fe-Cr或Fe-Cr-Mo不銹鋼,獲得孔隙率約為50%、孔徑約為150Lm的蓮藕狀多孔不銹鋼,然后在高溫下通過(guò)滲N獲得各種孔隙率的高N無(wú)Ni不銹鋼多孔材料,能夠有效調(diào)整不銹鋼的彈性模量等力學(xué)性能。將其植入鼠腿骨12周后表明材料的組織相容性優(yōu)良,因而有希望應(yīng)用于骨科修復(fù)等領(lǐng)域。但在一定的溫度范圍內(nèi),如果高N無(wú)Ni不銹鋼中的N含量達(dá)到過(guò)飽和時(shí),會(huì)有不同形態(tài)的N化物沉淀析出,如Cr2N和CrN等[28-29],它們對(duì)不銹鋼的性能有不利影響。因此盡管通過(guò)高溫滲N工藝可以解決小尺寸高N無(wú)Ni不銹鋼的制備問(wèn)題,但是控制其N含量和防止N化物析出等是需要注意的問(wèn)題。
研究結(jié)果表明,高N無(wú)Ni不銹鋼與目前臨床使用的316LCr-Ni型不銹鋼相比,表現(xiàn)出更優(yōu)異的抗血小板粘附能力(見(jiàn)圖5),以及更長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)凝血初凝時(shí)間(高出25%~60%)。隨著不銹鋼中N含量的增加,其抗凝血性能更優(yōu)。然而其相關(guān)機(jī)制還有待于更深入的研究。
圖5不銹鋼在新鮮人血血漿中浸泡2h后表面上的血小板粘附照片:(a)316L不銹鋼,(b)0146%N高N無(wú)Ni不銹鋼,(c)0164%N高氮無(wú)鎳不銹鋼,(d)0181%N高N無(wú)Ni不銹鋼
對(duì)比研究高N無(wú)Ni不銹鋼和醫(yī)用Co-Cr-Mo合金(Co62-Cr28-Mo6,余為Ni等)的力學(xué)性能(見(jiàn)表6)和生物學(xué)性能表明,高N無(wú)Ni不銹鋼的力學(xué)性能與Co-Cr-Mo合金相近,而其耐點(diǎn)蝕性能和血液相容性明顯優(yōu)于鈷鉻鉬合金,表現(xiàn)出更高的點(diǎn)蝕點(diǎn)位、更長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)凝血初凝時(shí)間(高出約25%)和更佳的抗血小板黏附性能(見(jiàn)圖6)。利用高氮無(wú)鎳奧氏體不銹鋼的這些優(yōu)勢(shì),目前中科院金屬所正在開(kāi)發(fā)無(wú)Ni不銹鋼骨固定器械和抗凝血不銹鋼心血管支架等產(chǎn)品,近期已經(jīng)順利完成了骨固定器械的動(dòng)物試驗(yàn)。
表6高N無(wú)Ni不銹鋼(0162%N)與Co-Cr-Mo合金的力學(xué)性能對(duì)比
通過(guò)大量的臨應(yīng)酬應(yīng)用研究已經(jīng)表明,與目前臨床大量使用的醫(yī)用316L或317L不銹鋼相比,高N無(wú)Ni奧氏體醫(yī)用不銹鋼具有更為優(yōu)異的力學(xué)性能、抗耐蝕性能、耐磨性能和抗腐蝕疲勞性能,更優(yōu)良的生物相容性,較低的材料成本,以及良好的加工成型性。由于其完全不含具有潛在毒副作用的Ni元素,作為人體植入材料具有極大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì),將會(huì)顯著提高醫(yī)用金屬植入材料的長(zhǎng)期使用安全性。
圖6高N無(wú)Ni不銹鋼(0162%N)和Co-Cr-Mo合金(Co62-Cr28-Mo6)在新鮮血漿中浸泡3h后表面上的血小板黏附情況照片:(a)和(b)高N無(wú)Ni不銹鋼;(c)和(d)Co-Cr-Mo合金
4.2醫(yī)用不銹鋼的表面改性
通過(guò)表面改性處理不但可以有效地改善醫(yī)用不銹鋼的耐蝕性和耐磨性,而且還可以進(jìn)一步提高其生物相容性,甚至使表面具有生物活性。近些年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者在這方面已經(jīng)開(kāi)展了較多的研究,主要是針對(duì)骨、齒等硬組織的不銹鋼植入物以及不銹鋼心血管支架的表面改性。目前應(yīng)用于醫(yī)用不銹鋼表面改性的方法主要包括表面合金化、陶瓷化、功能化等表面涂層處理技術(shù)。
在不銹鋼心血管支架表面涂鍍一層聚合物膜或覆蓋一層有抗凝基因的內(nèi)皮細(xì)胞膜均可以改善支架的生物學(xué)特性,能有效降低血栓形成,提高支架的血液相容性。
圖7 鍍有類金剛石膜的不銹鋼支架與原始支架在人體血漿中的金屬離子溶出比較: ( a) 1 d 后的金屬離子, ( b) 4 d后的金屬離子
圖7示出了在不銹鋼心血管支架表面鍍上一層類金剛石膜后的金屬離子溶出差別[38],可以看出,帶膜支架的金屬離子溶出量大幅度下降。另外,在不銹鋼心血管支架表面涂覆帶藥涂層已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了臨床應(yīng)用。
離子注入技術(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)用在提高金屬材料的表面硬度及其耐磨性,其在提高醫(yī)用金屬材料的耐蝕性、生物相容性等方面也在逐漸得到應(yīng)用。對(duì)醫(yī)用不銹鋼進(jìn)行離子注入可以改善其力學(xué)性能,如硬度、耐磨性、抗疲勞性等,這對(duì)提高醫(yī)用不銹鋼的臨床使用安全性和使用壽命都具有重要意義。為了提高醫(yī)用316L不銹鋼的耐磨性,通常采用氮離子注入方法,當(dāng)表層注入適當(dāng)厚度的氮離子改性層后,就會(huì)明顯提高人工股關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)頭的耐磨性,并顯著提高其在模擬體液中的耐蝕性能[39]。采用熱噴涂、燒結(jié)、化學(xué)氣相沉積法(CVD)、物理氣相沉積(PVD)等表面技術(shù)可以在不銹鋼表面制備出不同類型涂層。通過(guò)在不銹鋼基體表面制備生物惰性或活性涂層,可提高不銹鋼植入物的耐腐蝕性和生物相容性和血液相容性,其中研究較多的有類金鋼石薄膜、氮化鉭薄膜、碳化硅薄膜、羥基磷灰石涂層、高聚物涂層、纖維涂層、仿生涂層和生物玻璃陶瓷涂層等。將氧化鋁、氧化鋯和氮化鈦等生物隋性材料作為不銹鋼表面的涂層材料,可防止不銹鋼基體中有害離子的溶出并抑制基體的腐蝕,使其比不銹鋼基體具有更好的生物相容性。目前,與人體骨組織、軟組織結(jié)合良好的金屬植入體用陶瓷涂層材料,如羥基磷灰石、生物玻璃陶瓷等,已經(jīng)應(yīng)用于臨床。
4.3抗菌不銹鋼
上世紀(jì)90年代末,日本鋼鐵企業(yè)率先在國(guó)際上研究開(kāi)發(fā)出具有抗菌功能的不銹鋼。日本川崎制鐵株式會(huì)社[40]首先公布開(kāi)發(fā)出含Ag抗菌不銹鋼R304-AB,R430-AB,R430LN-AB,其對(duì)大腸桿菌的殺菌率均在99%以上,表現(xiàn)出優(yōu)異的抗菌性能。日本日新制鋼公司[41]開(kāi)發(fā)出具有良好制造加工性能和抗菌性能的3種系列含Cu抗菌不銹鋼NSSAM,lNSSAM,NSS3,其對(duì)金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、綠膿桿菌、沙門氏菌等常見(jiàn)細(xì)菌都有很強(qiáng)的殺滅作用。作為一類結(jié)構(gòu)/功能一體化新材料,抗菌不銹鋼在衛(wèi)生防病領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。
中科院金屬研究所于本世紀(jì)初在國(guó)內(nèi)率先研究開(kāi)發(fā)出含Cu系列抗菌不銹鋼,已相繼開(kāi)發(fā)出鐵素體、奧氏體和馬氏體等多種類型抗菌不銹鋼[42-44]。這些抗菌不銹鋼不僅具有強(qiáng)烈的廣譜抗菌性(見(jiàn)表7),而且其力學(xué)性能、耐蝕性能和加工性能均與普通不銹鋼相當(dāng)。國(guó)內(nèi)目前還有寶鋼、太鋼、浙江天寶、西安交通大學(xué)等多家單位研究開(kāi)發(fā)出抗菌不銹鋼。
表7抗菌不銹鋼的廣譜抗菌性
在臨床醫(yī)療過(guò)程中,植入醫(yī)療器械在使用前都要經(jīng)過(guò)非常嚴(yán)格的一系列滅菌消毒過(guò)程,但這些措施并不能完全降低病人受到細(xì)菌感染的可能性。作為常見(jiàn)的術(shù)后并發(fā)癥,醫(yī)療器械引發(fā)的細(xì)菌感染也成為21世紀(jì)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域內(nèi)亟待解決的問(wèn)題。據(jù)統(tǒng)計(jì),美國(guó)骨科植入物相關(guān)感染的年發(fā)病率約為413%。另外根據(jù)世界衛(wèi)生組織(WHO)頒布的5院內(nèi)感染防治實(shí)用手冊(cè)6中有關(guān)數(shù)據(jù),每天全世界有超過(guò)1400萬(wàn)人正在遭受院內(nèi)感染的痛苦,其中60%的細(xì)菌感染與使用的醫(yī)療器械有關(guān)。圖8給出的骨科植入器械相關(guān)感染中常見(jiàn)細(xì)菌比例表明[45],金
黃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細(xì)菌,分別占到34%和32%,其它球菌占到13%。而引起口腔正畸器械細(xì)菌感染的主要是變形鏈球菌(致齲菌)、牙齦卟啉單胞菌(牙周致病菌)等厭氧菌[46]。
圖8骨科植入器械相關(guān)感染中的常見(jiàn)細(xì)菌比例
植入物類醫(yī)療器械導(dǎo)致的相關(guān)感染,通常需要長(zhǎng)期依賴抗生素甚至多次手術(shù)才能治愈,給病患的精神和身體都帶來(lái)極大痛苦。研究開(kāi)發(fā)具有抗細(xì)菌感染功能的生物醫(yī)用材料,使其具有長(zhǎng)期自動(dòng)滅菌功能,進(jìn)而減少感染環(huán)節(jié),降低感染幾率,減少抗生素的使用,具有重要的臨床意義和廣闊的應(yīng)用前景。利用抗菌不銹鋼的獨(dú)特殺菌性能,目前中科院金屬研究所正在研究開(kāi)發(fā)具有抗細(xì)菌感染功能的新型不銹鋼醫(yī)療器械。
5結(jié)語(yǔ)
我國(guó)不銹鋼醫(yī)療器械的市場(chǎng)潛力巨大,但相關(guān)產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)仍然相對(duì)薄弱,產(chǎn)品技術(shù)及質(zhì)量總體上處于國(guó)際中游水平。尤其是在不銹鋼醫(yī)療器械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造和綜合配套能力上,還不能完全提供滿足臨床需要的各種產(chǎn)品,需要得到更大的技術(shù)推動(dòng)作用。我國(guó)醫(yī)用不銹鋼材料及相關(guān)醫(yī)療器械產(chǎn)業(yè)今后將直接面臨著國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)的巨大機(jī)遇和挑戰(zhàn),應(yīng)該向更高水平的方向不斷發(fā)展。
我國(guó)在高氮無(wú)鎳醫(yī)用奧氏體不銹鋼、抗菌不銹鋼以及相關(guān)表面改性技術(shù)等新型醫(yī)用不銹鋼及技術(shù)研究方面與國(guó)際發(fā)展水平相當(dāng),隨著對(duì)無(wú)鎳不銹鋼的抗凝血機(jī)制、抗菌不銹鋼的抗細(xì)菌感染機(jī)制、醫(yī)用不銹鋼的表面活性化、新型醫(yī)用不銹鋼的生物安全性和力學(xué)相容性等相關(guān)基礎(chǔ)性研究的不斷深入進(jìn)行,必將會(huì)進(jìn)一步推動(dòng)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型醫(yī)用不銹鋼的臨床應(yīng)用及新型不銹鋼醫(yī)療器械的設(shè)計(jì)和制造,產(chǎn)生新的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。
作者：楊柯, 任伊賓（中科院金屬所）
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