醫用無鎳不銹鋼作為骨植入材料的研究與應用

王青川，張炳春，任伊賓，楊柯

中國科學院金屬研究所，遼寧 沈陽 110016

引言

醫用金屬材料作為一種結構性生物材料，在骨修復醫療器械領域中具有無可替代的地位。早在1775年，Icart就報道了鐵絲用于骨折的固定。1912年，Sherman[1]介紹了釩鋼制作的骨片，但其耐蝕性和生物相容性差。到20世紀50年代，不銹鋼逐漸發展成熟。奧氏體不銹鋼同時具有優異的強韌性、耐蝕性以及無鐵磁性等特點，自問世后即被大量用于人體植入材料。其中，316L醫用不銹鋼最具代表性，在過去的半個多世紀一直被廣泛應用于骨釘、骨板、人工關節等骨修復植入材料[2]。

為了穩定奧氏體顯微組織，傳統醫用不銹鋼中含有13%～16%的鎳（Ni）元素。然而，不銹鋼并非完全不腐蝕，其在體內腐蝕溶出的Ni離子會對人體產生致敏、致畸等危害[3]。體外研究發現，Ni離子對骨細胞存在有害影響和潛在的致癌性。另外，傳統不銹鋼制成的人工植入假體仍存在力學強度不足導致的斷裂，以及耐蝕性不足導致的無菌性松動等問題[4]。無鎳不銹鋼以大于0.4%的氮（N）元素代替Ni元素穩定奧氏體組織，因此又稱高氮無鎳不銹鋼。在獲得優異生物相容性的同時，其力學性能和耐蝕性能得到大幅提高[5]。目前高氮無鎳不銹鋼作為醫用金屬材料在臨床的研究與應用吸引了廣泛關注[6-7]。本文主要綜述了醫用高氮無鎳不銹鋼及其在骨組織修復中的研究與應用進展。

1 醫用無鎳不銹鋼概述

從上世紀20年代初至50年代初，人們相繼發現了N元素對不銹鋼中奧氏體組織穩定性、力學性能和耐蝕性等方面的強烈影響[8]。二次世界大戰的爆發使Ni的供應短缺，并刺激了以N代替Ni穩定不銹鋼組織的研究。相繼開發出中氮不銹鋼和高氮不銹鋼。由于高氮無鎳不銹鋼中的N含量超過了常壓下冶煉的極限值，高壓冶煉設備限制了高氮鋼的開發。直到上世紀80年代才出現商業化的高氮無鎳不銹鋼。其中，德國開發了P900、P900N、P2000等高氮鋼，用于綜合性能要求極高的大型火力發電機轉子護環，并成為該領域中的唯一用鋼。

上世紀末，美國Carpenter公司開發的BioDur 108高氮無鎳醫用不銹鋼具有優異的力學性能、耐蝕性和生物相容性。目前國外已經在空心螺釘以及血管支架等醫療器械中使用這種新型不銹鋼。國內中科院金屬研究所在上世紀60年代末就開發出了含氮無鎳不銹鋼，并用于尿素工業生產裝備。本世紀初又成功開發出HNNFSS高氮無鎳醫用不銹鋼，其性能與BioDur 108相當，成分見表1。

2 醫用無鎳不銹鋼的性能研究

穩定的奧氏體組織是不銹鋼獲得優異性能的前提。而對于無鎳不銹鋼，尤其是氮含量較高時，冶煉難度大，研究發現其組織中容易出現殘余鐵素體[9]。而鐵素體組織具有鐵磁性，這會降低不銹鋼的磁兼容性，即在核磁共振等高磁場下存在植入器械移位和發熱等風險。針對傳統的Schaeffler相圖和Ni當量公式無法用于高氮鋼組織預測的問題，本文作者近期提出了新的相圖和氮當量公式，從合金設計的角度為優化高氮無鎳不銹鋼的組織和性能提供準確指導[10-11]。

在力學性能方面，高氮無鎳不銹鋼在不降低塑形的同時，其強度隨N含量呈線性提高，甚至可以達到傳統316L不銹鋼的兩倍[12]。大量間隙氮原子的存在使無鎳不銹鋼具有更高的加工硬化能力，即在冷變形狀態下可以獲得更高的力學強度。中科院金屬所通過對HNNFSS無鎳不銹鋼的研究，發現其耐磨性比傳統不銹鋼更加優異[13-14]。此外，在固溶狀態和冷變形狀態下，無鎳不銹鋼的耐疲勞強度和耐腐蝕疲勞強度均遠高于傳統不銹鋼[15]。因此，高氮無鎳不銹鋼植入器械具有更加優異的生物力學安全性。

在耐蝕性方面，固溶狀態的無鎳不銹鋼的耐點蝕能力隨N含量呈線性增加，其耐點蝕電位甚至可以達到傳統不銹鋼的兩倍[16]。為了提高植入器械的強度，不銹鋼往往是在冷變形狀態下使用。然而，經過較大冷變形后（大于20%），傳統不銹鋼和較低氮含量的高氮無鎳不銹鋼的耐點蝕能力均大幅降低[17]。這會使植入器械的失效風險大幅增加。事實上，文獻報道了股骨柄因疲勞引發的斷裂以及髖關節假體植入數年后引發的無菌性松動均與不銹鋼發生的點蝕坑有關[4]。近期，本文作者發現當無鎳不銹鋼中的氮含量達到0.9%時，冷變形帶來的對不銹鋼耐點蝕能力的不利影響會被完全消除，而這種特殊的性能與其表面特殊的鈍化膜結構相關[18]。該研究為減少因材料局部腐蝕而導致的不銹鋼醫療器械的斷裂或失效提供了新的思路。

作為一種生物惰性材料，減少有害金屬離子釋放是提高不銹鋼生物相容性的重要方式。無鎳不銹鋼以N元素代替Ni元素，避免了Ni離子溶出對人體的危害。大量細胞實驗結果表明，與含Ni的傳統不銹鋼（如316L）相比，無鎳不銹鋼表現出更優異的生物相容性[19-20]。在動物體內實驗研究中，Fini等[21]在羊脛骨中長期植入不同材料后發現，無鎳不銹鋼的骨結合能力高于含Ni不銹鋼以及鈦合金。近期，國內研究者同樣發現無鎳不銹鋼比傳統316L不銹鋼的骨結合更高，新生骨面積更大。研究還發現，無鎳不銹鋼具有促進骨誘導和長期骨整合的能力[22]。綜上所述，作為骨植入材料，無鎳不銹鋼具有優異的生物相容性以及骨修復能力。此外，為了充分發揮無鎳不銹鋼的綜合性能，一些研究者開始利用羥基磷灰石表面處理進一步提高其骨修復能力[23]。

3 醫用無鎳不銹鋼在骨科中的應用

隨著人口老齡化的加劇，老年人骨質疏松導致的髖部骨折已經被世界衛生組織認為是導致老年人死亡的3大因素之一。空心螺釘內固定術是治療股骨頸斷裂的有效手段。空心螺釘的植入由導針引導，具有精準度高、操作簡單和組織創傷小等微創手術的優勢，在臨床應用中廣泛使用。然而，隨著螺釘尺寸的減小，骨釘中心孔變得非常小，因而導針也隨之變細。較細的導針容易發生彎曲、斷裂和滑動等問題，因此導致骨釘的植入精度降低，并且骨組織的理想植入部位會被破壞。這將給醫生帶來了不便，也給患者帶來痛苦。

美國Zimmer公司發揮了醫用無鎳不銹鋼的力學優勢，利用BioDur 108合金開發出空心螺釘。在獲得更大的孔徑和螺紋深度的同時，空心螺釘的強度并不降低。更大的孔徑提高了導針尺寸，并獲得更優異的力學強度和剛度，同時更深的螺紋也增加了螺釘的把持力[24]。因此，無鎳不銹鋼空心螺釘具有更加優異的力學性能，目前已經獲得美國FDA批準并在臨床上開始大量使用。

醫用不銹鋼具有優異的綜合性能和明顯的價格優勢，在人工關節領域仍然占有很高的比例。但是長期臨床結果表明，傳統316L醫用不銹鋼人工植入假體存在較高的斷裂和無菌性松動等問題。在人工髖關節中，316L不銹鋼已經大量被中氮低鎳不銹鋼替代。2011年英國的統計表明，中氮不銹鋼的比例已經占70%，但是仍存在10%左右的斷裂不良事件[25-26]。隨著高氮無鎳不銹鋼冶煉工藝以及材料性能研究的發展，其優異的力學性能、耐蝕性能和生物相容性為進一步提高髖關節的安全性提供了可能，有望成為下一代髖關節置換材料。

表1 傳統醫用不銹鋼與醫用無鎳不銹鋼的化學成分（wt.%）

傳統醫用不銹鋼骨板具有優異的綜合性能和價格優勢，因而仍然在臨床上大量用于骨折的修復。然而，不銹鋼的彈性模量遠大于骨組織，這導致骨板產生應力遮擋效應，延遲骨愈合。近期，為了發揮高氮無鎳不銹鋼的優異力學性能，提高力學適配性，中科院金屬所研究了接骨板的輕量化及其生物力學行為。有限元分析和動物實驗結果表明，與傳統316L不銹鋼接骨板相比，由高氮無鎳不銹鋼薄接骨板固定的骨折部位的愈合和修復能力明顯提高[27]。此研究為減小不銹鋼接骨板產生的應力遮擋效應提供了很好的途徑。

4 總結與展望

大量研究表明，與傳統316L不銹鋼相比，醫用無鎳不銹鋼具有優異的力學性能和耐蝕性能。另外，在避免了Ni離子有害作用的同時，體內和體外結果均顯示其生物相容性明顯提高，而且還發現其具有優異的骨誘導和骨整合能力。這為解決傳統不銹鋼作為骨植入材料存在的力學性能、耐蝕性和生物相容性不足等問題提供了新的材料途徑。

在應用方面，醫用無鎳不銹鋼作為空心螺釘材料已經被大量使用，在解決人工髖關節斷裂和無菌性松動等問題方面具有良好前景，同時醫用無鎳不銹鋼輕量化在降低接骨板的應力遮擋效應方面也具有明顯優勢。人們還在探索其更多的臨床應用潛力。

綜上所述，與傳統醫用不銹鋼相比，醫用無鎳不銹鋼作為骨植入材料具有更加優異的綜合性能，在骨科植入器械領域中臨床應用潛力巨大。目前國內在醫用無鎳不銹鋼的應用基礎研究方面已經處于國際先進水平，然而在產品開發方面仍顯落后。因此，在進一步開展創新性應用基礎研究的同時，我國需要加大對醫用無鎳不銹鋼在骨科相關應用的成果轉化投入。

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