医用无镍不锈钢作为骨植入材料的研究与应用

王青川，张炳春，任伊宾，杨柯

中国科学院金属研究所，辽宁 沈阳 110016

引言

医用金属材料作为一种结构性生物材料，在骨修复医疗器械领域中具有无可替代的地位。早在1775年，Icart就报道了铁丝用于骨折的固定。1912年，Sherman[1]介绍了钒钢制作的骨片，但其耐蚀性和生物相容性差。到20世纪50年代，不锈钢逐渐发展成熟。奥氏体不锈钢同时具有优异的强韧性、耐蚀性以及无铁磁性等特点，自问世后即被大量用于人体植入材料。其中，316L医用不锈钢最具代表性，在过去的半个多世纪一直被广泛应用于骨钉、骨板、人工关节等骨修复植入材料[2]。

为了稳定奥氏体显微组织，传统医用不锈钢中含有13%～16%的镍（Ni）元素。然而，不锈钢并非完全不腐蚀，其在体内腐蚀溶出的Ni离子会对人体产生致敏、致畸等危害[3]。体外研究发现，Ni离子对骨细胞存在有害影响和潜在的致癌性。另外，传统不锈钢制成的人工植入假体仍存在力学强度不足导致的断裂，以及耐蚀性不足导致的无菌性松动等问题[4]。无镍不锈钢以大于0.4%的氮（N）元素代替Ni元素稳定奥氏体组织，因此又称高氮无镍不锈钢。在获得优异生物相容性的同时，其力学性能和耐蚀性能得到大幅提高[5]。目前高氮无镍不锈钢作为医用金属材料在临床的研究与应用吸引了广泛关注[6-7]。本文主要综述了医用高氮无镍不锈钢及其在骨组织修复中的研究与应用进展。

1 医用无镍不锈钢概述

从上世纪20年代初至50年代初，人们相继发现了N元素对不锈钢中奥氏体组织稳定性、力学性能和耐蚀性等方面的强烈影响[8]。二次世界大战的爆发使Ni的供应短缺，并刺激了以N代替Ni稳定不锈钢组织的研究。相继开发出中氮不锈钢和高氮不锈钢。由于高氮无镍不锈钢中的N含量超过了常压下冶炼的极限值，高压冶炼设备限制了高氮钢的开发。直到上世纪80年代才出现商业化的高氮无镍不锈钢。其中，德国开发了P900、P900N、P2000等高氮钢，用于综合性能要求极高的大型火力发电机转子护环，并成为该领域中的唯一用钢。

上世纪末，美国Carpenter公司开发的BioDur 108高氮无镍医用不锈钢具有优异的力学性能、耐蚀性和生物相容性。目前国外已经在空心螺钉以及血管支架等医疗器械中使用这种新型不锈钢。国内中科院金属研究所在上世纪60年代末就开发出了含氮无镍不锈钢，并用于尿素工业生产装备。本世纪初又成功开发出HNNFSS高氮无镍医用不锈钢，其性能与BioDur 108相当，成分见表1。

2 医用无镍不锈钢的性能研究

稳定的奥氏体组织是不锈钢获得优异性能的前提。而对于无镍不锈钢，尤其是氮含量较高时，冶炼难度大，研究发现其组织中容易出现残余铁素体[9]。而铁素体组织具有铁磁性，这会降低不锈钢的磁兼容性，即在核磁共振等高磁场下存在植入器械移位和发热等风险。针对传统的Schaeffler相图和Ni当量公式无法用于高氮钢组织预测的问题，本文作者近期提出了新的相图和氮当量公式，从合金设计的角度为优化高氮无镍不锈钢的组织和性能提供准确指导[10-11]。

在力学性能方面，高氮无镍不锈钢在不降低塑形的同时，其强度随N含量呈线性提高，甚至可以达到传统316L不锈钢的两倍[12]。大量间隙氮原子的存在使无镍不锈钢具有更高的加工硬化能力，即在冷变形状态下可以获得更高的力学强度。中科院金属所通过对HNNFSS无镍不锈钢的研究，发现其耐磨性比传统不锈钢更加优异[13-14]。此外，在固溶状态和冷变形状态下，无镍不锈钢的耐疲劳强度和耐腐蚀疲劳强度均远高于传统不锈钢[15]。因此，高氮无镍不锈钢植入器械具有更加优异的生物力学安全性。

在耐蚀性方面，固溶状态的无镍不锈钢的耐点蚀能力随N含量呈线性增加，其耐点蚀电位甚至可以达到传统不锈钢的两倍[16]。为了提高植入器械的强度，不锈钢往往是在冷变形状态下使用。然而，经过较大冷变形后（大于20%），传统不锈钢和较低氮含量的高氮无镍不锈钢的耐点蚀能力均大幅降低[17]。这会使植入器械的失效风险大幅增加。事实上，文献报道了股骨柄因疲劳引发的断裂以及髋关节假体植入数年后引发的无菌性松动均与不锈钢发生的点蚀坑有关[4]。近期，本文作者发现当无镍不锈钢中的氮含量达到0.9%时，冷变形带来的对不锈钢耐点蚀能力的不利影响会被完全消除，而这种特殊的性能与其表面特殊的钝化膜结构相关[18]。该研究为减少因材料局部腐蚀而导致的不锈钢医疗器械的断裂或失效提供了新的思路。

作为一种生物惰性材料，减少有害金属离子释放是提高不锈钢生物相容性的重要方式。无镍不锈钢以N元素代替Ni元素，避免了Ni离子溶出对人体的危害。大量细胞实验结果表明，与含Ni的传统不锈钢（如316L）相比，无镍不锈钢表现出更优异的生物相容性[19-20]。在动物体内实验研究中，Fini等[21]在羊胫骨中长期植入不同材料后发现，无镍不锈钢的骨结合能力高于含Ni不锈钢以及钛合金。近期，国内研究者同样发现无镍不锈钢比传统316L不锈钢的骨结合更高，新生骨面积更大。研究还发现，无镍不锈钢具有促进骨诱导和长期骨整合的能力[22]。综上所述，作为骨植入材料，无镍不锈钢具有优异的生物相容性以及骨修复能力。此外，为了充分发挥无镍不锈钢的综合性能，一些研究者开始利用羟基磷灰石表面处理进一步提高其骨修复能力[23]。

3 医用无镍不锈钢在骨科中的应用

随着人口老龄化的加剧，老年人骨质疏松导致的髋部骨折已经被世界卫生组织认为是导致老年人死亡的3大因素之一。空心螺钉内固定术是治疗股骨颈断裂的有效手段。空心螺钉的植入由导针引导，具有精准度高、操作简单和组织创伤小等微创手术的优势，在临床应用中广泛使用。然而，随着螺钉尺寸的减小，骨钉中心孔变得非常小，因而导针也随之变细。较细的导针容易发生弯曲、断裂和滑动等问题，因此导致骨钉的植入精度降低，并且骨组织的理想植入部位会被破坏。这将给医生带来了不便，也给患者带来痛苦。

美国Zimmer公司发挥了医用无镍不锈钢的力学优势，利用BioDur 108合金开发出空心螺钉。在获得更大的孔径和螺纹深度的同时，空心螺钉的强度并不降低。更大的孔径提高了导针尺寸，并获得更优异的力学强度和刚度，同时更深的螺纹也增加了螺钉的把持力[24]。因此，无镍不锈钢空心螺钉具有更加优异的力学性能，目前已经获得美国FDA批准并在临床上开始大量使用。

医用不锈钢具有优异的综合性能和明显的价格优势，在人工关节领域仍然占有很高的比例。但是长期临床结果表明，传统316L医用不锈钢人工植入假体存在较高的断裂和无菌性松动等问题。在人工髋关节中，316L不锈钢已经大量被中氮低镍不锈钢替代。2011年英国的统计表明，中氮不锈钢的比例已经占70%，但是仍存在10%左右的断裂不良事件[25-26]。随着高氮无镍不锈钢冶炼工艺以及材料性能研究的发展，其优异的力学性能、耐蚀性能和生物相容性为进一步提高髋关节的安全性提供了可能，有望成为下一代髋关节置换材料。

表1 传统医用不锈钢与医用无镍不锈钢的化学成分（wt.%）

传统医用不锈钢骨板具有优异的综合性能和价格优势，因而仍然在临床上大量用于骨折的修复。然而，不锈钢的弹性模量远大于骨组织，这导致骨板产生应力遮挡效应，延迟骨愈合。近期，为了发挥高氮无镍不锈钢的优异力学性能，提高力学适配性，中科院金属所研究了接骨板的轻量化及其生物力学行为。有限元分析和动物实验结果表明，与传统316L不锈钢接骨板相比，由高氮无镍不锈钢薄接骨板固定的骨折部位的愈合和修复能力明显提高[27]。此研究为减小不锈钢接骨板产生的应力遮挡效应提供了很好的途径。

4 总结与展望

大量研究表明，与传统316L不锈钢相比，医用无镍不锈钢具有优异的力学性能和耐蚀性能。另外，在避免了Ni离子有害作用的同时，体内和体外结果均显示其生物相容性明显提高，而且还发现其具有优异的骨诱导和骨整合能力。这为解决传统不锈钢作为骨植入材料存在的力学性能、耐蚀性和生物相容性不足等问题提供了新的材料途径。

在应用方面，医用无镍不锈钢作为空心螺钉材料已经被大量使用，在解决人工髋关节断裂和无菌性松动等问题方面具有良好前景，同时医用无镍不锈钢轻量化在降低接骨板的应力遮挡效应方面也具有明显优势。人们还在探索其更多的临床应用潜力。

综上所述，与传统医用不锈钢相比，医用无镍不锈钢作为骨植入材料具有更加优异的综合性能，在骨科植入器械领域中临床应用潜力巨大。目前国内在医用无镍不锈钢的应用基础研究方面已经处于国际先进水平，然而在产品开发方面仍显落后。因此，在进一步开展创新性应用基础研究的同时，我国需要加大对医用无镍不锈钢在骨科相关应用的成果转化投入。

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