医用316L不锈钢表面改性研究及发展

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)东北大学机械工程与自动化学院 作者:徐林

  316L不锈钢因其优良的性能和低廉的价格广泛应用于临床及医疗领域。通过分析医用316L不锈钢目前存在的主要问题及发展状况,对医用316L不锈钢近年来表面改性的新方法和新成果进行了较为详细的介绍,表明表面改性技术是解决临床应用问题的良好途径,为医用316L不锈钢的医学应用提供了新的发展机遇。

0、引言

  人口老龄化进程的不断加快,使得对于生物材料的需求日益增加。生物材料指的是一类用于与人体系统相结合,对人体进行诊断、治疗、修复或替换病损组织、器官或增进其功能,且对人体组织、血液不产生不良影响的材料。生物材料的应用广泛,品种较多,按照材料组成和性质分为:金属材料、无机材料和有机材料。金属材料包括:不锈钢、钴基合金、钛合金等;无机材料包括:生物陶瓷、羟基磷灰石HA等;而有机材料包括:人工合成高分子材料和天然高分子材料。在生物材料中,金属材料因其特殊性能(如良好的韧性、弹性、耐磨性、耐腐蚀性、生物相容性、非磁性)及合理价格,而被广泛应用于硬组织(骨科材料、承受材料及心血管支架等)的修复和替换。

  不锈钢是应用最早的一类生物材料,至今已有半个多世纪的历史。在医用的不锈钢材料中,奥氏体不锈钢因其良好的机械性能、耐腐蚀性及低廉的价格,而受到广泛的应用。从1775年Icart报道可应用铁丝固定断骨,1952年Blunt等报道含大约2%钼的316型不锈钢的性能比AISI302钢好,到此后更适宜作为植入材料的超低碳AISI316L钢的发展,不锈钢作为生物材料经历了漫长的历史过程。由于真空熔炼或电渣重熔工艺的采用,不锈钢的性能得到了改善,使得AISI316及AISI316L成为主要的不锈钢植入材料。

1、医用316L不锈钢目前存在的问题

  自316L医用不锈钢成功开发以来,其在人工植入髋关节、整形外科装置、正畸、心血管疾病等方面得到了广泛的应用,但是随着对316L不锈钢性能的进一步研究及临床观察研究可知,医用不锈钢存在以下主要问题:

  (1)表面硬度较低,耐磨性较差,在人体的体液环境中对点蚀敏感,且腐蚀将会通过细胞对电流的反应,改变人体组织的PH值并释放出Ni、Cr、Mo等对人体有害的金属离子,引起局部组织过敏疼痛,甚至诱发癌变;

  (2)弹性模量与人骨组织相差较大,易产生应力遮挡,使假体松动,产生骨吸收和萎缩现象,最终造成植入失效;

  (3)生物相容性较差,表面无生物活性,植入人体环境后与人体系统形成形态结合,影响植入效果造成植入失败。

2、医用不锈钢的研究及发展

  为了克服上述缺点及不足,提高医用不锈钢的性能,广大学者进行了不断地研究和改进。

  2.1、改进传统不锈钢,研发新型不锈钢

  在医用不锈钢的临床使用过程中,由于腐蚀和摩擦磨损产生的Ni离子富集于植入体附近,影响人体正常代谢功能,引发组织反应等问题。大量临床实验研究证明,Ni离子对人体是一种潜在的致敏因子。如图1所示为不同时期Ni离子引起青少年过敏的情况。为了抑制Ni的溢出,降低人体系统危害,保证临床应用的安全性,除了通过改进熔炼工艺或添加N元素提高传统不锈钢性能外,还研发出高氮无镍奥氏体不锈钢、抗菌不锈钢、心血管支架用抗ISR(支架内再狭窄)不锈钢等一系列新型医用不锈钢等。新型高氮无镍奥氏体不锈钢在保持传统不锈钢塑性性能的基础上,大大提高了力学性能及摩擦性能等。

对Ni过敏青少年所占百分比

图1 对Ni过敏青少年所占百分比

  2.2、金属表面改性处理

  表面改性是指利用机械、物理或化学方法改变金属材料表面及近表面的成分或结构,获得生物惰性或活性表面层,提高材料性能的技术。在生物医学工程中,表面改性技术常用于提高金属植入材料的耐磨性、耐腐蚀性及生物相容性[7]。常用的表面改性方法主要包括:表面热处理、机械处理、化学气相沉积、物理气相沉积、离子注入等。随着对生物材料临床应用要求的不断提高及复合材料的广泛应用,利用表面改性技术弥补传统医用金属材料不足并获得新型复合性能,实现其工程应用并满足不同领域的特殊要求,已经成为重点研究的课题之一。

3、医用316L不锈钢表面改性的研究现状

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4、结束语

  316L不锈钢因其优良的力学性能及低廉的价格受到广泛的临床应用。随着医学的深入研究及发展,对于医用316L不锈钢的性能要求愈加提升。从单层涂层到复合涂层的制备,从单元素到多种元素的应用,表面改性技术虽然在一定程度上提高了316L不锈钢的耐腐蚀性、生物相容性等,但依然还有很多地方需要去完善,如何改进表面改性技术,进一步提高医用316L不锈钢性能,成为研究人员面临的又一新型挑战。

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