（材料学专业论文）新型医用高氮无镍奥氏体不锈钢的力学及生物相容性研究.pdf

硕士论文 新型医用高氮无镍奥氏体不锈钢的力学及生物相容性研究 摘要 本论文针对常用医用3 1 6 l 不锈钢中潜在的镍离子危害，研究了 f e 1 8 c r - 1 5 m n 2 m o 0 6 2 n 新型医用高氮无镍奥氏体不锈钢的性能。采用金相和x 射线 衍射实验以及拉伸、冲击和显微硬度测试对其组织、力学性能进行了研究；通过溶血实 验，抗凝血性能测试( 包括血小板粘附实验，动态凝血实验以及凝血因子测定实验) 来 评价其生物相容性；并通过研究医用高氮无镍奥氏体不锈钢在o 9 n a c l 溶液( 生理盐 水) 、模拟血浆和h a n k s 溶液中的电化学行为，评价其耐蚀性能。 结果表明：医用高氮无镍奥氏体不锈钢相比于3 1 6 l 不锈钢和钴铬合金具有较高的 强度和硬度，同时塑性和韧性仍可保持较高的水平。 医用高氮无镍奥氏体不锈钢的溶血率低于1 ，抗溶血性能明显优于钴铬合金和 3 1 6 l 不锈钢。在血小板粘附实验中，医用高氮无镍奥氏体不锈钢表现出更为优良的抗 血小板粘附能力，长时间与血液接触后粘附血小板数量远低于3 1 6 l 不锈钢和钴铬合金， 并且粘附的血小板很少发生聚集和变形。 医用高氮无镍奥氏体不锈钢动态凝血时间和血浆复钙时间均较长，而凝血酶原时间 与3 1 6 l 不锈钢和钴铬合金相当，表明其对内源凝血因子的激活程度较小，具有更好的 抗凝血性能。 在3 7 的o 9 n a c l 、模拟血浆和h a n k s 溶液中，医用高氮无镍奥氏体不锈钢的耐 蚀性尤其是耐点蚀性能最好，点蚀电位e p 值最高，达到1 0 0 0 m v 以上，明显高于钴铬 合金和3 1 6 l 不锈钢。 新型医用高氮无镍奥氏体不锈钢相对于传统的生物医用材料具有更为优良的强韧 性组合，更好的耐腐蚀性能，优良的生物相容性以及较低的成本和良好的加工成型性， 由于不含有潜在毒副作用的镍元素，作为人体植入材料具有极大的优势，将大大提高无 镍不锈钢材料植入件的长期使用安全性。 关键词：生物医用材料，高氮无镍奥氏体不锈钢，生物相容性，耐蚀性，力学性能 a b s t r a c t 硕十论文 a b s t r a c t c o n s i d e r i n gt h ep o t e n t i a lh a r m f u l n e s so fn i c k e li o n si nb i o m e d i c a ls t a i n l e s ss t e e l ，an e w f e 一18 c r - 15 m n - 2 m o - 0 6 2 nb i o m e d i c a l h i g hn i t r o g e n n i c k e l f r e ea u s t e n i t i cs t a i n l e s s s t e e i ( b h n n f a s s ) ，h a sb e e ns t u d i e di nt h i sp a p e r t h es t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f b h n n f a s sh a sb e e nr e s e a r c h e db ym e t a l l u r g i c a ls t r u c t u r ea n dx r a yd i f f r a c t i o nt e s t 、t e n s i l e t e s t 、i m p a c tt e s ta n dv i c k e r sh a r d n e s st e s t ；t h eb i o c o m p a t i b i l i t yo fb h n n f a s sh a sb e e n e s t i m a t e db yh e m o l y s i st e s ta n da n t i c o a g u l a n tp e r f o r m a n c et e s t ( i n c l u d eb l o o dp l a t e l e t a d h e s i o nt e s t ，k i n e t i cc l o t t i n gt e s ta n dc o a g u l a t i o nf a c t o r st e s t ) ；t h ec o r r o s i o nr e s i s t a n c eo f b h n n f a s sh a sb e e ne s t i m a t e db ye l e c t r o c h e m i c a lt e s ti n0 9 n a c is o l u t i o n 、a r t i f i c i a l b l o o dp l a s m as o l u t i o na n dh a n k ss o l u t i o na t37 c t h er e s u l t ss h o wt h a tt h en e wb i o m e d i c a lh i g hn i t r o g e nn i c k e l f r e ea u s t e n i t i cs t a i n l e s s s t e e lp o s s e s sa l m o s ts i n g l ea u s t e n i t es t r u c t u r e ，a n dc o m p a r e dw i t h316 ls t a i n l e s ss t e e la n d c o - c ra l l o y , i th a sah i g h e rs t r e n g t ha n dh a r d n e s s ，b u tt h ep l a s t i c i t ya n dt o u g h n e s sc a ns t i l lb e k e p ta tr a t h e rh i g hl e v e l t h eh e m o l y t i cr a t eo fb h n n f a s sw a sl e s st h a n1 a n dt h er e s u l to fh e m o l y t i ct e s to f i ti s c l e a r l yb e t t e rt h a nt h a to f 316 ls t a i n l e s ss t e e la n dc o - c ra l l o y b h n n f a ssh a s e x c e l l e n ta d h e s i o nr e s i s t a n c ei nb l o o dp l a t e l e ta d h e s i o nt e s t ，t h en u m b e ro fp l a t e l e tc l i n gt o b h n n f a s ss a m p l e si sc l e a r l yl e s st h a nt h a tt o316 la n dc o - c ra l l o ys a m p l e sa f t e rl o n gt i m e d i pi nf l e s hh u m a nb l o o dp l a s m a ，a n dt h ep l a t e l e to nb h n n f a s sh a sf e wa g g l o m e r a t i o na n d d i s t o r t i o n ，b u t316 ls t a i n l e s ss t e e la n dc o - c ra l l o yh a v em o r e t h ek i n e t i cc l o t t i n gt i m e sa n dp l a s m ar e c a l c i f i c a t i o nt i m e so fb h n n f a s sw e r el o n g e r , w h i l et h e i rp r o t h r o m b i nt i m e sw e r ea l m o s te q u i v a l e n t ，w h i c hr e v e a l st h a tt h ea c t i v a t i o no f b h n n f a s so nt h ei n t r i n s i cc o a g u l a t i o nf a c t o r si sw e a k e rt h a nt h e316 ls t a i n l e s ss t e e la n d c o - c ra l l o y , a n dt h ea n t i c o a g u l a n tp r o p e r t yo fb h n n f a s si sb e t t e rt h a nt h e316 ls t a i n l e s s s t e e la n dc o c ra l l o y t h ec o r r o s i o nr e s i s t a n c eo fb h n n f a s si sb e s ti n0 9 n a c ls o l u t i o n 、a r t i f i c i a lb l o o d p l a s m as o l u t i o na n dh a n k ss o l u t i o na t3 7 c ，e s p e c i a l l yt h ep i r i n gc o r r o s i o nr e s i s t a n c e t h e p i t t i n gc o r r o s i o np o t e n t i a lo fb h n n f a s si sc l e a r l yh i g h e rt h a nt h a to f316 ls t a i n l e s ss t e e l a n dc o c ra l l o y , r e a c h e dm o r et h a n10 0 0 m v t h en e wb i o m e d i c a lh i g hn i t r o g e nn i c k e l f r e ea u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e lh a sp r o m i n e n t a d v a n t a g ea sab i o m a t e r i a lb e c a u s eo fi t se x c e l l e n tc o m b i n a t i o no fs t r e n g t ha n dt o u g h n e s s ， b e t t e rc o r r o s i o nr e s i s t a n c e ，f a v o r a b l eb i o c o m p a t i b i l i t y , l o wc o s ta n dg o o dp r o c e s s a b i l i t y , 硕士论文 新型医用高氮无镍奥氏体不锈钢的力学及生物相容性研究 c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lb i o m e d i c a lm a t e r i a l s w i t ha b s e n c eo fn o x i o u s n i c k e le l e m e n t i nb h n n f a s s ，i tw i l lg r e a t l yi m p r o v et h es e c u r i t yo fl o n gt i m es e r v i c eo fi m p l a n ti nh u m a n b o d y k e yw o r d s ：b i o m e d i c a lm a t e r i a l s ，h i 曲n i t r o g e n n i c k e l - f r e ea u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e l ， b i o c o m p a t i b i l i t y , c o r r o s i o nr e s i s t a n c e ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：狴垄年月日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 张场 年月日 硕士论文新型医用高氮无镍奥氏体不锈钢的力学及生物相容性研究 1 绪论 1 1 生物医用材料( b i o m e d i c a lm a t e r i a l s ) 1 1 1 生物医用材料的发展概况 生物体结构经过2 0 亿年的物竞天择，几乎是完美无缺的。但是，有时遭到外界的 伤害后很难自我修复，仿生学就这样应运而生了。仿生学通常指模仿或利用生物体结构、 生化功能和生化过程的技术。我们可以这样说，除了大脑外，机体所有的组织和器官均 可人工再造和再生。对生物材料而言，一种是指天然生物材料，是由生命过程形成的材 料，如结构蛋白( 胶原纤维、蚕丝等) 和生物矿物( 骨、牙、贝壳等) ；另一种是指医用生 物材料，是通常意义上的生物材料【l 】。生物医用材料就是指用于医疗上能够植入生物体 或与生物组织相接合的材料，可用于诊断、治疗，以及替换生物机体中的组织、器官或 增进其功能【2 j j 。 生物医用材料和人工器官的研究实际上是个古老的命题。若追溯至远古，公元前约 3 5 0 0 年古埃及人就利用棉花纤维、马鬃作缝合线缝合伤口。墨西哥的印第安人( 阿兹蒂 克人) 使用木片修补受伤的颅骨。公元前2 5 0 0 年的中国、埃及墓葬中已发现有假手，假 鼻，假耳等假体。1 8 5 1 年发明了天然橡胶的硫化方法后，开始采用天然高分子硬胶制作 人工牙托和颢骨。19 3 6 年有机玻璃用于临床。1 9 4 3 年赛璐珞薄膜开始用于血液透析。 2 0 世纪5 0 年代，有机硅聚合物开始用于人体组织修复和替代。2 0 世纪6 0 年代初，聚 甲基丙烯酸甲酯( 又称骨水泥) 开始用于髋关节的修复。到了2 0 世纪7 0 年代，随着高分 子化学工业的发展，出现了大量的医用血管人工肾用透析膜、心脏起搏器以及骨生长诱 导剂等。2 0 世纪7 0 年代以后，由于生物医学工程、材料科学和生物技术的发展，医用 高分子材料和其医疗装置又得到迅速发展，如植入型垒人工心脏、肝、肾、胰、膀胱、 皮、骨、接触镜、角膜、内外耳修复、心瓣膜、各种尺寸的血管，以及缝线等都获得了 临床应用【4 1 。 总结生物材料发展历史及其所使用的材料，生物材料一般可分为三代。第一次世界 大战以前所使用的可归为第一代生物医学材料，代表材料有石膏、各种金属、橡胶以及 棉花等物品，这一代的材料多数己被现代医学所淘汰。第二代生物材料的发展是建立中 医学、材料科学( 尤其是高分子材料学) 、生物化学、物理学及物质结构性能测试技术 发展的基础之上的，代表材料有羟基磷灰石、磷酸三钙、聚乙醇酸、聚乳酸、聚甲基丙 烯酸甲酯、胶原、多肽、纤维蛋白等。第三代生物材料是一类具有促进人体自身修复和 再生作用的生物医学复合材料。它们一般由具有生理活性的组元及控释载体的非活性组 元构成，具有比较理想的修复再生效果，骨形态基因蛋白( b o n em o r p h o g e n e t i c 1 绪论硕士论文 p r o t e i n ，b m p ) 材料是第三代生物医学材料中的代裂引。 1 1 2 生物医用材料的分类 按照生物医药材料的成分和性质，目前用于临床的生物医用材料主要包括生物医用 金属材料、生物医用有机材料( 主要指有机高分子材料) 、生物医用无机非金属材料( 主要 指生物陶瓷、生物玻璃和碳素材料) 、生物医用复合材料以及生物衍生材料等【4 , 6 , 7 】。 ( 1 ) 生物医用金属材料( b i o m e d i c a lm e t a l l i cm a t e r i a l s ) 医用金属和合金主要包括不锈钢、钴基合金、钛基合金、形状记忆合金以及钽、铌、 锆等。主要用于承力的骨、关节和牙等硬组织的修复和替换，心血管和软组织修复及人 工器官制造中的结构元件。医用金属和合金机械强度高、抗疲劳性能好，但不具有生物 活性，长期在生理环境中会因腐蚀而失效，并产生宿主反应。优化整体性质、用离子注 入、表面涂层等技术进行表面改性是今后医用金属和合金研究的一个重要方向。 ( 2 ) 生物医用高分子材料( b i o m e d i c a lp o l y m e r ) 医用高分子材料包括非降解型和生物降解型。非降解型主要用于韧带、肌腱、皮肤、 血管、人工脏器、骨和牙齿等人体软、硬组织及器官的修复和制造。降解型主要用于暂 时执行替换组织和器官的功能，或作药物缓释系统和送达载体。 ( 3 ) 生物医用陶瓷( b i o c e r a m i c s ) 生物医用陶瓷主要成分是氧化铝、生物碳、生物玻璃、羟基磷石灰石、磷酸钙陶瓷 等，主要用于骨和牙齿、承重关节头等硬组织的修复和替换以及药物释放载体，生物碳 还可以用作血液接触材料，如人工心脏瓣膜等。 ( 4 ) 生物医用复合材料( b i o m e d i c a lc o m p o s i t e s ) 生物医用复合材料主要成分为活体组织、金属、陶瓷、高分子等，主要用于修复或 替换人体软、硬组织和器官或增进其功能以及人工器官的制造。与基体具有良好的生物 相容性，生物活性高，是理想的医用生物材料。 ( 5 ) 生物衍生材料( b i o l o g i c a l l yd e r i v e dm a t e r i a l s ) 生物衍生材料的主要成分是活性生物组织，用于人工心脏瓣膜、皮肤掩膜、骨修复体、血管化 学修复体等。 1 1 3 生物医用材料的发展和研究方向 当前，生物医用材料研究开发的主要趋势是致力于提高材料的生物相容性、生物功 能性、仿生性以及赋予材料生物活性，适应临床对各种组织和器官修复高级要求，为临 床医学的发展提供新的物质基础。具体来讲，包括如下五个方面： ( 1 ) 改进和发展生物医用材料的生物相容性评价，使新的评价方法适应新兴生物医 用材料的要求，能对材料与机体所有信息进行有机的全面研究和评价。 ( 2 ) 研究新的降解材料，其趋势是丌发具有特殊功能、安全可靠的新一代医用植入 2 硕士论文新型医用高氮无镍奥氏体不锈钢的力学及生物相容性研究 可降解材料。 ( 3 ) 研究具有全面生理功能的人工器官和组织材料，使其具有生理、生化、力学和 生命的所有功能，真正实现受损器官的修复。 ( 4 ) 研究新的药物释放体系和药物载体材料，如微包囊、微球药物释放是今后的发 展趋势。 ( 5 ) 对材料进行表面改性研究，以达到提高生物相容性的目的。 可见，生物医用材料的研究己从被动适应生物环境，向功能性、生命化方向发展； 已从应用仿生原理、组织工程等思路出发，来开发组成、结构和性能与人体自然组织相 近的生物医用材料 2 。 1 2 生物医用金属材料 医用金属材料应用于医学领域已有数百年的历史，因其具有较高的强度和韧性特别 适合应用于硬组织系统，如：修补颅骨缺损、牙种植体、人工关节、人工骨、矫形物， 并可用于其它系统，如：血管套管吻合物、脑止血夹、人工心辫的辫架等。医用金属材 料已成为临床不可缺少的材料。虽然医用金属材料是生物医学材料中应用最早的材料之 一，但医用金属材料的研究发展较慢，直n - 十世纪中叶，生物医学金属材料随着科技 进步才得以迅速发展，无论是从材料的种类或是应用范围上都有了非常大的进展。 现在，临床上应用的医用金属材料主要包括以下几类： ( 1 ) 不锈钢：主要用于接骨板、骨螺钉、人工关节、齿冠、齿科矫形等，价格便 宜，目前主要应用的牌号是3 1 6 、3 1 6 l 及3 1 7 型。 ( 2 ) 钴基合金：即钴基奥氏体合金，主要用于骨板和线材，具有优良的耐蚀性和 力学性能。 ( 3 ) 钛和钛合金：主要用于人工牙根、人工下颌骨、颅骨修复( 网状物) 、心脏瓣 膜支架及脑动脉瘤止血夹等。 ( 4 ) 镍钛形状记忆合金：利用其“形状记忆效应”来制造各种植入元件，用于齿科、 骨科的矫形和固定等。 ( 5 ) 贵金属：主要用做齿科修复材料，以金为主，还常用金的合金，在植入体内 的电极材料中，多用铂和铂铱合金及钽。 ( 6 ) 其它金属材料，如用于修补龋齿的银汞合金、纯锆、钽、铌等。 ( 7 ) 多孔金属材料和复合材料。 由于人体是个活体，生理环境复杂，金属植入材料必须满足如下四个方面的要求： 对人体的适应性，耐腐蚀性，力学性能，材料的表面性质与生物相容性。 力学性能的优劣是一种金属材料可作为植入材料用于人体的基础和前提条件，尤其 l 绪论 硕十论文 是当考虑将其用于承受力的作用部位时，如用于骨科中制造人工关节、人工骨及内、外 固定器械等。然而，人体环境是由体液构成，可以粗略的认为是温度保持在3 7 、质量 浓度为大约1 的n a c l 、少量其它盐类及有机化合物的充气溶液，这种溶液环境对于金 属材料而言具有比较强的腐蚀性。因此，对金属植入材料的耐腐蚀性能的要求在某种意 义上讲相当重要。 在人体内，材料的腐蚀行为影响其力学性能，同时，又构成了材料与人体生物相容 性的基础之一。可见，在人体中耐腐蚀性能与材料的力学性能以及生物相容性有密切的 关系，在金属植入材料的研究中，耐蚀性研究具有重要意义。 通常认为腐蚀是金属与其所存在的环境之间发生的一种不受人们欢迎的反应。金属 植入材料在人体中的腐蚀问题比较复杂，可能发生多种腐蚀行为，并交织在一起相互影 响而不是简单的叠加。对于金属植入材料，在人体环境中可能发生的腐蚀形态有以下几 种 8 】： ( 1 ) 均匀腐蚀 也叫全面腐蚀，是一种常见的腐蚀形态，其特点是化学或电化学反应在全部暴露表 面上或大部分表面上均匀地进行。在生物体内，植入金属会有一定的均匀腐蚀速率。对 于在人体环境中的金属植入材料，均匀腐蚀不但导致金属减薄而丧失结构强度，而且其 腐蚀产物会引起生物相容性问题。 ( 2 ) 点蚀 是介于完全不腐蚀与均匀腐蚀之间的一种强烈的局部腐蚀，常在平坦表面上形成孔 洞，并伴有表面氧化膜在离散的部位上发生损坏。 ( 3 ) 电偶腐蚀 电偶腐蚀在多个零件构成的植入器件中非常明显。例如，对于骨板和螺钉，由于使 用了不同的材料，有可能引起电偶腐蚀。 ( 4 ) 缝隙腐蚀 缝隙腐蚀一般在界面处发生，在多零件植入装置中，特别是骨板和螺钉会受到这种 腐蚀。 ( 5 ) 晶间腐蚀 不锈钢由于热处理或锻造温度控制不当，造成敏化结构而发生的一种腐蚀形态。因 此，制作医用不锈钢植入器件过程中必须避开其敏化温度，同时可通过向钢中加入更易 形成碳化物的钼和钛或者减少碳含量来解决。 ( 6 ) 应力腐蚀断裂及腐蚀疲劳断裂 应力腐蚀断裂是一种在拉应力及体液腐蚀性介质共同作用下出现的一种加速腐蚀 形态。腐蚀疲劳断裂则是材料经受含有拉应力成分的循环应力又处于体液腐蚀性介质 中，腐蚀介质又加速疲劳断裂而造成的。 4 硕上论文新型医用高氮无镍奥氏体不锈钢的力学及生物相容性研究 ( 7 ) 磨蚀 是由于植入器件组成元件之间切向反复的、相对的滑动所造成的表面磨损以及腐蚀 环境作用的综合结果，很可能是机械磨损和腐蚀综合作用的结果。 医用金属材料临床应用中主要存在两方面的问题：一是由于生理环境腐蚀造成的金 属离子的溶出向周围组织的扩散而可能导致的毒副作用，二是植入材料自身性质的蜕变 而可能导致植入失效。因此，对金属植入材料在人体中的腐蚀进行研究，目的是了解腐 蚀对材料的生物相容性和力学性能的影响程度，从而解决这些问题。 良好的力学性能是金属植入材料实际应用的基础条件，优良的耐体液环境腐蚀性能 又能避免材料的强度等力学性能降低而发生断裂等导致植入物失效，为材料在体内服役 期间的安全性提供了保证。然而，实际上完全没有不良作用的材料是很难找到的，生物 材料与人体之间总存在一个相容性问题。与其它生物医用材料相比，金属植入材料属于 惰性材料，由于其较好的耐体液腐蚀性能使其在人体应用时溶出的金属离子等毒性物质 较少而具有较好的生物相容性。其中，医用不锈钢就是由于其良好的综合性能而成为目 前临床及医疗器械行业广泛应用的一类生物医用金属材料。 1 3 生物医用钴基合金 1 3 1 医用钴基合金的现状【5 】 钴基合金通常指的是c o c r 合金，用得最多的c o c r 合金生物体金属材料有铸造 c o 合金，可变形c o 合金，m p 3 5 n 等。c o c r 合金已被用作人工关节、骨折连接板、人 工心脏瓣、义齿床、手术用螺丝、夹子及各种丝材。它有两种基本牌号：一种是c o c r - m o 合金，一般通过铸造加工；另一种是c o n i c r - m o 合金，一般通过热锻加工。可铸合金 c o c r o m o 已经在牙科中应用了几十年，近年来用于人工关节连接件。锻造加工的 c o n i c r o m o 合金是一种新材料，用于制造关节替换假体连接件的主干，如膝关节和髋 关节替换假体等 钴基合金的两种基本元素形成一种固溶体，钴含量达到6 5 ( 质量分数) ，其余主 要是c r ，添加m o 可以细化晶粒，这样经铸造或锻造可以达到更高的强度。c o n i 。c r - m o 合金是一种最有名的钴基合金，最初被称为m p 3 5 n ( 钢铁公司公布的标准) ，它大约含 有n i 3 5 ( 质量分数) 和c 0 3 5 ( 质量分数) ，这种合金在压力下对海水( 含有c 1 一) 有强烈的抗蚀性，冷加工可大大增加它的强度。然而，在冷处理过程中存在很大的问题， 特别是在制造大件如骨关节柄时，因为冷加工在提高材料力学性能的同时，也增加了材 料的加工难度。一次现在采用热锻方法制造这种合金的植入器械。 锻造c o n i c r - m o 合金和铸造c o c r - m o 合金一样具有相似的耐磨性能( 在关节模 1 绪论硕十论文 拟测试中大约是每年被磨损o 1 4 m m ) 。但是，由于c o n i c r - m o 合金较差的耐磨性能而 不提倡用来制作关节假体的摩擦面。锻造c o - n i c r - m o 合金具有很高的疲劳强度和极限 抗拉强度，植入很长时间后，也很少会发生断裂，人工膝关节主体就是一个很好的例子。 当植入体不得不被另外一个所代替时，这种优势就更值得重视了。因为要取出深埋在股 骨骨髓腔中坏掉的植入部件是非常困难的，而且因为植入体固定性较差的原因，修补的 关节功能通常比原来的要差。 钴铬合金的优点：耐磨，强度大；缺点：熔点高，铸造后收缩大，延展性差，打磨 困难等。硬质钴铬合金以钴的含量多少组成不同种类。钴铬合金制作修复体支架一般采 用硬质钴铬合金为宜。钴铬合金中的钴和钼是为了增加合金强度和硬度；铬是使合金具 有抗腐蚀性能；硅能清除合金熔化时的氧化物，增加金属流动性能；碳含量的多少决定 其材料的韧性和脆性。钴铬合金拥有表面钝化膜而具有耐蚀性。一般而言，含c r 量越 高，耐蚀性越好。但是，含c r 量增加，材料产生硬化、变脆，因此认为最大含c r 量在 3 0 左右较合适。钴铬合金的耐蚀性比不锈钢优异，由材料本身原因引起的障碍几乎没 有。四川大学华西口腔医院的研究人员发现，深冷处理可以有效提高钴铬钼高熔铸造合 金的抗拉强度，也能有效增强口腔铸造合金的弯曲弹性模量、抗弯强度、耐磨性和耐腐 蚀性。 1 3 2 医用钻基合金中钴和铬的危害 1 3 2 1 医用钴基合金中钻的危害【1 6 】 钴( c o ) 是铁磁性金属，属有色重金属类。1 7 3 5 年首次制得金属钴。钴的主要用 途是制成高温合金，高强度合金和硬质合金。地壳表面含钴2 3 p p m ，海水含钴0 1 p p d ， 土壤高达1 0 0 p p m 。钴是人和哺乳动物的必需微量元素。人和哺乳动物体内的钴需要量 和贮存量均很少，j 下常成人体内约含1 2 m g 。人每天通过食物约可摄入钴3 0 0 l ag ，但实 际上只需每天摄入5 0ug 就可保持人体内钴的平衡。 已知钴是维生素b 1 2 的重要组成部分，体中大约l 3 的钴参与维生素b 1 2 的合成。维 生素b 1 2 也叫做“氰钴胺”，分子中含有一个钴原子，是三价络盐。钻可活化体内的一些 酶，如脑内的肽酶、甘氨酰替酐胺酸二肽酶。钴激活精氨酸酶，引起氨的释放，以保持 p h 的恒定，并可调节组织毓基的浓度。钴还参与红细胞生长刺激因子的生成，后者可 促使骨髓幼稚红细胞的生长和刺激髓外造血组织。 钴的中毒机制可能是多方面的。实验证明钴能刺激或抑制若干酶。例如低浓度时激 活磷酸酶、精氨酸酶和肽酶，而大剂量时则相反。钴对过氧化氢酶、琥珀酸脱氢酶、胆 碱氧化酶和细胞色素氧化酶呈抑制作用，因而影响细胞的氧化过程。钴对上述酶的作用 与它和含毓基的酶形成络合物有关。钴有刺激作用，最初可使血清q 球蛋白增多。钴量 增加可产生红细胞增多症，除由于骨髓的直接刺激和髓外造血所致外，也有人认为与肾 6 硕_ 二论文新型医用高氮无镍奥氏体不锈钢的力学及生物相容性研究 组织受毒性损伤而释放促红细胞生成素有关。钴可抑制酪氨酸碘化酶而影响甲状腺对碘 的摄取。钴所致的慢性肺纤维化，可能与钴在蛋白溶液中溶解性高有关，另外钴也是过 敏反应的半抗原。 1 3 2 2 医用钴基合金中铬的危害l l 6 j 铬( c r ) 作为合金及电镀在我国应用极广。三价铬是动植物的必需元素，而六价铬 有毒性，可干扰多种重要酶的活性和损伤肝肾。己知铬化合物可引起皮肤和粘膜的损害， 发生皮肤溃疡和鼻中隔穿孔。铬一蛋白质复合物还是致敏物，可引起哮喘。铬酸还可引 起肺癌，英美等国作流行病学调查，已证实铬酸和颜料制造工业发生的肺癌是一种职业 性癌，全世界已发现铬酸引起的肺癌有3 0 0 例以上。 以往认为三价铬毒性不大，因它不容易被消化道吸收，而在组织的表层与蛋白质结 合形成一种稳定的络合物。六价铬易吸收，并具有刺激性和腐蚀性。近年来认为，铬参 与和干扰酶的活性，所以不管是三价铬还是六价铬，当达到一定浓度时都有毒性。已知 三价铬和镁离子可激活磷酸葡萄糖变位酶、细胞色素酶系、琥珀酸脱氢酶、凝乳酶、胰 蛋白酶，它对抗凝血活素起抑制作用。六价铬可抑制尿酸酶活性及阻止半胱氨酸酶的氧 化作用。当六价铬还原成三价格时可抑制谷胱甘肽还原酶的活性，从而使正铁血红蛋白 氧化成为高铁血红蛋白，失去携带氧的能力。过量的铬还可沉淀核酸和核蛋白，使蛋白 质变性。低浓度铬还是一种致敏物质，可引起哮喘和过敏性皮炎。铬中毒时可见动物体 内的糖原和s h 基含量下降，细胞色素氧化酶、琥珀酸脱氢酶、n a d 一黄递酶的活性低 下，心肌中的单氨酶活性增加，大鼠。肾上腺和肾脏中的抗坏血酸含量也下降。 1 4 生物医药不锈钢的研究与发展 1 4 1 医用不锈钢的现状 在生物医用材料中，医用金属与合金材料应用最早，已有数百年的历史。由于金属 材料具有良好的强韧性及优异的加工成型性能，因而得到了广泛应用，适用于硬组织修 复和替换。在不锈钢、钴铬合金、钛及其合金等医用金属材料中，不锈钢尤其是奥氏体 不锈钢，具有良好的综合力学性能和耐腐蚀性能，且易加工，价格低廉，因而应用最多、 最广【2 , 4 , 6 , 9 】。 不锈钢是应用最早的一类金属植入材料，虽然已经有半个多世纪的历史，但是其用 作生物材料却经历了漫长的过程。随着矫形外科手术的出现，人们就开始了医用金属材 料的研究开发。目前，医用不锈钢主要用作矫形外科植入材料，如骨科的人工关节骨棒 ( 柄) ，骨折固定用骨钉、骨板；牙科的义齿种植体及矫形丝等；以及管腔内植入物如心 脏外科介入治疗用心血管支架等 2 】，此外还可用于制作医疗仪器和手术器械。 7 1 绪论硕上论文 1 4 2 医用不锈钢目前存在的问题 自a i s l 3 1 6 l 不锈钢被成功开发以来，就在矫形植入物如骨折固定物、关节替换物等 方面得到了大量的应用，成为应用最多的钢种。随着对医用材料生物相容性研究的深入， 不锈钢被植入体内后产生的一系列问题受到了医务工作者和材料研究者的重视。 医用金属材料应用中的主要问题是由于具有腐蚀性的生理环境而造成的金属离子 向周围组织的扩散及植入材料自身性质的退变。前者可导致毒副作用，后者导致植入失 效【1 0 】。若植入物未完成既定功能而被提前强行从体内取出时则认为其失效 1 1 , 1 2 。据报道， 在5 0 件由于失效而从体内取出的不锈钢植入器件中，4 2 发生了断裂，而2 4 归因于腐 蚀，1 4 是由于材料植入后引起恶性组织反应【l2 1 。但是，在因断裂、磨损和恶性组织反 应而失效的植入物上也观察到了腐蚀迹象。可见，腐蚀、断裂及恶性组织反应是不锈钢 植人物的主要破坏、失效原因，而腐蚀又是造成不锈钢断裂和恶性组织反应的重要因素。 1 4 2 1 医用不锈钢的生理腐蚀 在体液环境中，医用金属材料必须是惰性的或是高耐蚀性的 i3 1 ，这对于材料安全性 来讲是至关重要的。人体是一个严苛的腐蚀环境，体液中存在钠离子、氯离子和碳酸氢 根离子等电解质及各种复杂的有机化合物，不锈钢植入体内后需持久地浸泡于其中，被 化学浸蚀是在所难免的。然而，人体对腐蚀产物的忍受程度是有限的，只能容忍少量的金 属离子，生物材料的腐蚀速度应当4 0 o l m p y ( m il sp e ry e a r ) 【8 】。腐蚀的发生会带来力 学性能和生物相容性方面的问题，对于植入材料非常重要。 点蚀、缝隙腐蚀及晶间腐蚀是不锈钢植入材料在体内的主要腐蚀方式。点蚀是一种 强烈的局部腐蚀，通常在不锈钢的氧化膜破损后形成。实验发现，医用不锈钢在模拟生 理盐液中有相当大的点蚀倾向。生理盐液中的离子侵入不锈钢的氧化膜，使薄膜失去了 钝化作用，从而形成腐蚀点【l4 1 。一般情况下，点蚀容易出现在扭曲位错、滑移线及切变 边缘等部位，在化学成分变化的地方如央杂物、相边界、晶界等部位也常见点蚀的发生 瞵j 。由于钼能强化氧化膜，有人认为含钼量不够也是引起点蚀的原因。 1 4 2 2 医用不锈钢中的镍的危害 医用金属材料通常具有良好的耐蚀性能和生物相容性，但是人体环境是一个复杂的 生理介质，医用会属材料在人体内不可避免存在着腐蚀或磨蚀现象，磨损、腐蚀造成的 金属离子溶出对人体组织有毒害作用，可能影响到人体组织的新陈代谢。其中镍( n i ) 离 子就是一种众所周知的有害元素，除了对人体产生过敏反应外，还存在致畸、致癌的危 害性 1 孓2 0 1 。镍还是大多数医用金属材料中的合金化元素，其中医用奥氏体不锈钢( 含镍 约1 3 左右) ，医用钴基合金( 含镍2 ，- - 3 0 不等) ，镍钛形状记忆合金( 含镍约5 0 a t ) 。 ( 1 ) 镍的生物学特性 和其它会属元素一样，镍是一种必需的微量元素，对人体健康有许多有益的作用 硕上论文新型医用高氮无镍奥氏体不锈钢的力学及生物相容性研究 2 1 - 2 3 】，经消化道和呼吸道吸收的镍进入血液后，主要是与血清蛋白、氨基酸和巨球蛋白 结合形式存在，然后通过血液输送到各个代谢器官中。镍具有刺激生血的机能，能促进 红细胞的再生。镍是胰岛素合成所必需的元素，镍是多种酶的激活源，参与多种酶蛋白 的组成【2 2 1 。由于人体新陈代谢所需的镍量微小，而周围环境中镍的来源丰富，因此通常 不会发生缺镍的情况，但是镍摄人量过多，容易导致癌变和其他病变。 ( 2 ) 镍的毒副作用 镍是一种潜在的致敏因子，镍及其化合物对人类最常见损害是镍接触性皮炎，发病 率较高1 6 2 4 也7 】。镍及某些化合物的致癌机制目前仍未肯定，有人提出镍致癌的作用机制 是镍直接嵌合至u d n a 分子，嵌合的d n a 分子若不能正确修复，将使d n a 断裂和或突变， 从而间接致癌。体外研究表明，镍能减弱d n a 、r n a 多聚酶的活性，减少d n a 复制。还发 现镍可以降 氐d n a 合成，改变d n a 结构，抑带i j d n a 动物体内的转录和复制，可引起d n a 一蛋 白质交联和d n a 单链断裂，导致d n a 损伤和细胞毒作用镍的毒性和致癌性还与它可催化 r o o h 、h ：o 、0 2 等产生自由基是密切相关的【矧，n i 2 + 可以削弱机体防御系统的功能，增强 细胞对癌的易感性。 ( 3 ) 金属植入物中镍的释放及其并发症 医用金属材料植入人体后，由于植入件的腐蚀，许多金属离子释放到临近的组织中， 在植入3 1 6 l 不锈钢板和螺栓临近的组织中镍离子浓度大体分布在1 1 6 1 2 0 0 m g l ，在病 人体内由于镍合金植入件腐蚀造成的镍离子最大的释放率约是2 0ug k g d a y 【2 9 1 。3 1 6 l 不 锈钢在模拟体液浸泡过程中，n i 离子的释放量与浸泡时间的关系如图1 1 所示【3 0 1 。可 以看出，随着浸泡时间延长，n i 离子的释放量逐渐增加。 镍离子在高浓度是可以诱发毒性效 应，发生细胞破坏和炎症反应 2 2 , 3 1 , 3 2 1 。镍 在体内可能抑制巨噬细胞的吞噬功能和杀 菌作用，能破坏细胞内的细胞器，改变细 胞形态，降低细胞数量。近来发现镍离子 随着它的浓度和和暴露时间，可促进或抑 制细胞内黏附分子( i c a m 一1 ) 在内皮细胞 的表达。 金属植入物中离子释放对心血管系统 的影响：冠脉内支架逐渐成为介入心血管 疗法的一种主要手段，但是支架的应用却 依旧受到血管急性闭塞和再狭窄等缺陷的 制约。支架内再狭窄主要是由于支架植入 后，由于血管壁受损，血管组织纤维细胞 百、 e o 。， j 、_ ， 旦 。 叱 _ z 图1 13 1 6 l 不锈钢在。3 7 。cr i n g e r s 生理盐 水中镍离子随时间的析出 f i g1 1c u r v eo f d i s s o l u t i o no f n i c k e li o ni n3 1 6 l s t a i n l e s ss t e e lw i t ht i m ei nrin g e r s h y s i o l o g i c a ls a l i n ea t3 7 1 绪论硕士论文 过度增生或发生炎症反应【3 2 , 3 4 弓i 起血栓形成造成的。k o s t e r 等【3 5 】研究了不锈钢支架中 镍、铬和钼等金属离子释放而出现过敏和再狭窄的关系，认为支架中金属离子引起的接 触过敏( 特别是镍) 加重了炎症反应，刺激支架周围新生组织的增生，从而增加了支架再 狭窄的可能性。临床实验发现，对金属离子特别是镍离子过敏的病人发生冠脉支架再狭 窄的几率高于没有过敏反应的病人【3 6 】。因此支架用金属合金中的金属离子溶出( 特别是 镍) 可能是管脉支架再狭窄的间接原因之一。 ( 4 ) 镍及含镍制品对人类生活及人体健康的影响 在日常生活中，接触含镍金属物品会诱发皮肤病和职业性皮肤病，当与人体接触时， 镍离子可通过毛孔和皮脂腺渗透到皮肤里面去，引起皮肤过敏炎症，其临床表现为皮炎 和湿疹。鉴于含镍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就是 严格禁止或限制各种直接接触人体的金属材料( 如医疗植入物、牙科材料、首饰等) 中的 镍含量。 1 4 3 医用不锈钢的发展 ( 1 ) 表面改性和生物镀膜在医用金属材料上的应用 生物医用金属材料易磨损和腐蚀，因此利用表面改性技术来提高医用材料的生物相 容性，近些年国内外的学者对此已经开展了较多的研究【3 h ，尤其对骨、齿等硬组织植 入物以及心血管金属支架的表面改性，以提高植入物的抗腐蚀性和血液相容性。对采用 钛合金或钴基合金以及不锈钢加工的人工关节，通过离子注入或电化学方法进行表面改 性，可提高其耐磨和抗腐蚀性能，减少植入体在使用过程中产生的磨屑，降低由于磨蚀 产物离子析出对植入体周围组织产生的不良反应，提高植入体的使用寿命和降低二次手 术率。 ( 2 ) 医用无镍不锈钢的发展 医用不锈钢成本较低，因此研究开发高耐蚀性、高强韧性医用无镍不锈钢显然具有 优势。由于对高氮不锈钢的深入研究，一些研究者提出把高氮含量的c r m n n 奥氏体不 锈钢应用于生物医学 4 2 , 4 3 】，他们指出这种不锈钢具有良好的抗腐蚀能力，特别是抗点蚀 和晶问腐蚀，而且具有较高的耐磨性，重要的是钢中没有镍元素的存在，从而可避免镍 元素在人体内析出造成的致敏性及其它组织反应。表1 1 列出近些年国内外学者所研究 的医用无镍奥氏体不锈钢的力学性能，这些无镍奥氏体不锈钢和传统铬镍不锈钢( 如 3 1 6 l ) 相比具有更好的综合力学性能，在强度提高的同时又保持了高的韧性和塑性。 b i o s s 4 无镍不锈钢是中科院金属研究所发展的一种奥氏体医用无镍不锈钢材料，这 种不锈钢完全抛弃了其中的镍元素，采用氮元素来强化奥氏体基体，合适的热处理使不 锈钢保证了单一稳定的奥氏体结构，即使在发生严重塑性变形后仍保持稳定的奥氏体结 构。新型医用无镍不锈钢b 1 0 s s 4 不锈钢和3 1 6 l 医用不锈钢在3 7 人造血浆溶液中的阳 极极化曲线表明，b i o s s 4 无镍不锈钢在模拟体液中比3 1 6 i l 不锈钢具有更好的耐蚀性 1 0 硕士论文新型医用高氮无镍奥氏体不锈钢的力学及生物相容性研究 能，尤其是耐