高氮無(wú)鎳不銹鋼的研究

時(shí)間：2025/11/6閱讀：296

由于鉻鎳不銹鋼存在的鎳危害和氮在鋼中的有益作用，早在20世紀(jì)90年代國(guó)內(nèi)外就開(kāi)始了無(wú)鎳奧氏體不銹鋼的研究和開(kāi)發(fā)工作，在1995年召開(kāi)的第四屆高氮鋼國(guó)際會(huì)議上（HNS95），瑞士的Uggowitzer 和Speidel 等人介紹了一種新型的無(wú)鎳奧氏體不銹鋼，含有15%～18%鉻，3%～6%鉬，10%～12%錳和約0.9%氮，這種無(wú)鎳不銹鋼具有優(yōu)良的力學(xué)性能和耐蝕性能，可以有效避免鎳過(guò)敏現(xiàn)象。在這屆會(huì)議上，德國(guó)的Menzel等人建議開(kāi)發(fā)Fe-15Cr-(10 ～15)Mn-4Mo -0.9N用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用,并全面研究和分析了無(wú)鎳高氮不銹鋼 Fe-18Cr-18Mn-2Mo -1N的組織和性能。從HNS95這次高氮鋼會(huì)議以后，大量的學(xué)者開(kāi)始集中研究Fe-Cr-Mn-Mo-N不銹鋼在模擬體液以及動(dòng)物體內(nèi)外的生物腐蝕性能和生物相容性等性能。

1999年Thomann 等人研究了PANACEA P558 (Fe-17Cr-10Mn-3Mo-0.49N-0.16C)高氮無(wú)鎳不銹鋼在37℃ Hank's液中的耐磨蝕性能，結(jié)果表明P558不銹鋼具有優(yōu)良的耐磨損性能，可以替代現(xiàn)有的不銹鋼材料用于制作外科植入器械。在1999年美國(guó)CARP ENTER公司也研究開(kāi)發(fā)了一種新型的高氮無(wú)鎳奧氏體不銹鋼（Fe-21Cr-22Mn-1Mo-1N），并命名為BioDur®108合金，這種新型不銹鋼具有優(yōu)良的生物相容性，而且力學(xué)性能明顯由于傳統(tǒng)的316L不銹鋼，美國(guó)AS TM標(biāo)準(zhǔn)在2002年將這種新型高氮無(wú)鎳不銹鋼列入了ASTM標(biāo)準(zhǔn)中（F2229-02）。2001年德國(guó)的Kraft等人研究Biodur®108不銹鋼植入物對(duì)金倉(cāng)鼠骨骼肌的影響，發(fā)現(xiàn)相比高鎳含量的316L不銹鋼，無(wú)鎳的Biodur®108不銹鋼表現(xiàn)出更低的發(fā)炎反應(yīng)。
2002年來(lái)自德國(guó)的Mölderａnd Fischer 等人采用MC3T3- E1成骨細(xì)胞評(píng)價(jià)了高氮無(wú)鎳不銹鋼 X13CrMnMoN18-14-3 的生物相容性，結(jié)果表明細(xì)胞生長(zhǎng)的數(shù)量和形貌與對(duì)照組聚苯乙烯幾乎沒(méi)有區(qū)別。2003年開(kāi)始，意大利的學(xué)者M(jìn)Fini 等人研究了P558高氮無(wú)鎳不銹鋼在體外細(xì)胞培養(yǎng)及植入綿羊脛骨后的生物相容性，高氮無(wú)鎳不銹鋼植入樣品和對(duì)比用鈦合金樣品表現(xiàn)出相近的骨組織相容性，作為骨科植入材料具有潛在和美好的前景，有望替代傳統(tǒng)的316L不銹鋼和 Ti6Al4V 鈦合金。2005年來(lái)自意大利的Montanaro等人繼續(xù)研究表明P558高氮無(wú)鎳不銹鋼沒(méi)有基因毒性和致畸變性能。
日本的Kuroda等人在2004年采用高溫滲氮處理的方法制備了高氮含量的不銹鋼材料Fe24Cr2Mo(0.62 ～0.92)N，其中不含鎳元素同時(shí)也不含錳元素，其細(xì)胞毒性評(píng)價(jià)結(jié)果優(yōu)于316L不銹鋼。后來(lái)在2009年日本的Alvarez等人將多孔的高氮無(wú)鎳不銹鋼植入大鼠，結(jié)果表明多孔的高氮無(wú)鎳不銹鋼允許骨細(xì)胞等組織長(zhǎng)入孔內(nèi)，表現(xiàn)出優(yōu)良的生物相容性和力學(xué)穩(wěn)定性。表2列出了近幾年研究中常用的高氮無(wú)鎳奧氏體不銹鋼材料的化學(xué)成分及性能。新開(kāi)發(fā)的高氮無(wú)鎳奧氏體不僅具有高強(qiáng)度和高硬度（和鈷基合金接近），而且還具有比傳統(tǒng)鉻鎳不銹鋼和鈷基合金更優(yōu)異的耐體液腐蝕性能及生物相容性，因此非常有希望成為新一代的低成本植入不銹鋼，逐步替代鉻鎳不銹鋼和鈷基合金。

我國(guó)含氮鋼的研究開(kāi)始于20世紀(jì)50年代。20世紀(jì)70年代，金屬研究所就成功地開(kāi)發(fā)出含氮無(wú)鎳雙相不銹鋼（0Cr17Mn14Mo2N），并獲得了一定應(yīng)用。從21世紀(jì)初開(kāi)始，金屬研究所在國(guó)家十五 “863" 項(xiàng)目以及國(guó)家基金等相關(guān)國(guó)家項(xiàng)目的支持下，開(kāi)發(fā)出一種新型高氮無(wú)鎳奧氏體不銹鋼BIOSSN4（名義成分是Fe17Cr15Mn2MoN (0.5 ～1.0)），在材料、材料制造及相關(guān)植入器件方面已獲得4個(gè)國(guó)家發(fā)明**（Z L 02132853.6、ZL 03110896.2、ZL.3、Z L.2），并且早在2008年就由金屬研究所修訂發(fā)布了高氮不銹鋼的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（Q / K J .05.10-2008，外科植入用高氮無(wú)鎳不銹鋼）。這種新型高氮無(wú)鎳不銹鋼在北京國(guó)家藥品生物制品檢定中心通過(guò)了全身毒性、血栓形成、遺傳毒性、溶血、細(xì)胞毒性、致敏性等3類(lèi)外科植入物要求的全部生物相容性檢驗(yàn)，其強(qiáng)度、耐蝕性和生物學(xué)性能均優(yōu)于316L不銹鋼[21-28]，科學(xué)時(shí)報(bào)在2010年1月18日對(duì)金屬研究所在高氮無(wú)鎳不銹鋼方面的研究進(jìn)展做了“植入不銹鋼迎來(lái)無(wú)鎳時(shí)代"的特別報(bào)道。
新型高氮無(wú)鎳不銹鋼具有優(yōu)異的力學(xué)性能。在固溶狀態(tài)（退火）的屈服強(qiáng)度均大于500MPa，遠(yuǎn)高于固溶狀態(tài)下316L不銹鋼的屈服強(qiáng)度，而且塑性仍保持較高水平。新型無(wú)鎳不銹鋼同時(shí)具有優(yōu)異的生物相容性，特別是血液相容性。高氮無(wú)鎳不銹鋼的血液相容性隨著其中氮含量的提高逐漸改善，一系列研究表明隨著氮含量的提高，高氮無(wú)鎳不銹鋼的接觸角減小，潤(rùn)濕性增加，與血液的界面張力逐漸減小，逐漸延長(zhǎng)動(dòng)態(tài)凝血時(shí)間，減少血漿蛋白在高氮含量不銹鋼上的吸附，減緩激活血小板和，逐漸提高抗血小板粘附的能力。

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