高氮無鎳不銹鋼的研究

來源：津鈉儀器（上海）有限公司 2025年11月06日 07:37

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90年代國內外就開始了無鎳奧氏體不銹鋼的研究和開發工作，在1995年召開的第四屆高氮鋼國際會議上（HNS95），瑞士的Uggowitzer 和Speidel 等人介紹了一種新型的無鎳奧氏體不銹鋼，含有15%～18%鉻，3%～6%鉬，10%～12%錳和約0.9%氮，這種無鎳不銹鋼具有優良的力學性能和耐蝕性能，可以有效避免鎳過敏現象。在這屆會議上，德國的Menzel等人建議開發Fe-15Cr-(10 ～15)Mn-4Mo -0.9N用于生物醫學應用,并全面研究和分析了無鎳高氮不銹鋼 Fe-18Cr-18Mn-2Mo -1N的組織和性能。從HNS95這次高氮鋼會議以后，大量的學者開始集中研究Fe-Cr-Mn-Mo-N不銹鋼在模擬體液以及動物體內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)高氮無鎳不銹鋼在37℃ Hank's液中的耐磨蝕性能，結果表明P558不銹鋼具有優良的耐磨損性能，可以替代現有的不銹鋼材料用于制作外科植入器械。在1999年美國CARP ENTER公司也研究開發了一種新型的高氮無鎳奧氏體不銹鋼（Fe-21Cr-22Mn-1Mo-1N），并命名為BioDur®108合金，這種新型不銹鋼具有優良的生物相容性，而且力學性能明顯由于傳統的316L不銹鋼，美國AS TM標準在2002年將這種新型高氮無鎳不銹鋼列入了ASTM標準中（F2229-02）。2001年德國的Kraft等人研究Biodur®108不銹鋼植入物對金倉鼠骨骼肌的影響，發現相比高鎳含量的316L不銹鋼，無鎳的Biodur®108不銹鋼表現出更低的發炎反應。
2002年來自德國的Mölderａnd Fischer 等人采用MC3T3- E1成骨細胞評價了高氮無鎳不銹鋼 X13CrMnMoN18-14-3 的生物相容性，結果表明細胞生長的數量和形貌與對照組聚苯乙烯幾乎沒有區別。2003年開始，意大利的學者MFini 等人研究了P558高氮無鎳不銹鋼在體外細胞培養及植入綿羊脛骨后的生物相容性，高氮無鎳不銹鋼植入樣品和對比用鈦合金樣品表現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，有望替代傳統的316L不銹鋼和 Ti6Al4V 鈦合金。2005年來自意大利的Montanaro等人繼續研究表明P558高氮無鎳不銹鋼沒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也不含錳元素，其細胞毒性評價結果優于316L不銹鋼。后來在2009年日本的Alvarez等人將多孔的高氮無鎳不銹鋼植入大鼠，結果表明多孔的高氮無鎳不銹鋼允許骨細胞等組織長入孔內，表現出優良的生物相容性和力學穩定性。表2列出了近幾年研究中常用的高氮無鎳奧氏體不銹鋼材料的化學成分及性能。新開發的高氮無鎳奧氏體不僅具有高強度和高硬度（和鈷基合金接近），而且還具有比傳統鉻鎳不銹鋼和鈷基合金更優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。

我國含氮鋼的研究開始于20世紀50年代。20世紀70年代，金屬研究所就成功地開發出含氮無鎳雙相不銹鋼（0Cr17Mn14Mo2N），并獲得了一定應用。從21世紀初開始，金屬研究所在國家十五 “863” 項目以及國家基金等相關國家項目的支持下，開發出一種新型高氮無鎳奧氏體不銹鋼BIOSSN4（名義成分是Fe17Cr15Mn2MoN (0.5 ～1.0)），在材料、材料制造及相關植入器件方面已獲得4個國家發明**（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布了高氮不銹鋼的企業標準（Q / K J .05.10-2008，外科植入用高氮無鎳不銹鋼）。這種新型高氮無鎳不銹鋼在北京國家藥品生物制品檢定中心通過了全身毒性、血栓形成、遺傳毒性、溶血、細胞毒性、致敏性等3類外科植入物要求的全部生物相容性檢驗，其強度、耐蝕性和生物學性能均優于316L不銹鋼[21-28]，科學時報在2010年1月18日對金屬研究所在高氮無鎳不銹鋼方面的研究進展做了“植入不銹鋼迎來無鎳時代”的特別報道。
新型高氮無鎳不銹鋼具有優異的力學性能。在固溶狀態（退火）的屈服強度均大于500MPa，遠高于固溶狀態下316L不銹鋼的屈服強度，而且塑性仍保持較高水平。新型無鎳不銹鋼同時具有優異的生物相容性，特別是血液相容性。高氮無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，高氮無鎳不銹鋼的接觸角減小，潤濕性增加，與血液的界面張力逐漸減小，逐漸延長動態凝血時間，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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