CN101985724A

CN101985724A - 一种用于外科植入物的含稀土奥氏体不锈钢

Info

Publication number: CN101985724A
Application number: CN 201010521832
Authority: CN
Inventors: 杨化娟; 李政纲
Original assignee: Nanchang Hangkong University
Current assignee: Nanchang Hangkong University
Priority date: 2010-10-28
Filing date: 2010-10-28
Publication date: 2011-03-16

Abstract

一种用于外科植入物的含稀土奥氏体不锈钢，不锈钢中含有加入量为0.15-0.50wt%的La，并且钢中的S≤0.005wt%，P≤0.01wt%，加入的La元素以固溶状态及化合物的形式存在于不锈钢基体中。本发明的优点是：且其浸提液中含有一定浓度的La离子来发挥生物学作用，细胞毒性评价等级与316L不锈钢相当，满足外科植入物不锈钢的要求，并具有优良的力学性能。

Description

一种用于外科植入物的含稀土奥氏体不锈钢

技术领域

本发明涉及一种含稀土奥氏体不锈钢，尤其涉及一种用于外科植入物的含稀土奥氏体不锈钢。

背景技术

随着人们生活水平的提高以及对于健康的不断追求，各种生物材料的需求量日益增加，而生物医用金属材料尤其是不锈钢的用量非常大。目前，医用316L不锈钢制造的冠脉支架在临床应用过程中会出现血栓及血管再狭窄等问题，生物安全性不尽人意。因此，开发和制造出生物学性能更加优良的医用不锈钢及其产品，已经越来越受到人们的广泛关注。

稀土元素具有独特的物理化学性质，应用范围广泛。研究证实稀土是一种生物微量元素，属于低毒性物质，其毒性和铁差不多，适量摄入有助于提高机体的免疫力，但大量补充则会造成对机体的危害[郭战勇, 张宇生, 张宏江. 稀土, 1998, 18(1): 61-64, 72.]。

人们很早就发现稀土的药理作用，从60年代以来，陆续发现稀土化合物具有一系列特殊的药效作用，是Ca²⁺的优良拮抗剂，又有镇静止痛作用，可广泛用于治疗烧伤、炎症、皮肤病、血栓病等。稀土元素在医药中的应用主要表现在如下几方面：抗凝血作用、抑癌防癌作用、抗肿瘤作用、消炎作用、杀菌作用、抗动脉硬化作用、降低血糖作用等[徐光宪. 稀土. 北京: 冶金工业出版社. 1995. 12. ZL 031284213]，利用稀土元素的生物学效应制备的药物在临床上得到了应用。目前，人们又将稀土元素用于抗流感病毒的药物[专利申请号031271480，公开号CN1493277A]、抗SARS病毒的药物[ZL03146172]、抗艾滋病毒的药物[ZL021284458]及肾结石治疗药物[ZL028085574]等新领域。

另外，在农业生产中，人们将稀土元素作为植物生长调节剂[ZL 031120342]、植物营养液[ZL0211324603，ZL2003101019793]、饲料添加剂[ZL 200310115830.0]、肥料[ZL 021223815]应用，达到增产增收的作用，同时表明稀土元素可被人体安全摄入。

稀土元素在钢铁中的研究和应用已经有80多年的历史。由于稀土元素的化学性质非常活泼，与O、S的化学亲和力强，其添加到钢中后，主要起到净化钢液（脱O、脱S）、变质夹杂物及微合金化等作用，对钢的性能产生重要的影响。[余宗森. 钢中稀土. 北京: 冶金工业出版社. 1982. 5. ZL 03150101.X]。但是，截止目前，还没有人想到将具有药物作用的稀土元素添加到不锈钢中来开发生物相容性更好的用于外科植入物的不锈钢。稀土元素在医药、农业、钢铁等领域的应用使本发明的发明人得到了将其应用于不锈钢中来发挥其生物学性能的启示。

本发明中的含La不锈钢，可以用于制作各种外科植入物如冠脉支架、人工关节骨棒（柄）、骨折固定用骨板及骨钉、牙科的齿冠、义齿种植体及矫形丝等等，也可用于手术器具、医疗设备、家庭厨房用具、食品容器等其它领域。由于含La不锈钢中的La元素在人体内应用时可以不断的溶解释放出来，因此，本不锈钢可长期发挥其生物学作用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于外科植入物的含稀土奥氏体不锈钢，在不锈钢的熔炼过程中，将具有抗凝血、抗癌、抗肿瘤和消炎作用的La元素添加到其中，并适当控制其含量，使其能够在人体内应用期间可持续溶出释放La离子来发挥生物学作用，同时不要造成毒性、过敏等不良反应，从而使含La不锈钢具有优良的生物相容性和安全性。

通常，向钢中添加的稀土元素为混合稀土，并且其添加量不宜过高，以免破坏钢的组织结构和恶化其性能。然而，将稀土元素与不锈钢相结合来开发新型医用不锈钢，通过含稀土不锈钢在体内服役过程中发挥稀土元素的生物学作用，以提高医用不锈钢的抗凝血性能和生物安全性，是本发明首先提出的目标。稀土元素种类的选择及含量的确定是本发明中最重要的部分。

本发明是这样来实现的，其特征是不锈钢中含有加入量为0.15-0.50 wt%的La，并且钢中的S≤0.005 wt%，P≤0.01 wt%，加入的La元素以固溶状态及化合物的形式存在于不锈钢基体中。

含稀土奥氏体不锈钢的优选化学成分为：C≤0.02 wt%、Cr：17.0-18.0 wt%、Ni：13.0-14.0 wt%、Mo：2.5-3.0 wt%、Mn≤2.0 wt%、Si≤0.75 wt%、S≤0.005 wt%，P≤0.01 wt%、La：加入量为0.15-0.50 wt% 、余量为Fe。

还可含有Se、Ge合金元素中的一种或两种，加入量≤1 wt%。

本发明的优点是：且其浸提液中含有一定浓度的La离子来发挥生物学作用，细胞毒性评价等级与316L不锈钢相当，满足外科植入物不锈钢的要求，并具有优良的力学性能。

附图说明

图1为含La不锈钢的X射线衍射图谱。

图2为含La不锈钢的扫描电子显微镜背散射照片。

图3为含La不锈钢的金相显微镜照片。

具体实施方式

根据本发明所设定的化学成分范围，在真空感应炉内冶炼了4炉钢，冶炼过程中采用氩气保护，纯稀土元素La在出钢前加入。4炉钢全部浇注成尺寸为Φ80mm×160mm、质量为10 kg的钢锭各一个。另外，为了进行对比，用真空感应熔炼的方法制备了316L不锈钢，5炉钢的具体化学成分和稀土La元素加入量如表1所示。

表1 实施例含La不锈钢及对比例316L不锈钢的化学成分 (wt%)

将铸锭在950℃~1150℃锻造成直径为Φ40mm的棒材和厚度为16mm的板材，锻后空冷。然后，将经过锻造的不锈钢棒材或板材在1050℃进行固溶处理，空冷至室温或进行水冷。利用线切割切取试验样品，分别进行以下试验。

(一) 含La不锈钢的组织结构及La在钢中的分布

将表1本发明例中具有LaSS2成分的含La不锈钢试样经过金相砂纸研磨至1000#后在X射线衍射仪上进行相组成分析，结果显示，含La不锈钢均为单相奥氏体结构，铁素体的含量非常微少，这满足了将含La不锈钢用于外科植入物不锈钢的条件。X射线衍射图谱见附图1。

将试样经研磨抛光后在扫描电子显微镜上观察La元素在不锈钢基体中的分布情况，并将试样进一步腐蚀后在金相显微镜上分析其组织。结果表明，La元素以固溶状态和化合物的形式存在于钢中，钢的组织为奥氏体，且在钢中分布有La的化合物。扫描电子显微镜背散射照片及金相显微镜照片分别见附图2及附图3。

(二) 细胞毒性实验

从表1本发明例中具有LaSS1和LaSS2成分的含La不锈钢上切取10 mm×10mm×1 mm 的薄片，用SiC砂纸粗磨后经1μm 的金刚石研磨膏抛光，再依次在丙酮、酒精和蒸馏水中超声清洗5min，干燥后得到实验用样品。细胞毒性实验在中国医科大学肿瘤研究所完成，具体操作方法如下。

（1）溶液的配制

PBS缓冲液：每1000ml溶液中含NaCl: 8.00g，KCl: 0.20g，Na₂HPO₄??12H₂O: 3.3g，KH₂PO₄: 0.20g，pH7.4。

MTT溶液：将MTT以5mg/ml的浓度溶于新鲜配制的PBS缓冲液，过滤除菌，4℃避光保存。

RPMI 1640培养液：1000ml培养液中含RPMI-1640: 10g，葡萄糖: 3.6g，L-谷氨酰氨: 300mg，丙酮酸钠: 110g，碳酸氢钠: 1.5g，青霉素: 20U，小牛血清: 100ml，抽滤灭菌。

（2）实验材料的处理

将含La不锈钢及316L不锈钢薄片用去离子水清洗干净后晾干，在高压蒸汽灭菌器中121℃灭菌20 min。

（3）浸提液的制备

在无菌操作技术条件下，按表面积/浸提介质为3cm²/ml的比例向装有含La不锈钢及316L不锈钢薄片的容器中加入含10 vol%胎牛血清的RPMI 1640培养液，置于37℃含5 vol% CO₂的恒温培养箱中培养24h，制得试验组浸提液。将未放置任何浸提物的RPMI 1640培养液作为阴性对照组。

（4）L-929细胞的培养

取传代生长状态良好的L-929小鼠结缔组织成纤维细胞（中国医科大学肿瘤研究所提供），用0.25%胰蛋白酶消化；用细胞培养基配制1×10⁴个/ml的细胞悬液，分注入96孔细胞培养板中，每孔100 μl，共接种3板，置于37℃含5 vol.% CO₂的细胞培养箱中培养24 h；细胞贴壁后，弃去原培养基，用PBS溶液洗涤2次，分别加入实验组不锈钢浸提液及阴性对照组RPMI 1640培养液各150 μl，置入上述培养环境中继续培养。

（5）MTT测定

细胞培养2 d、4 d、5 d各取出1块培养板，弃去每孔中的浸提液和培养基，加入20 μl/孔的MTT溶液，继续培养4 h，吸去培养液，加入200 μl/孔的DMSO，于室温在振荡器上振荡10 min，使结晶物质充分溶解；用免疫酶标仪在570 nm波长下测定各孔的吸光度值。根据吸光度，计算细胞的相对增殖度（RGR），并依据反应分级标准来评定材料的毒性程度。

细胞毒性实验结果如表2及表3所示。细胞相对增殖度的计算公式为：

RGR（%）＝

×100

表2细胞毒性实验中实施例不锈钢浸提液的吸光度 (n=5，X±SD)

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表3实施例不锈钢的细胞毒性实验结果

（三）力学性能实验

在经固溶处理的含La不锈钢及316L不锈钢板材上沿横向制备M10的5倍拉伸试样，依照GB/T 228-2002在Zwick/Roell Z050拉伸实验机上进行室温拉伸实验。

拉伸试验结果如表4所示。

表4实施例不锈钢的拉伸试验结果

Claims

1.一种用于外科植入物的含稀土奥氏体不锈钢，其特征是不锈钢中含有加入量为0.15-0.50 wt%的La，并且钢中的S≤0.005 wt%，P≤0.01 wt%，加入的La元素以固溶状态及化合物的形式存在于不锈钢基体中。

2.根据权利要求1所述的一种用于外科植入物的含稀土奥氏体不锈钢，其特征是含稀土奥氏体不锈钢的优选化学成分为：C≤0.02 wt%、Cr：17.0-18.0 wt%、Ni：13.0-14.0 wt%、Mo：2.5-3.0 wt%、Mn≤2.0 wt%、Si≤0.75 wt%、S≤0.005 wt%，P≤0.01 wt%、La：加入量为0.15-0.50 wt% 、余量为Fe。

3.根据权利要求1所述的一种用于外科植入物的含稀土奥氏体不锈钢，其特征是还可含有Se、Ge合金元素中的一种或两种，加入量≤1 wt%。