CN110284076A - 一种冠脉支架植入用医用不锈钢材料及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种冠脉支架植入用医用不锈钢材料，其特征在于：按重量百分比计其化学成分包括，铬Cr：17～20，锰Mn：14～18，钼Mo：1～3，铜Cu≤0.25，氮N：0.80～1.20，碳C≤0.03，铁Fe：余量。此外，该不锈钢材料的残余元素包括，镍Ni≤0.05，硅Si≤0.75，硫S≤0.010，磷P≤0.025。

Description

一种冠脉支架植入用医用不锈钢材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及医用植入不锈钢材料，具体地，涉及冠脉支架植入用医用不锈钢材料及其制备方法和应用。

背景技术

冠状动脉支架植入术是一种机械性的介入治疗手段，其为处理PTCA急性血管闭塞最有效的手段。通过冠脉支架植入术，将冠脉支架永久性地置放于冠状动脉病变处，经球囊扩张释放或自膨胀方式支撑住血管壁，以保持冠状动脉管腔的开放，从而降低急性心肌梗死死亡率。

在冠状动脉支架植入中使用的冠脉支架的主要材料为不锈钢钴铬合金等。在以不锈钢，例如316L医用不锈钢为主要材料的冠脉支架中，一般含镍量为10-14％，在钴铬合金，例如L605钴铬合金中，一般镍含量为含9-11％。对于含有镍的金属材料，镍过敏的人群支架植入人体后发生再狭窄率要高于无过敏反应的人群。主要原因是：镍过敏者会引起过敏炎症反应，刺激支架周围新生内膜的增生，从而增加了支架再狭窄率。同时，镍离子促进血小板与内皮、血小板与白细胞之间的反应，从而加重了血栓形成。

因此，镍元素是一种潜在的致敏因子，这导致扩散到人体中的金属镍离子对人体有致畸、致癌的危害性。有研究表明，人体每天摄入可溶性镍250mg则会引起中毒，特有症状是皮肤炎、呼吸器官障碍及呼吸道癌症。而且柳叶刀杂志发表的含镍316L不锈钢的冠脉支架植入人体后，不锈钢中含有镍元素也具有影响到冠脉支架手术后的再狭窄这一副作用。

针对这一问题，许多国家针对镍的危害，早已制定和颁布相关文件和标准来限制生物医用金属中的镍含量。例如，欧盟标准94/27/EC指出，在植入人体内的材料中，镍含量不应超过0.05％。另外，目前美国已将高氮无镍奥氏体不锈钢作为外科植入物列入到ASTM标准中，例如，108钢是美国Carpenter公司研发的高氮无镍不锈钢材料，该材料已列入F2229标准，这个标准中将镍的含量定为小于0.05％，108钢的系列骨科产品已于2011年开始陆续进入中国市场。因此生物性能优良的医用高氮无镍奥氏体不锈钢植入器件将是医疗器件发展的一个重要趋势。随着材料制备技术的提高和人类生活水平的提高，医患对植入材料提出了更高的要求，主要体现在：低镍不含其它致敏元素，全奥氏体满足磁兼容性能；优异的耐腐蚀性能抵挡体内复杂的电解液环境；对血液、组织和各种细胞无毒性影响；高强韧、高耐磨性能满足各类植入器件的力学需求。在上述背景下，高氮无镍不锈钢迅速发展。

另一方面，国内的中国科学院金属研究所率先开展了医用高氮无镍奥氏体不锈钢的诸多研究，研发了几个牌号的医用植入不锈钢材料，与医用316L等传统的不锈钢和L605钴铬合金相比，其具有优良的综合力学性能、耐蚀性能、血液相容性和抗凝血性能，而且不主动添加毒性镍元素，成本较低，生物安全性高，作为人体植入材料显示出极大的优势。

发明内容

本发明的目的是提供一种冠脉支架植入用医用不锈钢材料，其不主动添加毒性镍元素，安全性能更强并且能够长期使用，且其具有更为优良的综合力学性能、生物性能、耐磨耐蚀性能等，而且价格相对低廉，具有广泛的应用性。

具体地，根据本发明的冠脉支架植入用医用不锈钢材料具有稳定且优异的力学性能。屈服强度大于500MPa，抗拉强度大于900MPa，延伸率大于50％。其力学性能与L605钴铬合金及108钢相当，同样是一种高强高韧的金属材料。

根据本发明的第一方面，提供了一种冠脉支架植入用医用不锈钢材料，其特征在于按重量百分比计其化学成分包括：铬Cr：17～20，锰Mn：14～18，钼Mo：1～3，铜Cu≤0.25，氮N：0.80～1.20，碳C≤0.03，铁Fe：余量。

进一步优选地，按重量百分比计，所述冠脉支架植入用医用不锈钢材料中的残余元素包括，镍Ni≤0.05，硅Si≤0.75，硫S≤0.010，磷P≤0.025。

本发明所提供的冠脉支架植入用医用不锈钢材料优选的是一种无镍高氮奥氏体不锈钢，材料主要成分仍为铁、钼。与美国FDA允许临床使用的108钢一样，不添加有害镍，而改用氮作为奥氏体形成稳定元素。在不锈钢中加入0.8～1.2(wt)％的氮元素时，氮元素以及其它奥氏体元素(例如，Mn)的共同作用可有效地保证不锈钢的单一和稳定的奥氏体结构，满足医用植入不锈钢所必须的无磁性要求。其中，为了避免镍元素的潜在致敏和致癌等危害，在该医用不锈钢材料中不主动添加镍，但考虑到冶金原料中镍的残余含量，因此优选地，控制其中残余镍Ni≤0.05(wt)％。

氮的奥氏体化能力大约是镍的20-30倍，氮元素具有较强的固溶强化作用，可有效提高不锈钢的强度和耐蚀性，例如耐局部腐蚀(耐晶间腐蚀、点蚀和缝隙腐蚀)性。因此鉴于本发明的医用不锈钢材料如上所述不采用价格较为昂贵的镍元素，为了确保和弥补其力学性能和耐蚀性，采用价格较为低廉的氮作为一种重要的奥氏体化合金元素。优选的，为保证不锈钢材料的单一稳定奥氏体结构、优良的力学性能和良好的耐蚀性，将该医用不锈钢材料中的氮含量控制在0.80(wt)％以上。然而，如果在不锈钢材料中加入过量的氮，则容易导致在冶炼浇铸时形成皮下气孔，进而造成氮化物析出，从而影响到力学性能和耐蚀性，并且可能提高炼钢成本。因此优选地，将该医用不锈钢材料中的氮含量控制在1.20(wt)％以下。再者，美国108钢被列入ASTM F2229标准，该标准中规定镍的含量小于0.05％，氮的含量大于0.9％。与该108钢相比，本发明的冠脉支架植入用医用不锈钢材料进行了优化改进，为了使得高氮无镍不锈钢有更好的生物相容性及力学性能，将氮的含量调整为上述0.8-1.2(wt)％。

碳也是重要的奥氏体化元素，但过多的碳会严重影响钢的塑性和耐蚀性，因此在本发明的医用不锈钢材料中，将碳含量严格控制在0.03(wt)％以下。

锰是一种较弱的奥氏体化元素，可增加氮在钢中的溶解度，并且锰能增加不锈钢的强度和硬度，提高耐冲击性能和耐磨性能。锰在全血、尿以及血浆中的正常值范围分别是4-15μg/L、1-8μg/L和0.4-0.85μg/L。锰进入人体的方式主要体现以下三种形式：皮肤接触、吸入和口服。其中皮肤接触后能够进入人体的量极其微小，不会对人造成任何影响。锰吸入和口服的安全极限量分别是0.3μg/m³和≤0.16mg/kg/天。而过量的锰会在3-5天内，通过血液进入肝脏，再与胆汁结合进入肠道后随粪便排出，不会在人体内累积。我们以型号4034(表面210±5％mm²)这个具有最大表面积的支架为例，换算出它的最大(表面积220mm²时)锰离子溶出量约为0.026μg/天。以全血为例：假设人的全血量为最小量4L，换算出人体全血含锰离子16μg，是金属支架锰离子溶出量的600多倍。这说明支架Mn离子溶出量在人体所需Mn元素的比例微乎其微，支架Mn离子溶出根本不会对人体造成任何生物学上的影响。因此优选地，在本发明的医用不锈钢材料中，锰的含量为14(wt)％以上。然而过多的锰元素可能影响钢的性能，所以在本发明的医用不锈钢材料中，优选地，将锰含量控制在18(wt)％以下。

铬是强烈形成并稳定铁素体的元素，提高铬含量有益于奥氏体不锈钢的耐晶间腐蚀，并且能够极有效地改善奥氏体不锈钢的耐点蚀及缝隙腐蚀性能，并且能够提高不锈钢的耐氧化性介质和酸性氯化物介质的性能。铬参与人体维持正常的葡萄糖、脂肪、胆固醇代谢。人体血液中铬的正常含量为0.00074～0.0021mg/L(参考：王佩等，河北医药，2011,33(12)，P1831-1833)，是金属材料的最大释放速率的462～1312倍，铬释放量的占比很微小，远低于对人体产生不良反应的水平。并且血液中的铬代谢较快，可迅速从血中消除。最终血液中的铬80％～90％经肾由尿排出，其余经粪便排出。因此，优选地，在本发明的医用不锈钢材料中，将铬含量控制为17(wt)％以上。然而，随着铬含量的增加，一些金属间相(比如δ相)的形成倾向增大，而且由于本发明的医用不锈钢材料中还含有钼(后文将描述)，因此铬含量过多不仅显著降低其塑性和韧性，而且在一些条件下还降低不锈钢的耐蚀性，因此，优选地，在本发明的医用不锈钢材料中，将铬的含量控制为20(wt)％以下。

在不锈钢材料中添加钼可提高氮的溶解度，并且钼与氮相互作用，从而可以提高不锈钢材料的耐点蚀性能，然而由于钼的含量过多会降低不锈钢材料的韧性，因此优选地，在本发明的医用不锈钢材料中，将钼的含量控制在1～3(wt)％。

铜也是一种较弱的奥氏体化元素，其可以适当地提高耐蚀性。然而如果铜的含量高于4(wt)％，则会明显影响钢的可锻性，因此必须控制铜含量。据《中国材料进展杂质》所属文章《新型含铜金属心血管材料》杨柯等人(2018年9月37卷第9期)的研究表明：金属材料中增加适当的铜，铜离子具有促进血管生成的作用，含适量铜的材料的支架，有助于抑制支架内再狭窄的发生。世界卫生组织建议成年人铜的上限每日摄入量为2-3mg,据此计算，本发明的铜含量控制在0.25％以下，铜释放量的占比很微小，远低于对人体产生不良反应的水平。并且血液中的铜代谢较快，可迅速从血中消除。因此，为了维持不锈钢的耐蚀性、生物性能、力学性能等，将本发明的不锈钢材料中的铜的含量控制为不大于0.25(wt)％。

硅能提高钢的弹性极限，屈服点和抗拉强度，同时就有抗腐蚀性和抗氧化性。因此，在本发明的医用不锈钢材料中，硅含量低于0.75(wt)％。

杂质元素硫和磷应分别控制在0.010(wt)％和0.025(wt)％以下，以提高本发明的医用不锈钢材料的综合性能。

根据本发明的第二方面，还提供了一种所述冠脉支架植入用医用不锈钢材料的制备方法，其特征在于所述制备方法包括后处理工艺，所述后处理工艺为：

热加工：钢锭于1050～1200℃均匀化处理2～4小时，开坯。

热处理：1100～1150℃固溶处理0.5～4小时，空冷或水冷至室温，所得显微组织为单相奥氏体。

所述开坯分≥3次锻造成初轧坯料，终锻温度不低于950℃；初轧坯料的轧制温度为950～1150℃。

根据本发明的第三方面，还提供了一种冠脉支架植入用医用不锈钢材料的应用，所述不锈钢材料用于外科植入物等医疗器械、食品餐饮器具、首饰或其它与人体经常接触的不锈钢产品。

根据本发明冠脉支架植入用医用不锈钢材料，其不主动添加致敏和致癌等副作用的毒性镍元素，这使得本发明的冠脉支架植入用医用不锈钢材料作为人体植入材料与传统的316L医用不锈钢和L605钴铬合金相比，大幅提高了安全性能，从而有助于该人体植入材料无副作用地长期使用。

此外，本发明冠脉支架植入用医用不锈钢材料具有更好的耐磨耐蚀性能(耐点蚀性能等)以及更为优良的力学性能(韧性等)。而且，由于本发明冠脉支架植入用医用不锈钢材料不采用价格昂贵的镍等，使其成本较低，因此应用范围更加广泛，可作为骨关节等承力部件、牙科矫形件和管腔植入支架等长期植入人体的器件的主要使用材料，而且也可用于各种与人体经常接触的不锈钢产品中，并预期本发明冠脉支架植入用医用不锈钢材料可以逐步取代现有的316L医用不锈钢和L605钴铬合金，广泛应用在植入性医疗器械等领域。

以下结合本发明的附图及优选实施方式对本发明的技术方案做进一步详细地描述，本发明的有益效果将进一步明确。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，但其说明仅用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为根据本发明的冠脉支架植入用医用不锈钢材料的热处理后的金相照片，其示出单相奥氏体组织，其中图1(a)是平面图，图1(b)是纵截面图，并且图1(c)是横截面图。

图2是根据本发明的冠脉支架植入用医用不锈钢材料和钴铬钼合金在37℃Hank's溶液中的阳极极化曲线。

图3是根据本发明的冠脉支架植入用医用不锈钢材料在生理盐水中，在变形前后的极化曲线。

图4是根据本发明的冠脉支架植入用医用不锈钢材料和316L两种支架平台材料在Hank’s溶液中的极化曲线。

图5是根据本发明的冠脉支架植入用医用不锈钢材料与316L不锈钢疲劳性能的对比图。

图6是根据本发明的冠脉支架植入用医用不锈钢材料与316L医用不锈钢、L605钴铬合金的溶血性能的对比图。

图7是根据本发明的冠脉支架植入用医用不锈钢材料与316L医用不锈钢、L605钴铬合金的表面粘附血小板情况的对比图。

具体实施方式

下面将结合本发明的具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分优选实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明冠脉支架植入用医用不锈钢材料优选地可以采用加压(氮气正压)感应炉冶炼和电渣炉精炼，并且不限于此，例如，可以采用加压电渣重熔炉冶炼等，冶炼所得不锈钢经过以下加工及热处理工序：

热加工：钢锭于1150℃±15℃均匀化处理2小时以上，开坯，分三次锻造成初轧坯料(棒材)，终锻温度不低于950℃。初轧坯料在1100℃±15℃温度开轧，经多道次轧制成性能测试坯料。

热处理：1100℃±5℃固溶处理(1±0.1)小时，空冷或水冷至室温，所得组织为单相奥氏体。

上述加工和热处理工序仅为优选的实施方式，并且本发明不对其例如温度等进行特别限制，只要其位于前文所述的后处理工艺所规定的范围内即可。

实施例：根据本发明所设定的化学成分范围，在100公斤加压感应炉和电渣炉精炼2炉钢，每炉钢重例如为50公斤(分别作为1号合金和2号合金)，采用加压电渣重熔炉冶炼了2炉钢，重例如为40公斤(作为3号合金和4号合金)。

将这4炉钢分别被浇注成φ120×450钢锭各一个，并按以上加工及热处理规范进行加工，以制成相应的五个样品。这4个样品(1-4号合金)的具体化学成分如表1所示。需要注意的是，每炉钢的重量不受限制，只要足够制成钢锭作为实验样品即可；并且上述每炉钢的冶炼方式也不受特别限制，上文仅描述了其中优选的冶炼方式。

表1各样品的化学成分表

样品号	C	Cr	Mn	N	Mo	Cu	Ni	Si	S	P
											1	0.027	17.89	15.68	0.88	2.22	0.21	0.04	0.66	0.0098	0.016
2	0.03	18.87	16.30	0.90	2.09	0.24	0.03	0.58	0.0091	0.011
											3	0.028	18.68	17.62	0.92	1.97	0.22	0.03	0.48	0.0080	0.015
4	0.026	19.20	14.32	0.94	2.11	0.20	0.05	0.70	0.0099	0.020

所有测试样品(实验样品)均沿垂直于轧制方向取样，经过前文所述热处理后，本发明的不锈钢在室温状态下为单相奥氏体组织，参见图1。其中，对于不锈钢材料，晶粒度级别越高，晶粒越细小，单位体积材料的晶界越多，材料塑性越好。本发明的不锈钢材料的目标产品——冠脉支架的网丝尺寸一般为70-100微米。如果晶粒尺寸过大，可能存在单个晶粒贯穿网丝的情况，此时由于没有晶界阻碍位错滑移，材料的塑性变形能力会很差、极易发生网丝断裂。在材料制备及后续加工过程中，通过工艺控制实现细化晶粒，将材料的晶粒度级别控制在6级以上(包含6级)，平均晶粒尺寸范围为28-44微米。确保网丝任何位置都含有1个以上晶粒，从而保证支架塑性变形的整体稳定性。

针对上述测试样品，测得的力学性能如表2所示。

表2各样品的力学性能表

根据表2中的数据显示，能够得出，根据本发明的冠脉支架植入用医用不锈钢材料具有优良的力学性能。

下文将结合附图描述根据本发明的额冠脉支架植入用医用不锈钢材料的其它性能。

图2为根据本发明的冠脉支架植入用医用不锈钢材料和钴铬钼合金在37℃Hank's溶液中的阳极极化曲线。根据图2可以看出，在Hank's模拟体液中，根据本发明的冠脉支架植入用医用不锈钢与钴铬钼合金相比，具有明显优异的耐点腐蚀能力。

图3为根据本发明的冠脉支架植入用医用不锈钢材料在生理盐水中，在变形前后的极化曲线。具体地，利用普林斯顿电化学工作站，采用动电位法测试支架材料在0.9％NaCl溶液中的极化曲线。测试方法参考YY/T0695-2008方法。在37℃的0.9％NaCl溶液中，根据本发明的冠脉支架植入用医用不锈钢材料的点蚀电位高于1000mV，具有优良的抗点蚀能力，符合植入材料要求。

同时，参照《YYT 0695-2008小型植入器械腐蚀敏感性的循环动电位极化标准测试方法》标准，对比观察了根据本发明的冠脉支架植入用医用不锈钢材料与316L两种支架平台材料在Hank’s溶液中的极化极化过程。结果如图4所示，相比于316L，根据本发明的冠脉支架植入用医用不锈钢材料(参见图4中的HNSs)的冷变形不会降低其耐点蚀能力，不会改变其极化过程。本发明的冠脉支架植入用医用不锈钢材料的耐点蚀能力明显高于316L；316L冷变形后的耐点蚀能力明显降低，而HNSs冷变形后耐点蚀能力并不降低。

图5是根据本发明的冠脉支架植入用医用不锈钢材料(参见图5中的高氮无镍不锈钢BIOSSN3)与316L不锈钢疲劳性能的对比图。

腐蚀环境会降低本发明的医用不锈钢材料的疲劳寿命。对于固溶态的高氮无镍不锈钢而言，其腐蚀疲劳极限由550MPa降低到475MPa；对于冷变形态的高氮无镍不锈钢而言，变形程度越大，腐蚀疲劳极限降低得越多；无论有没有腐蚀环境，冷变形态后的疲劳极限均大于固溶态时的疲劳极限。

同时，如图5所示，将本发明的医用不锈钢材料与316L不锈钢的疲劳性能进行对比，本发明的医用不锈钢材料具有更好的疲劳性能和腐蚀疲劳性能。

图6是根据本发明的冠脉支架植入用医用不锈钢材料(参见图6中的高氮无镍不锈钢)与316L医用不锈钢、L605钴铬合金的溶血性能的对比图。

从图6可以得出，上述三种材料的溶血率均小于5％，符合对医用材料溶血的要求。本发明的医用不锈钢材料的溶血率与L605钴铬合金无显著统计学差异，但明显低于316L不锈钢。由于本发明的医用不锈钢材料具有良好的耐腐蚀性能，因此在体液环境中溶出的毒性金属离子量微少，对红细胞的破坏微弱，不易发生溶血。特别是与316L不锈钢相比，由于屏蔽了有害Ni离子对溶血的促进作用，因此显示出更优异的抗溶血性能。

图7是根据本发明的冠脉支架植入用医用不锈钢材料(参见图7中的高氮无镍不锈钢)与316L医用不锈钢、L605钴铬合金的表面粘附血小板情况的对比图。

由图7可以得出，上述三种材料在血浆浸泡3小时后，316L不锈钢表面粘附大量血小板，多个血小板聚集，伪足铺展且变形严重，血小板激活程度高；而本发明的医用不锈钢材料和L605钴铬合金表面粘附的血小板数量较少，虽均有少数血小板聚集，但伪足铺展程度低，血小板基本上仍然维持圆盘状，未发生变形及被激活情况。因此，本发明的医用不锈钢材料具有与L605钴铬合金相近，但优于316L不锈钢的抗凝血性能。

根据上述实施例及其测量结果以及结合附图分析的实验结果，在本发明的冠脉支架植入用医用不锈钢材料中，氮的添加有效地替代了镍的作用，并且通过控制其化学成分，即，使得化学成分包括：铬Cr：17～20，锰Mn：14～18，钼Mo：1～3，铜Cu≤0.25，氮N：0.80～1.20，镍Ni≤0.05，碳C≤0.03，硅Si≤0.75，硫S≤0.010，磷P≤0.025，铁Fe：余量，从而使得根据本发明的冠脉支架植入用医用不锈钢材料获得了如实施例表格2所示的优良力学性能，以及优良的抗疲劳性能、耐腐蚀性能和生物性能(抗溶血性能和抗凝血性能)，已达到和超过现有的医用不锈钢和L605钴铬合金的技术要求。

此外，本发明冠脉支架植入用医用不锈钢材料可作为骨关节等承力部件、牙科矫形件等的主要使用材料，而且也可用于在外科植入物等、管腔植入支架等长期植入性医疗器械的器件、食品、餐饮器具、首饰或其它与人体经常接触的不锈钢产品中，并预期本发明冠脉支架植入用医用不锈钢材料可以逐步取代现有的316L不锈钢材料和L605钴铬合金材料，广泛应用于植入性医疗器械等领域。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (8)

1.一种冠脉支架植入用医用不锈钢材料，其特征在于：按重量百分比计其化学成分包括，铬Cr：17～20，锰Mn：14～18，钼Mo：1～3，铜Cu≤0.25，氮N：0.80～1.20，碳C≤0.03，铁Fe：余量。

2.根据权利要求1所述的冠脉支架植入用医用不锈钢材料，其特征在于：所述冠脉支架植入用医用不锈钢材料为单相奥氏体组织结构。

3.根据权利要求1或2所述的冠脉支架植入用医用不锈钢材料，其特征在于：按重量百分比计，其中残余元素包括，镍Ni≤0.05，硅Si≤0.75，硫S≤0.010，磷P≤0.025。

4.一种如权利要求1至3的任意一项所述的冠脉支架植入用医用不锈钢材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括对所述不锈钢材料进行后处理，所述后处理包括如下步骤：

热加工步骤：不锈钢材料钢锭于1050～1200℃均匀化处理2～4小时，开坯；以及

热处理步骤：1100～1150℃固溶处理0.5～4小时，空冷或水冷至室温，所得显微组织为单相奥氏体。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述开坯分≥3次锻造成初轧坯料，终锻温度不低于950℃。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述初轧坯料的轧制温度为950～1150℃。

7.一种如权利要求1至3的任意一项所述的冠脉支架植入用医用不锈钢材料的应用，其特征在于：所述不锈钢材料用于医疗器械、食品餐饮器具、首饰或其它与人体经常接触的不锈钢产品。

8.根据权利要求7所述的冠脉支架植入用医用不锈钢材料的应用，其特征在于：所述医疗器械包括外科植入物。