说起医用植入金属材料，很多人可能会在第一时间想起用于骨折内固定的钢板和螺钉。目前应用较多的是奥氏体不锈钢。奥氏体不锈钢无磁性、抗腐蚀性能好、易加工成形，它不仅被用于制作骨折内固定器械，还被广泛用于制作人工关节、各种齿冠、冠桥、固定支架、植入电极、人工心脏瓣膜等。但是，现在这些材料却因其组分的原因还存在一定问题。
近日，在国家“863”计划、国家自然科学基金重点项目、中科院知识创新重要方向性项目以及省市方面的资助下，由中国科学院金属研究所杨柯研究员领导的生物医用材料与器件课题组取得了重要进展。他们研发的新型医用高氮无镍奥氏体不锈钢在中国药品生物制品检定所通过了细胞毒性、溶血、致敏反应、急性毒性试验、血栓试验及遗传毒性等重要生物学性能检验，并在广州军区总医院完成了植入动物试验研究。
让人又爱又恨的镍
在当前被广泛应用的医用奥氏体不锈钢中，镍是一种重要的合金化元素。杨柯告诉《科学时报》记者：“它的主要作用是使不锈钢形成稳定的奥氏体结构，从而改善不锈钢的耐腐蚀性、可塑性、可焊接性和韧性等性能，稳定的奥氏体结构还可以使不锈钢具备无磁性。医用316L和317L奥氏体不锈钢中的镍含量要求在10%~14%，医用304L不锈钢中的镍含量也在8%~10%。”
但是，镍又是一种潜在的致敏因子，大量的临床表现已经证明，镍及其化合物会对人类产生危害。其中最常见的损害是镍接触性皮炎，发病率较高，过敏性强者会发生湿疹。“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，引起皮肤过敏发炎，其临床表现为皮炎和湿疹。”杨柯说道，“目前欧盟使用的1欧元和2欧元硬币中镍元素的释放就可能使有镍过敏倾向的人群的皮肤引起强烈的过敏反应。”
更应引起人们警惕的是：镍离子在生物体内富集还可能诱发毒性效应，发生细胞破坏和发炎反应，对生物体有致畸、致癌的危害性。而含镍医用金属材料植入人体后，由于不可避免的腐蚀、磨损，镍离子等金属离子会释放到临近组织，易诱发过敏、感染等组织反应，特别是对镍过敏的患者尤为严重。著名医学杂志《柳叶刀》（The Lancet）曾经有报道指出，不锈钢心血管支架中镍、铬和钼等金属离子释放引起的过敏反应可能是心血管支架再狭窄的间接原因之一。
正是由于镍元素对人体的危害，许多国家对日用和医用金属材料中的镍含量制定了越来越高的要求，相关标准中所允许的最高镍含量也越来越低。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（如植入器件、牙科材料、首饰等）中的镍含量。
以氮代镍的科技攻关
杨柯课题组在医用无镍不锈钢方面的研究从2000年就开始了。杨柯说：“当时的目标是为了开发一种不锈钢新材料，用于替代心血管支架用的医用316L不锈钢，并开发出新一代心血管支架。”
可是，任何一项新技术的探索都不是一帆风顺的。杨柯告诉记者：“在研究过程中遇到了很多科学问题或技术难关需要我们解决。”
新型不锈钢的研究开发思想是以氮元素代替镍元素来稳定不锈钢的奥氏体结构，由此带来的主要科学问题包括新型不锈钢的化学成分优化设计（特别是钢中氮含量的优化确定）、高氮不锈钢的冶炼和加工、氮对不锈钢生物相容性的影响规律及相关机理等。例如高氮无镍奥氏体不锈钢相比传统医用不锈钢仅仅是成分上的差异，即摒弃了镍而加入了氮，而奥氏体结构未变，但其却表现出更为优良的血液相容性，是加氮的贡献还是去镍的影响，国内外的研究者也没有给出明确的结论。
通过几年的研究，杨柯的团队发现，首先是镍的去除改善了不锈钢的血液相容性，而随着钢中氮含量的提高，高氮无镍奥氏体不锈钢的血液相容性也会逐渐提高。杨柯介绍说：“我们还与东北大学材料与冶金学院的姜周华教授领导的课题组合作，攻克了高氮不锈钢的冶炼难题，获得了化学成分合格的实验材料。”
据杨柯介绍，在研究中，他们还遇到了许多其他困难，例如在实验研究中需要大量的新鲜血液，由于现在国家对血液管制非常严格，提供之前需要反复检测，致使他们得到的都是几天后的陈旧血液，影响实验结果。“为了保证实验的准确性，保证大量的反复实验的顺利进行，很多情况下是具体负责这个项目的任伊宾博士自愿献血来完成实验，他已为这项实验献血10多次。”杨柯说。
在杨柯团队研究开发过程中，相继得到了国家“863”项目、国家自然科学基金重点项目、中科院知识创新重要方向性项目以及省市地方等方面的资助。“正是由于大量资金的支持，才使我们能够开展大量的研究和测试工作，获得了大量实验研究结果，并取得了最后的成功。”杨柯说道。
期待2012年造福患者
目前，杨柯团队关于新型高氮无镍奥氏体不锈钢的产品开发主要集中在骨科医疗器械和心血管支架。他们研制的新材料的细胞毒性、溶血、致敏反应、急性毒性试验、血栓试验及遗传毒性等生物安全性方面已经在中国药品生物制品检定所通过了检验。另外，采用无镍奥氏体不锈钢和医用317L不锈钢制作的微型骨板，也在广州军区总医院使用新西兰大白兔进行了3个月的股骨骨折重建内固定对比研究，实验结果表明无镍奥氏体不锈钢适宜用于加工骨板和骨螺钉等内固定植入器件。杨柯透露，无镍奥氏体不锈钢心血管支架的动物实验将在2010年上半年开始。
目前，国际上只有一家美国公司开发的医用高氮无镍奥氏体不锈钢和一家瑞典公司开发的加氮低镍医用奥氏体不锈钢已经在欧美市场得到大量应用。而国内目前只有中科院金属研究所正在进行医用无镍奥氏体不锈钢及相关医疗器械的研发工作，具有自主知识产权，并与国际水平相当。
杨柯说：“无镍奥氏体不锈钢植入器件开发在完成动物实验后，还需要完成国家规定的临床植入试验，然后才能获得试生产许可，投入临床应用。由于临床试验以及相应产品审批的周期较长，我们预计2011年开始临床试验，争取在2012年获得市场准入。”
杨柯指出，随着相关基础性研究工作的不断深入，医用高氮无镍奥氏体不锈钢在材料冶炼和加工工艺方面的日渐成熟，必将会推动这一新型医用不锈钢的临床应用及发展。新型无镍奥氏体不锈钢在医疗器械、食品餐饮器械、首饰及其他与人体经常接触的不锈钢产品方面都将会有很大的需求市场，并有可能逐步取代现有的含镍医用不锈钢。 
无镍奥氏体不锈钢骨板和骨钉 
两种不锈钢骨板对比，由于无镍不锈钢的强度高，由其制作的骨板（左）厚度可明显薄于317L不锈钢骨板（右） 
采用高氮无镍奥氏体不锈钢开发的新型心血管支架，支架材料本身有无镍和抗凝血等优势。
