外科植入物的国家标准中对于植入物设计所用的金属材料化学成分有着严格规定。以不锈钢植入物为例，国家标准对于钢的牌号及其中的Ni、 Cr 、Mo 、Mn等化学成分均做出了规定。[1]
但常见医用不锈钢，例如316L不锈钢仍存在生物相容性及相关问题，包括不锈钢植入人体后由于腐蚀或磨损造成腐蚀产物所引起的组织反应（如出现水肿、感染、组织坏死等），从而导致疼痛和过敏反应等。特别是不锈钢中镍离子析出诱发的病变。因此植入物设计领域仍需要低镍和无镍的医用不锈钢材料。
在原始材料发展的同时，外科植入物以及手术器械的制造技术也在不断发展，其中基于粉末床激光熔化（LPBF）工艺的金属3D打印技术已在该领域展示出了明确的产业化方向。对于增材制造技术而言，也同样需要在化学成分和增材制造加工性能方面更为优化的新型材料。
根据3D科学谷的市场观察，Carpenter Technology 开发了一种增材制造医用不锈钢材料, 该材料几乎不含镍并且在激光粉末床熔合（L-PBF）3D打印系统中显示出良好的加工性能。
来源：Medical Design Briefs
为植入器械的质量提升而优化
化学成分的优化
Carpenter 对新型医用不锈钢材料与传统不锈钢材料进行了比较。根据Carpenter 的数据，BioDur 108不锈钢的镍含量最高为0.05 wt％。除了针对患者优化的化学成分外，BioDur 108还具有比BioDur 316LS 材料更好的机械性能。
▲表1. BioDur 108，BioDur 316LS的典型化学成分，BioDur 108基本上不含镍，是对患者友好的传统使用材料的替代品。来源：Medical Design Briefs
如表2所示，BioDur 108作为一种基本不含镍的合金，耐腐蚀性和机械强度都更高。
▲表2 两种材料棒材的典型机械性能。来源：Medical Design Briefs
仅需中等程度的冷加工即可使BioDur 108材料达到250 ksi 屈服强度（YS）和300 ksi 极限抗拉强度（UTS）。ASTM F2229.2 中对于低镍不锈钢材料在外科植入物制造中所需的典型机械性能目标做了规定。[2]
在对由退火棒材制成的试样进行旋转束疲劳试验的研究中，该棒材的晶粒尺寸为ASTM＃5，极限抗拉强度为930 MPa（135 ksi），[3]观察到的疲劳极限约为380 MPa（55 ksi）。BioDur 108重度冷加工的的疲劳数据尚未完成，但是对于针对特定可用和正在进行的定制应用的定制疲劳测试，预期结果将是有利的。在耐腐蚀研究中，计算出的4个BioDur 108的耐点蚀当量值（PREN）为31，BioDur 316LS为28，BioDur 108具有更好的耐腐蚀性。
生物相容性和非磁性性能是当前使用BioDur 316LS等材料作为医用材料的前提条件。BioDur 108 材料的细胞毒性、刺激性、急性全身毒性、热原性、诱变性、组织病理学植入和血液相容性外部测试已开展。这些生物相容性测试均为BioDur 108 材料带来了良好的结果。BioDur 108在所有条件下都是非磁性的，并且基本上没有铁素体相，可与磁性环境（例如MRI扫描仪）兼容。定期进行铁氧体认证测试，结果包括在材料测试报告中。
适合增材制造的新型合金
增材制造实现植入物复杂设计上具有优势，但增材制造技术的应用不能以牺牲材料性能为代价。
Carpenter面向增材制造技术，优化了BioDur 108 材料的化学成分，并开发了定制的打印工艺参数。高压氮雾化的BioDur 108粉末在高密度（> 99.8％）的LPBF 3D打印系统中显示出良好的加工性能，并且未观察到裂纹。Carpenter针对这一材料探索了几种后处理条件，包括去除应力、退火、热等静压（HIP）、HIP加退火条件。在大多数热处理条件下，该材料是接近100％的奥氏体，避免其他医疗设备的电磁干扰。
▲表3. BioDur 108和常用316L不锈钢中增材制造零件典型机械性能。来源：Medical Design Briefs
拉伸机械性能符合ASTM F2229条件A（退火）的变形最小值，3D打印后和应力消除后性能符合条件B冷加工拉伸性能（极限拉伸强度150 ksi）。如表3所示，在比较增材制造材料的性能时，BioDur 108的强度比316L高出50％以上，同时还表现出优异的耐腐蚀性，镍去除性以及预期的疲劳强度提高。在完工或消除应力的状态下，BioDur 108还具有与50％的316L冷加工性能相当的极限强度和屈服强度。
▲BioDur 108 增材制造粉末。来源：Carpenter
为提升器械质量而提出的需求
在医用不锈钢材料领域，一方面的发展需求是优化材料的化学性能，减少因镍离子析出等因素引发的病变；另一方面的发展需求是开发能够与新兴制造工艺相结合的新材料，为植入物医疗器械的设计优化带来新思路，如开发面向增材制造工艺的新型合金材料，与优化的工艺参数相结合，减少3D打印外科植入物的缺陷，带来更高质量的医疗器械产品。
3D科学谷将在近期发布《不锈钢3D打印白皮书》，敬请关注。
参考资料：
[1] GB/T 4234-94 《中华人民共和国国家标准-外科植入物用不锈钢》。
[2] ASTM F2229 , “Standard Specification for Wrought, Nitrogen Strengthened 23 Manganese-21Chromium-1Molybdenum Low-Nickel Stainless Steel Alloy Bar and Wire for Surgical Implants (UNS S29108)”.
[3] ASM Tech Spotlight.
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