镍对人体的危害和医用无镍不锈钢的发展

万鹏

专用材料与器件研究部生物材料课题组

镍对人体的潜在危害

医用不锈钢的现状

无镍医用不锈钢的研究与发展

镍 Nickel

化学符号为 Ni ，原子序数为 28 ，属过渡金属银白色，密度 8.9 克 / 立方厘米。熔点 1455℃ ，沸点2730℃ 。化合价为 +2 和 +3 。质坚硬，具有磁性和良好的可塑性。有好的耐腐蚀性，在空气中不被氧化，又耐强碱。在稀酸中可缓慢溶解，释放出氢气而产生绿色的正二价镍离子；对氧化剂溶液包括硝酸在内，均不发生反应。镍是一个中等强度的还原剂。镍不溶于水，二价镍可能是主要生物类型，在生物体内能与很多物质络合、螯合或结合。

主要用来制造不锈钢和其他抗腐蚀合金，如镍钢、镍铬钢及各种有色金属合金，含镍成分较高的铜镍合金，就不易腐蚀。全球约 66% 的精炼镍用于制造不锈钢

镍是最常见的致敏性金属，约有 20% 左右的人对镍离子过敏，女性患者的人数要高于男性患者。

经常接触镍制品会引起皮肤炎，如有些妇女戴镀镍的耳环， 2~6周后耳垂可出现湿疹 ; 戴镍制手表的皮肤开始出现痒和痛，继之会发生红斑。

镍离子可以通过毛孔和皮脂腺渗透到皮肤里面去，从而引起皮肤过敏发炎，其临床表现为皮炎和湿疹。一旦出现致敏，镍过敏能常无限期持续。患者所受的压力、汗液、大气与皮肤的湿度和磨擦会加重镍过敏的症状。镍过敏性皮炎临床表现为瘙痒、丘疹性或丘疹水疱性的皮炎，伴有苔藓化。

每天摄入可溶性镍 250mg 会引起中毒。有些人比较敏感，摄入 600μg 即可引起中毒。依据动物实验，慢性超量摄取或超量暴露，可导致心肌、脑、肺、肝和肾退行性变。有资料显示：每天喝含镍高的水会增加癌症发病率。

欧盟于 1994年通过了 94/27/EC 指令 (Nickel Release Directive) ，该指示是用以管制镍 (Ni) 在与皮肤有直接及长期接触的产品上的使用量。

“镍的释放一直受到 EC 的限制。对长期接触皮肤的镀金或非镀金产品，其每周排放的数量不超过 0.5ug/CM 2 。而穿环用的金属底部组件如耳环杆，其每周排放量不能超过0.2ug/cm2 。

镍及某些化合物对生物体有致畸、致癌作用 。 镍离子在高浓度时可诱发毒性效应，发生细胞破坏

和发炎反应

部分金属和合金对生体细胞产生 50% 致死率的浓度值

吸入金属镍的粉尘易导致呼吸器官障碍，肺泡肥大。镍盐的毒性强，特别是羰基镍 ( 一氧化碳与镍粉在高温下可形成 ) 有非常强的毒性，因为它容易挥发，又易溶于脂肪组织，很容易进入细胞膜内，而且与蛋白质及核酸的结合力很强。镍盐，特别是羰基镍由呼吸道进入体内，首先伤害肺脏，引起肺水肿、急性肺炎，并诱发呼吸系统癌。镍作业工人中，呼吸道癌发病率高于一般人群，据统计，肺癌发生率高出 2·6倍到 16倍，鼻腔癌竟高出 37~196倍。

对于外科植入物材料来说，奥氏体不锈钢具有优良的综合性能，而且没有磁性。目前应用最为广泛的是 316L 及 317L 不锈钢（ ASTM-F138 ， F139）。

Ni ↓ ，（ N ， Mn ）↑→更加稳定的奥氏体Cr ↑ ， Mo ↑ → 更为优异的耐蚀性能

植入不锈钢

外科植入用奥氏体不锈钢的发展方向 新型医用奥氏体不锈钢 不添加镍元素 优良的生物相容性 无磁性 优异的耐蚀性和耐磨性能 优良的力学性能

（强度、韧性、疲劳等） 良好的加工性能

美国 ASTM 标准中的外科植入用不锈钢的化学成分， wt.%

不锈钢 C Cr Ni Mn Mo Cu Si N 其它F138, 139

≤0.03 17~ 19

13.0~ 15.0

≤2.0 2.25~3.0

≤0.5 ≤0.75 ≤0.1

F745 ≤0.06 16.5~19.0

11.0~ 14.5

≤2.0 2.0~3.0

≤0.5 ≤1.0 ≤0.2

F1314 ≤0.03 20.5~23.5

11.5~ 13.5

4.0~ 6.0

2.0~3.0

≤0.5 ≤0.75 0.2~ 0.4

V, Nb: 0.1~0.3

F1586 ≤0.08 19.5~22.0

9.0~ 11.0

2.0~ 4.25

2.0~3.0

≤0.25 ≤0.75 0.25~0.5

Nb: 0.25 ~0.8

F2229 ≤0.08 19.0~23.0

≤0.05 21.0~24.0

0.5~1.5

≤0.25 ≤0.75 0.85~1.1

F2581 0.15~ 0.25

16.5~18.0

≤0.05 9.5~ 12.5

2.7~3.7

≤0.25 0.2~0.6

0.45~0.55

ASTM 标准表现出医用不锈钢的发展趋势→低镍、高氮

年份 国家 化学成分

1996 瑞士 Fe–(15~18)Cr–(10~12)Mn–(3~6)Mo–0.9N

1996 德国 Fe–18Cr–18Mn–2Mo–0.9N Fe–15Cr–(10~15)Mn–4Mo–0.9N

1999 巴西 Fe–17.5Cr–13.2Mn–0.44Si–0.38N–(CC1) Fe–18.3Cr–15.1Mn–0.28Si–0.42N–(CC2)

2000 瑞士 Fe–17Cr–11Mn–3Mo–0.5N

2000 意大利 Fe–16.62Cr–9.47Mn–3.25Mo–0.49N

2001 美国 Fe–(19~23)Cr–(21~24)Mn–(0.5~1.5)(0.85~1.1)N

2002 日本日本

Fe–(23~24)Cr–2Mo–1.5N Fe–24Cr–2Mo–(0.62~0.92)N, Fe–24Cr–(0.65~0.88)N

2002 中国 Fe–17Cr–14Mn–2Mo–(0.45~0.7)N

中科院金属所在 2001年开发出 BIOSSN4 （ Fe-18Cr-15Mn-2Mo-0.6N）医用奥氏体不锈钢，具有优异的力学性能、耐蚀性、抗疲劳性能和耐磨性能，表现出优良的生物相容性，特别是更为优异的血液相容性。

316L, 0.5h Co-Cr-Mo, 0.5h BIOSSN4, 0.5h

316L, 2h

Co-Cr-Mo, 2h

Co-Cr-Mo, 2h BIOSSN4, 2h

相比 316L 不锈钢和钴铬钼合金，高氮无镍不锈钢具有相对优异的抗血小板粘附能力

无镍不锈钢 12 周0

50

100

150

200

250

300

350

0 4 8 12

( )时间 周

N最

大折

弯力

（）

无镍不锈钢316L医用不锈钢

高氮无镍不锈钢精密钢管壁厚 :0.13+/-0.005mm, Diameter:1.9+/-0.01mm

高氮无镍不锈钢实验钢板和螺钉

高氮无镍不锈钢冠脉支架HNS coronary stents

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