徐瑩，吳堅，肖鋒，顧曉峰，陸文敏，任維彬

1 南京醫(yī)科大學附屬常州第二人民醫(yī)院 耳鼻咽喉科，常州市，213000

2 江蘇理工學院 機械工程學院，常州市，213001

0 引言

手術用不銹鋼類器械因其較好的耐腐蝕性、優(yōu)良的力學性能以及相對較低的制造成本，被廣泛應用于引流夾取、術中斷離、內置固定以及留取保存等術中操作，為手術操作的精準實施提供幫助[1-3]。但鋼質術用器械在大量的臨床實踐中仍表現(xiàn)以下方面不足：

（1）植入固定類器械的高密度以及鋼材質與骨質之間的力學差異性，形成力學遮擋效應，引發(fā)植入端骨受力面質地疏松及空隙增加等附加效應。

（2）體液酸性腐蝕條件下，器械腐蝕及磨蝕加劇，主要表現(xiàn)為器械植入加固部位的縫隙腐蝕，器械組織內的晶間腐蝕，以及外表面局部的點蝕，影響術用器械的力學性能和生物相容性。同時，腐蝕帶來的離子溶出還可能引起種植體周圍組織的局部壞死或炎癥反應，影響宿主的健康。

（3）不銹鋼中的Ni、Cr等致敏因子溶出，造成Ni接觸皮炎或濕疹，若發(fā)生富集則可能產生毒性效應，引起繼發(fā)性細胞破壞或發(fā)炎反應，并有致畸、致癌的危害性[4-6]。

針對該問題，國內外研究者開展了系列研究：MENZEL等[7]分析并論證了高N無Ni不銹鋼在醫(yī)療領域運用的可行性，并對某鐵基替代性材料進行了組織與性能研究；THOMANN及其團隊[8]開展了Fe17Cr10Mn3Mo的無Ni不銹鋼模擬體液耐蝕性研究，驗證了該種無Ni不銹鋼更加適合外科植入；陳越男等[9]對醫(yī)用不銹鋼器械表面開展鈍化處理，提升器械的耐腐蝕性；王帥等[10]提出通過固溶時效處理，在不銹鋼成分中引入元素Cu，提升器械的耐蝕抗菌功能。

盡管國內外學者在該問題研究上取得了較大進展，但尚存以下不足：

（1）植入類器械受力部分與人體骨骼受力仍存在較大力學差異性；

（2）器械的材料成本增幅較大、制造工藝復雜且廢液具有一定污染性；

（3）材料密度仍較大且比強度不夠優(yōu)化，影響受體生理及心理感受。

綜上，研究以術用器械耐腐蝕、耐磨損以及力學性能提升為目標，考慮整體成本、力學相容以及Cr、Ni元素控制等因素，以某手術植入固定器材局部受力功能區(qū)304不銹鋼材料為基體，以具有良好比強度及人體力學相容性的Ti-6Al-4V合金為替代性覆層，基于低功率、高占空比脈沖激光優(yōu)化工藝，開展激光沉積成形制備研究，提升術用器械的表面性能及醫(yī)療效用。

1 替代性覆層制備過程

1.1 覆層制備區(qū)域選取

試驗基材選取位置如圖1所示，該圖所示為術用骨端連接內固定板，為304不銹鋼材質，選擇該連接板與骨鉚接固定槽內緣作為沉積替代性覆層位置，主要原因如下：

（1）該位置為器械與骨連接位置，是縫隙腐蝕易發(fā)區(qū)域；

（2）該位置為鉚接主要受力點，易因受體活動端運動而產生微動磨損；

（3）該位置與骨骼、鋼制鉚釘、血管、神經及肌肉直接接觸，腐蝕環(huán)境及狀況相對復雜，腐蝕環(huán)境相對復雜。

通過對該位置內緣的激光沉積成形，制備熔合良好且具有一定稀釋率的局部結構的功能替代性覆層。

圖1 術用骨端內固定板Fig.1 Internal fixation plate for bone surgery

1.2 激光沉積成形技術

沉積優(yōu)選具有較好耐蝕性和比強度，且成形良好的Ti-6Al-4V合金粉末，粉末粒度約為50～150 μm，沉積試驗前在150oC溫度下預熱該合金粉末2 h，304醫(yī)用不銹鋼與TC4合金材料成分對比如表1所示?；谝延屑す獬练e成形優(yōu)化工藝，試驗采用IPG-4000光纖激光沉積系統(tǒng)，利用四路同軸送粉方式進行，采用氬氣進行熔池保護，采用激光功率為800 W，掃描速度為6 mm/s，載氣流量120 L/h，送粉速率為21.4 g/min，光斑離焦量為3 mm，光斑直徑為3 mm，脈寬為10 ms，占空比為1:1[11]，成形路徑為該內邊緣擬合而成的弧形路徑。沉積成形后，線切割切取該內緣沉積部位試樣尺寸為20×20×8 mm3，并進行熱鑲嵌及表面的打磨與拋光，以備分析之用。

2 覆層組織與性能

2.1 Cr、Ni元素含量控制

Ti-6Al-4V合金熔覆層頂部EDS圖譜（圖2）可知，覆層頂部Ti元素含量約為83.2%，Al元素含量約為4.9%，V元素含量約為3.3%，C元素含量約為2.0%。由上述元素含量可知，在激光熔池的強烈對流與攪拌作用下，覆層頂部元素分布較為均勻，無明顯偏析及偏聚現(xiàn)象產生；但碳元素含量明顯高于原合金粉末中該元素含量，這是因試樣熱鑲嵌過程而引入。進一步，覆層頂部作為術用器械直接工作表面，未有明顯Cr、Ni元素檢出，說明該工藝下，基材內Cr、Ni元素未被熔池攪拌帶至頂部，被較好地控制在底部及界面等部位，實現(xiàn)了Cr、Ni元素的阻隔，使致敏因子含量得到了有效控制。

2.2 覆層組織形態(tài)驗證

圖3所示為覆層頂部與界面處金相組織形貌，由圖3（a）可知，覆層頂部主要為等軸α相以及少量的片狀β相，這是因為α相為高溫非穩(wěn)態(tài)相，在熔池形成與維持的高溫階段，部分性地回溶轉變?yōu)棣孪?，在熔池隨后的凝固過程中，部分β相晶粒以馬氏體組織形式保留，α相數(shù)量相對減少。由圖3（b）可知，β相晶界彌散析出少量取向不同且相互交錯的針狀α′馬氏體組織，而片層組織與α′馬氏體組織形成了初始網(wǎng)籃結構，該組織形態(tài)的初步形成有利于材料塑性、蠕變抗力及斷裂韌性等性能的提升[12-15]。而該植入性器械替代性覆層所在位置為應力集中區(qū)，易發(fā)生應力腐蝕而斷裂，替代性的覆層性能生成將有利于該植入器械的性能穩(wěn)定。

圖2 熔覆層頂部EDS圖譜分析Fig.2 The EDS atlas analysis of the cladding layer from the top to the interface

圖3 TC4合金激光再制造覆層金相組織Fig.3 The microstructure morphology of TC4 alloy for laser remanufacture

2.3 物相析出晶間強化

從替代性覆層內析出的顆粒狀晶間強化相（圖4）可知，該顆粒狀強化相的析出主要是熔池快速冷凝過程中，較大的溫度梯度形成了細晶組織產生的有利條件，利于部分細片層β相轉變?yōu)獒槧瞀痢漶R氏體組織，并進一步細化和分化為顆粒狀，在快速冷凝條件下而析出。該部分強化相的析出對交錯的網(wǎng)籃組織晶界具有較好的釘扎作用，利于該術用器械強度和表面硬度等基本力學性能的提升[14-15]。

表1 304醫(yī)用不銹鋼與TC4合金材料成分對比(%)Tab.1 Composition comparison of 304 stainless steel and TC4 alloy materials(mass fraction/%)

圖4 替代性覆層內顆粒狀強化析出相Fig.4 Granular reinforced precipitates in the alternative cladding

2.4 覆層表面硬度驗證

為進一步驗證Ti-6Al-4V覆層表面硬度分布，選取覆層頂部、中部、底部以及界面處部位橫剖面水平等距的5個測試點進行測量，測量后求取平均值，試驗結果如圖5所示。由圖5可知，覆層硬度分布在352.08～312.76 HV0.1之間，由覆層頂部至界面呈現(xiàn)遞減趨勢，覆層各部位硬度均高于基體。這主要是因為覆層頂部具有相對最大的溫度梯度，利于細晶組織的形成以及β相向等軸α相的轉化；而界面處受熱輸入影響，硬度雖有一定程度下降，但仍高于基體304不銹鋼表面硬度，可滿足該器械局部的力學性能要求。

2.5 覆層耐磨性試驗

為進一步驗證覆層表面的摩擦磨損性能，采用NANOVEA摩擦磨損測試儀進行球-盤接觸式往復摩擦磨損試驗，試驗在常溫無潤滑條件下進行，摩擦副選用φ6 mm的GCr15鋼球，加載力為2 N，加載頻率為3 Hz，試驗結果如圖6所示。由圖6可知，該Ti-6Al-4V覆層試樣在3 Hz的加載頻率下，摩擦系數(shù)主要分布在0.22～0.65之間；該加載頻率下，摩擦系數(shù)在試驗初期變化較小，呈遞增趨勢。這主要是因為摩擦試驗開始階段，對磨面粗糙度與摩擦力較小，摩擦系數(shù)變化速度也相對較小，隨著摩擦磨損的進行，對磨面表面粗糙度與摩擦力逐漸增大，摩擦副表面溫度也隨之升高，溫度的升高增大覆層表面氧化膜在摩擦作用下破碎與脫落可能性，且部分磨屑可能塞積在對磨面之間，產生犁溝作用，進一步加劇摩擦。上述都是摩擦系數(shù)后期增加的原因，但同時證明該覆層摩擦系數(shù)高于原基體304不銹鋼，具有更好的摩擦學性能[16]。

圖5 Ti-6Al-4V覆層顯微硬度試驗測試結果Fig.5 The micro-hardness matching experiment result of the Ti-6Al-4V coating

圖6 摩擦系數(shù)隨時間變化曲線Fig.6 The curve of friction coefficient with time

3 結論

（1）該手術用器械局部替代性覆層中Ti元素含量約為83.2%，Al元素含量為4.9%，V元素含量為3.3%，覆層的制備實現(xiàn)了Cr、Ni元素的阻隔，有效降低了致敏因子含量。

（2）覆層組織主要由初始等軸α相及部分片狀β相組成，β相晶界上彌散析出少量針狀α′馬氏體組織，共同構成初始的網(wǎng)籃結構，提升了覆層塑性、蠕變抗力及斷裂韌性等性能，使覆層具有優(yōu)于原304不銹鋼的組織形貌；部分β相細化與分化為顆粒狀，彌散分布于網(wǎng)籃組織內部，起到晶間強化作用，釘扎在交錯的網(wǎng)籃組織晶界，利于覆層強度的提升。

（3）覆層硬度分布在352.08～312.76 HV0.1之間，優(yōu)于基體。覆層摩擦系數(shù)在3 Hz加載頻率下，其摩擦系數(shù)在0.22～0.65之間，相較于基體具有更好的摩擦磨損性能；

（4）該研究選擇304不銹鋼植入性骨骼支撐器械，實現(xiàn)受力集中部位功能區(qū)替代性覆層制備與驗證研究，驗證了該方法的有效性，實現(xiàn)了術用鋼質器械性能的提升，同時也兼顧了制造成本和環(huán)境友好性。