DK174143B1

DK174143B1 - Anvendelse af en rustfri ferritisk-austenitisk stållegering til fremstilling af medicinske implantationslegemer

Info

Publication number: DK174143B1
Application number: DK198901922A
Authority: DK
Inventors: Peter Carl Ulfson Hagenfeldt; Annika Maria Roos
Original assignee: Sandvik Ab
Priority date: 1988-04-21
Filing date: 1989-04-20
Publication date: 2002-07-15
Also published as: EP0339004A3; DK192289D0; EP0339004A2; DE68908942T2; SE461191B; SE8801474D0; US4964925A; SE8801474L; EP0339004B1; DE68908942D1; JPH0217072A; DK192289A

Description

i DK 174143 B1 - Den foreliggende opfindelse angår anvendelse af en rust fri stållegering, nærmere bestemt en f erntisk-austeni-tisk rustfri stållegering til fremstilling af medicinske implantationslegemer. Et implantationslegeme er et mate-5 nåle, som permanent eller temporært indopereres i et væv i kroppen. Materialet er karakteriseret ved en forbedret modstandsdygtighed imod korrosion i agressive chlorid-omgivelser, gode mekaniske og fysiske egenskaber, god modstandsdygtighed imod metaltræthed og god 10 biokompatibilitet.

De to typer af materialer, som primært har været anvendt som materialer til fremstilling af medicinske lmplanta-tionslegemer, er titanlegeringer og austenitiske rustfri 15 stållegeringer. Det er ikke nogen fordel at anvende titanlegeringer, fordi disse er meget kostbare, når der er tale om at fremstille proteser og lignende legemer. Det austenitiske stål med betegnelsen ASTM F138-86, som har været anvendt, er en Cr-Ni-Mo stållegering, som mdehol-20 der 17-19% Cr, 13-15,5% Ni, 2-3% Mo, maksimalt 0,03% C og maksimalt 0,10% N, medens resten er Fe og urenheder i normale mængder, denne materialetype er imidlertid problematisk at anvende i implantationslegemer på grunif af tilbøjeligheden til korrosion og erosion og på grund af 25 de mangler, der opstår på grund af metaltræthed.

1 overensstemmelse med den foreliggende opfindelse har det vist sig, at en ferrltisk-austenitisk stållegering, som indeholder 30-55% ferrit, og som har et passende 30 optimeret indhold af andre bestanddele, er velegnet til anvendelse i omgivelser, hvor tilstedeværelsen af chlo-ridioner, eksempelvis i humane legemsvæv, giver anledning til en høj grad af korrosion. Den stållegering, som er anvendelig ifølge opfindelsen, indeholder (i 35 vægtprocent) fra spormængder og op til 0,05% C, 23-27%

Cr, 5,5-9,0% Ni, 0,25-0,40%N, max 0,8% Si, max l,2%Mn, 2 DK 174143 B1 3,5-4,9%Mo, max 0,5%Cu, max 0/5 W, max 0,010% S, max 0,5 V, max 0,18% Ce og Fe og normale urenheder, og indholdet af legeringselementer er indstillet på en sådan mådér at følgende betingelser er opfyldt: 5 % Mn - < 3

% N

10 % Cr + 3,3 % Mo + 16 % N - 1,6 Mn - 122 % S > 39,1 og indholdet ferrit er mellem 30% og 55%. Den ovenfor definerede legering, som udviser god strukturstabilitet og god bearbe}delighed, vil i det følgende blive angivet 15 ved betegnelsen SAF 2507.

Korrosionsegenskaberne er særligt vigtige for et materiale, som skal være velegnet til anvendelse i fysiologiske omgivelser, så som kunstige legemsvæsker, der mde-20 holder en ca. 0,9% NaCl-opløsning, og som har en temperatur på omkring 37 °C. Med henblik på at undersøge modstandsdygtigheden imod korrosion har man underkastet dette materiale (SAF 2507) et antal forsøg sammen^med et austenitisk materiale, som har betegnelsen ASTM F138-25 86. Begge materialer blev således underkastet de følgen de elektrokemiske testmetoder: (a) cyclisk potentiodynamisk polar isationstest 30 (b) ASTM F746-81 (c) pH-depassivermg (d) CPT-kntisk temperatur for punktkorrosion.

35 3 DK 174143 B1

Tegningens fig. 1 illustrerer resultaterne af den ovennævnte testmetode (a), hvor potentialet (mV i relation til SCE*) er vist som funktion af strømtætføden (nA/cm2).

5 * SCE - standard calomel-elektrode

Ved hjælp af denne metode bestemmes resistensen med hensyn til påbegyndelse og udvikling af punktkorrosion 10 og revnekorrosion. Polansationskurverne opnået for-»SAF 2507 og for ASTM F138-86 og deres forskellige opførsel viser, at der er klare forskelle med hensyn til korrosionsegenskaberne. Således synes SAF 2507 at have et gennembrudspotentiale på omkring +800 mV, og korrosionen 15 begynder først at brede sig ved potentialer på omkring det samme niveau. Man opnåede betydelig lavere værdier for ASTM F138-86. Således var gennembrudspotentialet omkring +300 mV, og korrosionen begyndte at brede sig allerede ved omkring +100 mV.

20

Testmetoden (b), om hvilken man sædvanligvis benytter betegnelsen ASTM F746-81, er den eneste standardiserede testmetode til undersøgelse af modstandsdygtigheden 4mod punktkorrosion og revnekorrosion hos nye metalliske 25 implantationsmaterialer. Ved denne testmetode bestemmer man gennembrudspotentialet og det kritiske potential.

Den nedenstående tabel 1 viser de opnåede resultater:

Tabel 1 30

Stålleqermg Kritisk potential (mV) SAF 2507 > + 800 35 ASTM F138-86 + 250 4 DK 174143 B1

Som det fremgår af den ovenstående tabel, har SAF 2507 et betydeligt højere gennembrudspotentral end ASTM F138-86, og denne forskel indikerer en forbedret korrosfons-modstand.

5

Den ovenfor nævnte testmetode (c) udnytter de potentio-metriske polarisationsmålinger til at bestemme resistensen imod korrosion i sure omgivelser. Dette er også et mål for modstandsdygtigheden imod punktkorrosion og 10 revnekorrosion. I den nedenstående tabel 2 er angivet de opnåede måleresultater!

Tabel 2

15 Stålleqennq pH

SAF 2507 0,96 ASTM F138-86 1,35 20

Det ses at materialet SAF 2507 udviser en klart lavere pH-værdi med hensyn til depassivenng, hvilket indikerer en forøget korrosionsmodstand.

25 Endelig er testmetoden (d) baseret på måling af de temperaturer, ved hvilke der optræder et strømgennembrud ved forskellige påtrykte potentialer. Temperaturerne og potentialniveauet angiver modstandsdygtigheden imod angreb af punktkorrosion. Tegningens figur 2 viser de 30 reesultater, som er opnået ved disse målinger. Som det fremgår af de opnåede CPT-kurver har man fundet værdier for SAF 2507, som er klart bedre end værdierne for ASTM F138-86.

35 Med henblik på at bestemme materialets egenskaber med hensyn til biokompatibilitet har man foretaget 3 for- 5 DK 174143 B1 skellige delforsøg i cellekulturer, som er dyrket på basis af væv udtaget fra mundhulen fra en forsøgsperson.

Sammen med SAP 2507 omfattede forsøget såvel ASTM 133-86 som titanlegeringer.

S

Delforsøg nr. 1 omfattede en undersøgelse af evnen til at danne cellekolomer og væksthastigheden af disse cel-lekolonier i løbet af 8 dages eksponering af testmaterialerne. Værdierne er sammenlignet med de værdier, som 10 opnås fra celler uden materialeeksponering. Den neden stående tabel 3 viser de opnåede måleresultater.

Tabel 3 15 Materiale CFEa) CGRb> SAF 2507 100% 0,8 ASTM F138-86 100% 0,8 20

Titan 100% 0,8

Kontrol 100% 0,8 25 a) Evne til kolonidannelse b) Væksthastighed af kolonier

Det ses, at de målte værdier var de samme for alle 30 materialer.

Delforsøg nr. 2 omfattede en undersøgelse af, hvorledes cellerne tilpassede sig efter-testmaterialets overflade.

Man registrerede ligeledes en eventuel celle-lysermgs-35 zone. Denne test forløb over 10 dage. Der kunne ikke findes nogen celle-lyseringszone hos nogen af materia- DK 174143 B1 6 lerne, og cellernes tilpasningsevne var den samme for alle materialernes vedkommende.

Delforsøg nr. 3 omfattede en undersøgelse af emissionen 5 af eventuelle metalioner og/eller ion-aggregater fra materialerne. Prøveemnerne blev holdt i 3 uger i et vækstmedium for væv, hvorefter de blev undersøgt i overensstemmelse med delforsøg nr. 1. Den nedenstående tabel 4 angiver de fundne måleresultater.

10

Tabel 4

Mater lale CFE CGR

15 SAF 2507 100% 0,8 ASTM F138-86 95% 0,8

Titan 90% 0,7 20

Kontrol 100% 0,8

Som det fremgår af måleresultaterne, synes SAF 2507= at have den bedste evne til kolonidannelse, samtidigt med 25 at materialet udviser en god væksthastighed af kolonier, nærmere bestemt på samme niveau som de øvrige undersøgte mater laler .

Man har undersøgt de mekaniske egenskaber ved at måle 30 flydespændingen, brudstyrken, forlængelsen og hårdheden for materialer i bratkølet og udglødet tilstand ved 20 °C, hvilket svarer til de betingelser, som kræves for ASTM-specifikationer. Den efterfølgende tabel 5 angtver de fundne måleresultater.

35 DK 174143 B1

Tabel 5 7

Flyde- Brud- For- Hård- spænding styrke længelse hed 5 0,2% A5 Vickers N/mm2 PSI N/mm2 PSI % 10 min min min min min ca„ SAF 2507 550 79800 800 116000 15 260-290 15 ASTM F138-86 190 27600 490 71100 45 150

Som det ses, er de målte værdier for legeringen SAF 2507 klart bedre end værdierne for sammenligningsmatenalet ASTM F138-86. De ovenfor angivne måleresultater for 20 hårdheden antyder også, at SAF 2507 har bedre erosionsegenskaber, eftersom modstandsdygtigheden imod erosion hænger nøje sammen med hårdheden. Hårdheden af duplex-strukturen bidrager således til en bedre modstaads-dygtighed imod erosion for materialet SAF 2507 i forhold 25 til det austenitiske materiale ASTM F138-86.

30 35

Claims

8 DK 174143 B1

1. Anvendelse af en rustfri stållegering med ferntisk-5 austenitisk struktur, som i vægtprocent indeholder max 0,05% C, 23-27% Cr, 5,5-9,0 Ni, 0,25-0,40% N, max 0,8% Si, max 1,2% Mn, 3,5-4,9% Mo, max 0,5% Cu, max 0,5% W, max 0,010% S, op til 0,5% V og op til 0,18% Ce, medens resten er Fe og normale urenheder, og som har et indhold 10 af ferrit på 30-55%, til fremstilling af medicinske implantationslegemer til brug i fysiologiske omgivelser, eksempelvis legemsvæsker indeholdende en ca. 0,9% NaCl-opløsning ved 37 °C.

2. Anvendelse af en legering ifølge krav 1, k e n d e t egnet ved, at indholdet af legeringselementer er justeret på en sådan måde, at følgende betingelser er opfyldt: 20 %Mn < 3 og %N % Cr + 3,3% Mo + 16% N - 1,6% Mn - 122% S > 39,1. 25 30 35