不锈钢在生物制药中的应用

众所周知，不锈钢是生物制药行业的首选材料。不锈钢316L(S31603)一直是制造生物制药生产设备的主要材料，并有可能在这个行业保持其主导地位。然而，由于在过去的很多年中一些法规及性能要求的变化导致工艺设备越来越多地使用了耐腐蚀性能更好的含镍合金。

超级奥氏体不锈钢，通常被称为6%钼钢家族(例如UNS N08367或S31254)和镍—铬—钼“C”系的镍基合金(例如UNSN10276或N06022)是生物制药行业最常用的高性能合金。

在工业中使用的许多介质含氯化物，使用环境的pH值从酸性到中性，温度从低到中等。S31603不锈钢在含氯化物环境中，即使在低温条件其性能也有可能令人不满意，因此腐蚀和它导致产品被污染成为令人担心的问题。6%钼不锈钢的耐腐蚀性能一般远远优于S31603。然而，镍—铬—钼合金在许多含氯化物环境，无论酸性还是碱性，在温度范围更宽的情况下都具有优良的耐腐蚀性，从而在制造工艺设备方面提供比不锈钢更广泛的用途。

合金材料的质量对耐腐蚀性能以及最终对产品的污染有着直接影响，因此是很重要的。由于去除贯穿表面的夹杂物而产生的表面断续点会释放污染物，而它们会影响产品质量和产量。指定用于生物制药用的大多数设备要求高质量，表面无凹点是十分重要的。采用常规的冶炼和工艺方法生产S31603很难使其显微组织无析出和无偏析。镍—铬—钼合金的冶炼和加工一般采用电渣重熔ESM)工艺来实现低偏析特征。因此这些合金有可能获得含杂质非常少的耐腐蚀的显微组织。

常常通过电解抛光和钝化来改善S31603的耐腐蚀性能和清洁性。高性能合金采用电解抛光主要是去除划痕、重叠和擦伤，有些地方可能嵌入的研磨抛光剂。电解抛光去除这些缺陷，使表面在显微镜下看十分均匀而且干净。电解抛光法可以使清洁、消毒和杀菌更容易和更好地进行，从而降低清洁成本，保持最低的维护成本。

生物加工设备(BPE)标准于1997年首次出版，目前仍被认为是用于设备制造的一个良好的制造加工实践的文件。10年来该标准只是以S31603型不锈钢为基础。由于越来越多地使用高性能不锈钢和镍基合金，最新(2009)的版本包括了6%钼不锈钢和镍—铬—钼镍基合金。

尖锐的针头

不锈钢使皮下注射器针头成为生命拯救者。

几乎每个人都受到过皮下注射器针头的注射。它在医学领域不辞辛苦，提供药品和预防接种，抽血样，拯救生命。

皮下注射器针头是一个简单的装置——一个薄的中空金属针与塑料管相连接——但它是当今的医疗工具包的一个重要组成部分。皮下注射(希腊语意“皮肤下”)发明于19世纪中期。被称为“套管”(拉丁文为“小芦苇杆”)的针头本身必须结实、锐利和无菌。具有“优良的耐腐蚀性能和强度的304(UNS S30400)和316(S31600)不锈钢，成为理想的医用材料，”美国马萨诸塞州Needham的Vita针公司市场营销和工程总监Frederick Hartman二世说。公司生产全集成注射器和尖头套管供给北美、欧洲、亚洲和中东的客户。

Vita针公司自1932年成立以来，在其制造工艺中一直使用300系列不锈钢，Hartman估计公司每年要使用5吨不锈钢生产针头。

该材料非凡的可加工性能使制造的针头可达到精确的公差。管形原料用电化学方法切断，针尖可用电化学方法或研磨法成型。

针头在硬化—回火状态下具有高抗拉强度。“必须使针头尽可能尖，并足够宽大以便能有效地抽取或注射东西，壁要薄，强度要高，”Hartman说。此外，304和316的耐腐蚀性意味着针头可以在各种不同的条件下存放或对可重复使用的针头进行强力消毒而不必担心它会被腐蚀。

为了能够用于健康保健，材料必须容易消毒，且不得有害于人体健康，这是300系列不锈钢的主要性能。在医院和医生诊室使用的大部分注射器打算一次性使用，但300系列不锈钢是耐用的，非常适合做成能被清洁和重复使用的特殊的针头。

不锈钢是优质医疗的一个重要组成部分。

在同一句话中一提到“无菌材料”及“不锈钢”，很多人会立刻想到医院的环境。虽然不锈钢本身不能天然灭菌，但它作为无菌材料有许多医疗用途。那是因为它可以反复用烈性消毒化学品处理而不会降低品质。在医院和医疗机构这是特别重要的，来自外部有害的微生物在这些地方很容易蔓延。有两种医疗应用，即植入物和工具的无菌性特别重要。

骨科植入物，如膝、髋和其他关节置换等，以及相关的螺丝、板和线通常用不锈钢制成。使用的其他金属包括钴基合金(常常含有镍)和钛基合金。不锈钢植入物在关节运动时通常与聚乙烯硬塑料摩擦。其他一些设计使用陶瓷植入物。关节置换手术的数量在世界范围内迅速增加。

对植入材料要求不仅与人体兼容而且与后处理诊断技术如X射线和磁共振成像(MRI)兼容。为使MRI检查安全地进行，植入物必须只含非铁磁性材料。为了确保不含有铁磁性的铁素体相，在这些奥氏体不锈钢中额外添加了奥氏体形成元素如镍、氮和锰。

四种常用的不锈钢植入材料行业规范是ASTMF138(S31673)，F1314(S20910)，F1586(S31675)和F2229(S29108)。由于这些标准要求的合金要非常“干净”，即非金属夹杂物，如硫化物、硅酸盐和氧化物的含量低，它们通常使用电渣重熔(ESR)生产。ESR是一个超精炼工ü序，能使不锈钢具有满足这些规范要求的优良的显微清洁水平。它也能满足这些ASTM标准对植入材料的其他特殊要求，如具有细晶粒组织。

长期临床经验证实，符合ASTMF138的S31673不锈钢制成的植入物与人体的生物兼容性是可以接受的。这种不锈钢是几种进行新材料生物兼容性比较的对照材料之一。F138标准注明了外科手术植入材料无法保证避免不良反应，如在体内发炎。一种用做植入物的镍含量非常低的钢种(S29108)可用于对金属特别敏感的病人。

在骨科植入物中使用的一些不锈钢钢种也可用于制作骨螺钉、骨和髋骨钉、板和线。对于那些需要超高机械强度的螺钉，使用UNS S17400(通常叫做17 -4PH或630型)不锈钢。这是一个沉淀硬化钢种，可通过热处理获得所需的强度。

不锈钢的另一个主要应用是医疗工具和仪器。这些产品的市场在世界范围内约300亿美元，不锈钢占很大一部分。含镍不锈钢用于制造牵引器(在进行手术时，约束下面的器官和组织)，刀和其他切割和凿孔工具，镊子，钳子和剪刀。

用于医疗工具和仪器的不锈钢必须有特定的力学性能并能承受体液和清洗、消毒杀菌所用的化学品。它们也必须符合行业规范。ISO7153/1包含可供外科手术、牙科和骨科仪器使用不锈钢的概览和选择说明，ASTM(美国材料试验协会)F899是外科手术器械使用的锻轧不锈钢的一个标准规范。

不锈钢外科手术器械是通常是用硬化马氏体不锈钢制造的。常见的钢种包括431(S43100)，420F(S42020)，440C(S44004)和17-4PH(S17400)。这些材料中的某些钢种镍含量可达4%。

熟悉的奥氏体不锈钢钢种304型(S30400)和316L型(S31603)被用于制造强度和硬度要求不高的器械。它们比400系硬化马氏体不锈钢的耐腐蚀性能要好得多。

值得一提的是，“外科手术不锈钢”这个词常被广告商利用来描述珠宝、表带甚至炊具，通常是指300系钢种之一;但是该术语不精确，没有指定任何特定合金的技术条件。

医疗保健方面不断进步发展，了解不锈钢，特别是含镍不锈钢有助于使那些进步可能实现。