We krijgen regelmatig de vraag van klanten of er ook RVS zonder nikkel bestaat, meestal in verband met nikkelallergie. Vanwege medische toepassingen zijn inderdaad nikkelvrije austenitische roestvaste staalsoorten ontwikkeld. Het artikel hieronder is een vertaalde beknopte versie van dit artikel van de Chinese onderzoekers Yang en Ren over RVS zonder nikkel: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5090547/
De schadelijke effecten van het vrijkomen van nikkelionen in het menselijk lichaam hebben geleid tot de ontwikkeling van nikkelvrije austenitische roestvaste staalsoorten voor medische toepassingen met een hoog stikstofniveau. Stikstof vervangt nikkel niet alleen voor de stabiliteit van de austenitische structuur, maar verbetert ook de staaleigenschappen.
Introductie
Metalen zijn verreweg de oudste materialen die bij chirurgische ingrepen worden gebruikt. Vanwege cruciale en schadelijke effecten van metaalcorrosie op het menselijk lichaam, is de geschiedenis van de ontwikkeling van implantaatmetalen grotendeels gericht geweest op het zoeken naar beter corrosiebestendige materialen. Tegenwoordig omvatten de veel gebruikte metallische biomaterialen voornamelijk RVS, titanium en zijn legeringen, kobalt-chroom-gebaseerde legeringen, evenals tantalium, niobium en goud.
Roestvast staal, met AISI 316L als beste voorbeeld, wordt meestal gebruikt in de orthopedie vanwege lage kosten, goede mechanische eigenschappen en eenvoudige verwerking. Er werden in de loop van de tijd echter problemen vastgesteld met medische RVS-soorten. Ten eerste zijn de medische roestvaste staalsoorten dichter, sterker en hebben hogere elasticiteitsmodulus dan botten, wat het botgenezingsproces kan verergeren.
Ten tweede is er onvermijdelijke corrosie en slijtage van de medische roestvaste staalsoorten in de lichaamsvloeistoffen, zoals spleetcorrosie, interkristallijne corrosie, putcorrosie en wrijvingsslijtage. Deze factoren leiden waarschijnlijk tot een vroege breuk of falen van de implantaten, en corrosie van de geïmplanteerde apparaten kan resulteren in het vrijkomen van schadelijke stoffen in het lichaam.
Het belangrijkste probleem ten slotte is het negatieve effect van metaalionen die los kunnen komen van de roestvrijstalen implantaatapparatuur vanwege corrosie, slijtage of andere redenen. Nikkel en chroom staan bekend als potentieel schadelijke elementen in het medische RVS. Nikkelionen fungeren namelijk als allergenen die huidontstekingen zoals zwelling, roodheid, eczeem en jeuk op de huid kunnen veroorzaken. Daarnaast kunnen ze leiden tot allergische reacties.
Vanwege het schadelijke effect van nikkelionen uit de austenitische roestvaste staalsoorten als AISI 316L op het menselijk lichaam, worden de stikstofvrije nikkelvrije austenitische roestvaste staalsoorten, in het algemeen het Fe-Cr-Mn-Mo-N-systeem, steeds vaker als potentiële vervanging gebruikt. Stikstof is een sterk austeniet-element en is met succes gebruikt om nikkel te vervangen, wat de mechanische eigenschappen en corrosieweerstand van staal grotendeels verbeterde. Gezien de potentieel schadelijke effecten van nikkelhoudend RVS op het menselijk lichaam stelden experts voor om het nikkelgehalte in de medische roestvrijstalen producten, zoals medische implantaten, tandheelkundige materialen en ornamenten te verbieden of te beperken. Daarom worden de medische stikstofrijke, nikkelvrije austenitische roestvaste staalsoorten een belangrijk medisch materiaal.
Nikkel is een metaalachtig element dat van nature aanwezig is in de aardkorst. Vanwege unieke fysische en chemische eigenschappen worden nikkel en zijn verbindingen op grote schaal gebruikt in de moderne industrie. Nikkel en zijn legeringen, met name nikkelhoudende austenitische roestvaste staalsoorten, waren de afgelopen decennia onmisbaar voor technologische vooruitgang. Nikkellegeringen worden vaak gebruikt als prothese en implantaten in medische gebieden, evenals vele items in het dagelijks leven als munten, keukengerei, horloges, juwelen, gespen, enz. Fe-18Cr-14Ni-2Mo austenitisch RVS is een typisch -en het meest gebruikte- medisch RVS. De toepassing voor implantaten is gestandaardiseerd in ISO 5832-L en ASTM F138 of F139 [ 25 - 27 ].
Men heeft ingezien dat blootstelling aan nikkelverbindingen nadelige gevolgen kan hebben voor de menselijke gezondheid, waarvan nikkelallergie de meest voorkomende en bekende reactie is [ 9 , 15 ]. Het aantal vrouwen met nikkelallergie is de laatste decennia elk jaar verdubbeld. Dermatologen vermoeden dat ongeveer 20% van de jonge vrouwen en 4% van de jonge mannen lijdt aan de nikkelallergie. Het allergische effect van nikkel en nikkellegeringen is afkomstig van hun gemakkelijke ionisatie door menselijk zweet bij contact met de huid. Dat nikkelallergie bij vrouwen vaker voorkomt is niet genetisch bepaald, maar zou verband kunnen houden met vaker dagelijks gebruik van nikkelhoudend keukengerei en sieraden. Bovendien kan de algehele milieuvervuiling ook een belangrijke reden zijn voor het alsmaar toenemende aantal mensen met een nikkelallergie.
In sporenhoeveelheden is nikkel noodzakelijk voor de normale functie van het menselijk organisme, maar een te hoge concentratie kan gezondheidsproblemen veroorzaken. Nikkel in hoge doses en in bepaalde vormen is giftig voor zowel mens als dier. Het Internationaal Agentschap voor Kankeronderzoek (IARC) beoordeelde de kankerverwekkendheid van nikkel in 1990.Alle nikkelverbindingen, met uitzondering van metallisch nikkel, zijn toen geclassificeerd als kankerverwekkend voor de mens.
Vanwege de bovengenoemde problemen is in sommige landen van de Europese Gemeenschap en in de Verenigde Staten wetgeving vastgesteld om het gebruik van nikkelhoudende materialen op en in het menselijk lichaam te beperken. In 1989 beperkten Denemarken en Zweden het gebruik van nikkel in sommige toepassingen, gericht op het verminderen van nikkelallergie.
Afgifte van nikkel uit RVS
Nikkelhoudende RVS-soorten zijn veilig tenzij ze gecorrodeerd zijn en de hoge doses nikkelionen interageren met lichaamsweefsels. Corrosie van nikkelhoudend RVS is echter onvermijdelijk in de lichaamsvloeistof. Een bijzonder controversieel gebied is het gebruik van nikkelhoudende RVS-soorten bij chirurgische en tandprothesen. Hoewel deze staalsoorten in het algemeen bestand zijn tegen homogene corrosie, zijn ze gevoelig voor plaatselijke corrosie zoals putjes, spleetcorrosie en spanningscorrosie. Corrosie van medische roestvaste staalsoorten in de lichaamsvochtomgeving omvat juist meestal interkristallijne corrosie, putcorrosie en spleetcorrosie. Ontstekingsreacties en allergische reacties op metaal, met name op nikkel, doen zich voor bij patiënten met orthopedische, tandheelkundige en andere roestvaststalen implantaten.
Binnen de orthodontie is nikkel één van de meest gebruikte metalen en is het opgenomen in RVS en andere legeringen. Het is aangetoond dat het niveau van nikkel in speeksel en serum aanzienlijk toeneemt na het inbrengen van vaste orthodontische apparaten.
De beste methode om nikkelallergie of andere schadelijke effecten te beperken, is direct contact van het menselijk lichaam met nikkelhoudend materiaal te vermijden. Gezien het potentiële gevaar van nikkel en de brede toepassingen van RVS in medische gebieden is de ontwikkeling van nikkelvrije RVS-soorten voor medische toepassingen van groot belang. Die moeten voldoen aan de volgende vereisten: afwezigheid van nikkel, goede biocompatibiliteit, geen ferromagnetisme, hoge weerstand tegen corrosie en een goede combinatie van mechanische eigenschappen, zoals sterkte, taaiheid, vermoeidheiduithoudingsvermogen, slijtvastheid, enzovoort.
Nikkelvrije corrosiebestendige staalsoorten zijn al tientallen jaren ontwikkeld, maar nikkelvrij ferritisch of martensitisch roestvast staal is ferromagnetisch en heeft een slechte geleiding. Nikkelvrij austenitisch RVS is niet-ferromagnetisch en het nikkel in staal kan worden vervangen door stikstof of mangaan, of beide. Door het effect van stikstof op de austenietstabiliteit, mechanische eigenschappen en corrosieweerstand van staal te verhogen en om de vorming van ferritische fase te voorkomen, kan stikstofrijk nikkelvrij RVS het 'nikkelprobleem' in medisch RVS oplossen.
Corrosiebestendig nikkelvrij austenitisch roestvast staal kan worden geproduceerd als grote hoeveelheden chroom, molybdeen en stikstof in het staal worden gelegeerd. Zowel stikstof als koolstof zijn krachtige en effectieve stabilisatoren van de austenietstructuur. Daarom is het koolstofgehalte in medisch RVS beperkt tot minder dan 0,03%. Het beste en enige aanvaardbare element om de austenitische fase in nikkelvrij staal te stabiliseren, is stikstof. Om die reden zijn nikkelvrije austenitische roestvaste staalsoorten ontwikkeld waarin nikkel volledig wordt vervangen door stikstof. Bovendien zorgt een hoog stikstofgehalte voor een betere corrosieweerstand.