徐 輝，王 巖

鎳鈦記憶合金1962年由美國海軍器械實驗室發(fā)明，其主要由鎳和鈦元素構成。記憶合金有2種截然不同的狀態(tài)，奧氏體和馬氏體。在轉化溫度之上為奧氏體，記憶合金表現(xiàn)為剛度大的特性；在轉化溫度之下為馬氏體，記憶合金表現(xiàn)為柔軟的特性，可以預彎成各種形狀。當溫度升到轉化溫度之上時會回到原來的形狀，這就是形狀記憶效應。另外記憶合金還具有超彈性和高阻尼特性。鎳鈦記憶合金已廣泛應用于醫(yī)學，其細胞毒性、生殖毒性、致癌、致敏、腐蝕、磨損、組織相容性方面的深入研究[1-3]，證明其有較好的生物安全性。

鎳鈦記憶合金在脊柱外科的應用主要有鎳鈦人工頸椎椎間關節(jié)[4]、鎳鈦記憶合金椎體撐開器[5]、頸椎自張式記憶合金椎間融合器[6]、腰椎記憶合金融合器[7]以及脊柱記憶合金棒和記憶合金U型釘?shù)萚8]。脊柱側凸畸形矯正主要為后2種器械。釘棒系統(tǒng)是脊柱畸形矯正的主要器械，目前連接棒的材質主要有鈦合金、不銹鋼、鈷鉻鉬合金。根據(jù)其硬度、彈性模量、組織相容性、及對MRI檢查的影響應用于不同的病例。但存在棒的屈服(鈦合金)、上棒困難(不銹鋼、鈷鉻鉬合金)等應用困難。鎳鈦記憶合金具有記憶效應，在低溫時可以容易塑性，隨著溫度增加，可恢復原來的形狀。此特點可應用于脊柱矯形，本文對鎳鈦記憶合金棒側凸矯形的實驗和臨床研究作一綜述。

1 實驗研究

國外學者記憶合金棒的研究主要集中在動物實驗和尸體實驗研究，記憶合金棒應用于臨床尚沒有獲得美國食品藥品監(jiān)督管理局(Food and Drug Administration, FDA)的許可。Schmerling等[9]于1976年報道應用6.3 mm直徑的直記憶合金棒預先折彎成單彎或“S”彎代替哈氏棒置入1女性尸體脊柱，利用電阻熱復溫，產(chǎn)生形狀恢復，從而利用軸向撐開力成功制造了側凸。在體外利用力學測試機器分別對軸向負荷和側方負荷下不同溫度產(chǎn)生軸向恢復力的大小，認為在負荷情況下轉變溫度的上限提高，提出需要更高的恢復溫度來產(chǎn)生更大的矯形力。但后期沒有進行臨床驗證，同時進行電阻復溫操作復雜。

Sanders等[10]分別按1%、2%、3%和2%、4%的外應變將6 mm、9 mm鎳鈦合金棒預彎，并進行3點彎曲實驗，使用熱水持續(xù)加熱棒，在棒持續(xù)變形過程中，測量應力的變化和應力與溫度的關系。結果表明：6 mm棒應力逐漸增加至2lb，此后，棒的應力迅速呈線性增加，其斜率在1%外應變的棒為5.5 N/℃，2%外應變的棒為7.3 N/℃，3%外應變的棒為7.5 N/℃ 。在水的溫度為50℃時，3種外應變的棒最大應力不超過200 N。9 mm棒2% 外應變其線性增加斜率為38 N/℃，4%外應變棒的斜率為45 N/℃ ，在水溫40℃時，2種棒均能夠產(chǎn)生大約350 N的應力，在水溫達到45 ℃時，則能夠產(chǎn)生超過500 N的應力。把已預彎的6 mm粗的鎳鈦合金棒置入6只實驗用脊柱側凸山羊體內矯形，把山羊喚醒，用450 Hz的無線電脈沖誘導生熱。結果:術前彎度平均41°，上棒后平均33°，棒加熱恢復形狀后平均11°，所有羊均沒有產(chǎn)生熱損傷和神經(jīng)癥狀。作者對不同直徑的記憶合金棒做了生物力學測試和動物實驗研究，證明6 mm直徑記憶合金棒和9 mm記憶合金棒在40 ℃復溫時沒有明顯的區(qū)別，這給臨床設計提供了有效依據(jù)。

Wever等[11]用鎳鈦合金棒建立了豬側凸模型。他們通過把彎的方形的鎳鈦合金棒在低溫下拉直，置入6只豬體內，再用低壓高頻電流加熱。術后均給予X線檢查，顯示每只豬都獲得了約40°的Cobb角(等于棒初始角度)，在后期研究中獲得的角度保持不變。該研究是應用形狀記憶合金棒建立了脊柱側凸動物模型，而不是矯治脊柱側凸。Veldhuizen等[12]應用6.35 mm×6.35 mm的橫截面為方形的記憶合金棒作為矯形工具，應用生物力學機測試其機器性能，利用椎弓根釘和椎弓根鉤作為錨定工具在人尸體上進行了側凸的創(chuàng)建，分析了記憶合金棒在冠狀面、矢狀面和橫斷面的矯形作用，認為記憶合金棒具有三維矯形作用。這2位作者方形記憶棒的設計和單向椎弓根螺釘結合可能對脊柱側凸旋轉畸形矯正起更大作用。

Newton等[13]將20只迷你豬分為4組，分別為單棒鎖定組、單棒不鎖定組、雙棒鎖定組和雙棒不鎖定組，每組各5只。80°彎度的方形合金棒在-20℃被拉直放入多軸螺釘，然后加熱到40℃，在以后的12周內應用X線觀察脊柱畸形的情況，單雙棒、鎖定與不鎖定，術前與術后血清鎳離子水平進行了比較。結果均獲得了即時的側凸，單棒組與雙棒組(28 °± 8 ° , 26 °± 7 °;P>0.05); 鎖定組與不鎖定組(24 ° ± 7 °, 30 ° ± 6 °;P>0.05)。末次隨訪時，單幫組與雙棒組(31 ° ± 11 °, 28 °± 10 ° ;P>0.05); 不鎖定組與鎖定組(34.9 °± 9.4 °，25.0 ° ± 8.1 °；P<0.05)。12周后血清鎳離子水平和術前水平分別為(5.1 μg/L± 0.6 μg/L, 4.7 μg/L± 0.2 μg/L;P>0.05)。在動物實驗中對釘棒系統(tǒng)的不同組合進行了研究。他得出單雙記憶棒矯形在動物實驗中沒有明顯不同，但不鎖定組可獲得更大的矯形趨勢。單雙棒、鎖定與不鎖定、萬向椎弓根螺釘?shù)膽媒o臨床設計帶來進一步的思路。但該結果是否和臨床側凸矯正結果一致需要進一步的臨床驗證。

Sánchez等[14]于2012年發(fā)表了他們的研究。他們應用斯普拉格-道立鼠作為實驗動物建立側后凸模型后分為2組，治療組和對照組，應用0.5 mm×0.5 mm橫截面為方形的直鎳鈦合金為工具通過鋼絲固定在棘突上，術后即刻、24 h、48 h、1周、2周，行X線檢查評價側凸和后凸。結果治療組從術前79.3°到末次隨訪8.7°，未治療組從84°到54.3°,且矯形效果隨時間增加。他們認為記憶合金棒的隨時間的逐漸矯形是一種優(yōu)勢。側凸模型的建立復雜，該實驗有效的模擬了矯形過程，但和目前應用最廣的椎弓根釘系統(tǒng)并不符合。

郭向東等[15]應用數(shù)學力學模型的方法對形狀記憶合金棒矯正進行了力學分析，提出記憶棒矯形力的大小和側凸程度和棒的形狀有直接關系，側凸程度越大，矯形力越大，在直徑1 cm之內棒直徑越大，矯形力越大。汪愛媛等[16]采用直徑為6～7 mm鈦鈮涂層鎳鈦記憶合金棒與未經(jīng)表面改性的鎳鈦記憶合金棒。相變溫度平均為33.0℃，低溫下在3點彎卡具上進行預彎，撓度分別為5.0 mm、10.0 mm、15.0 mm和20.0 mm，保持位移恒定。分別在37℃及50℃的生理鹽水溶液恒溫水浴箱中測量其3點彎回復力變化特性。結果表明，鎳鈦記憶合金棒的回復力隨回復溫度、棒直徑、變形量增加而增加；經(jīng)鈦鈮表面噴涂后6 mm 及6.5 mm棒的回復力有一定降低，但7 mm 棒回復力沒有顯著性差異。提出未經(jīng)涂層的鎳鈦棒6.5 mm能滿足矯形需求，而經(jīng)鈦鈮涂層的鎳鈦棒需要7.0 mm的直徑。根據(jù)以上結果，筆者所應用的記憶合金棒一般設計為6 mm直徑的圓棒和方棒。

鄭國權等[17]應用有限元分析的方法對單側記憶合金棒矯形進行了模擬，認為記憶合金棒是一種有效的三維矯形工具，可以對矢狀面、冠狀面的畸形及旋轉畸形進行矯正。并和實際結果進行了比對，提出有限元分析可有效模擬矯形過程和結果，可應用于研究和臨床。

2 臨床研究

記憶合金棒進行脊柱側凸矯正應用于臨床研究主要在國內進行。1982年盧世璧等[18]把鎳鈦合金棒在低溫下彎成脊柱側凸的形狀，在手術中用合金絲將2根記憶棒固定于脊椎兩側的椎板或棘突兩側，然后用45℃～ 50℃ 的鹽水紗布熱敷于記憶棒上。記憶合金棒受熱達到相變溫度， 很快恢復到直的記憶形狀， 同而對脊柱產(chǎn)生了矯形作用。這是首次報道的臨床應用，但基于鎳離子毒性及鎳鈦合金棒組合過程中產(chǎn)生傷痕并易斷裂的考慮，沒有大量應用于臨床。

2005年王巖等[19]在總結上述研究的基礎上進行了記憶合金棒的改進，應用釘棒系統(tǒng)，矩形棒進行脊柱側凸矯形。采用二代系統(tǒng)的5例患者經(jīng)過1～4 年的隨訪，Cobb角由術前平均57.8°矯正至17.8°，術后1 年以上隨訪未見矯正丟失,獲得了更大的矯正度數(shù)和矯形的維持。2010年Wang等[20-21]進行了將記憶合金棒作為臨時矯形工具使用的臨床研究并與傳統(tǒng)的矯形方法進行了比較，研究發(fā)現(xiàn)用記憶合金棒進行矯形縮短了手術時間，減少了術中出血，并且提高了冠狀面的矯形效果，同時避免了對鎳鈦合金體內長期存留帶來的風險。

綜上所述，通過生物力學、動物實驗及臨床研究，證實了鎳鈦記憶合金棒脊柱側凸矯形的可行性，其優(yōu)點主要體現(xiàn)在易于實現(xiàn)錨定點和連接棒的結合，逐漸矯形過程，但大多數(shù)研究基于生物力學實驗和動物實驗，臨床研究較少。記憶合金棒尚有許多亟待解決的問題，如釘棒系統(tǒng)的體內磨損和腐蝕、鎳離子的毒性、在矯正硬度較高的側凸時記憶合金棒矯形力量不足等。需要進一步的研究來證實其安全性、有效性和可靠性。

參考文獻

[1] Biesiekierski A, Wang J, Gepreel MA, et al. A new look at biomedical Ti-based shape memory alloys[J]. Acta Biomater, 2012, 8(5):1661-1669.

[2] Li Q, Zeng Y, Tang X. The applications and research progresses of nickel-titanium shape memory alloy in reconstructive surgery[J]. Australas Phys Eng Sci Med, 2010, 33(2):129-136.

[3] Hoh DJ, Hoh BL, Amar AP, et al. Shape memory alloys: metallurgy, biocompatibility, and biomechanics for neurosurgical applications[J]. Neurosurgery, 2009, 64(5 Suppl 2):199-214.

[4] 趙定麟, 張文明. 形狀記憶合金椎間關節(jié)用于頸椎病前路減壓術[J]. 中華外科雜志, 1984, 22: 410-412.

[5] 沈建雄, 張智海, 邱貴興, 等. 多種記憶合金椎體撐開器設計與初步實驗比較[J]. 脊柱外科雜志, 2003, 1(5) : 286-289.

[6] 張競, 袁文, 王新偉, 等. 頸椎自張式記憶合金椎間融合器山羊動物模型實驗研究[J]. 脊柱外科雜志, 2009, 7(3) : 157-160.

[7] 周初松, 肖文德, 張效三, 等. 腰椎峽部裂翼狀記憶合金節(jié)段內固定器的研制[J]. 脊柱外科雜志, 2006, 4(1) :33-37.

[8] 張巍, 鄭國權, 張永剛. 鎳鈦形狀記憶合金在脊柱外科的應用[J]. 中華外科雜志, 2006, 44(8): 574-575.

[9] Schmerling MA, Wilkov MA, Sanders AE, et al. Using the shape recovery of nitinol in the Harrington rod treatment of scoliosis[J]. J Biomed Mater Res, 1976, 10(6):879-892.

[10] Sanders JO, Sanders AE, More R, et al. A preliminary investigation of shape memory alloys in the surgical correction of scoliosis[J]. Spine (Phila Pa 1976), 1993, 18(12):1640-1646.

[11] Wever DJ, Elstrodt JA, Veldhuizen AG, et al. Scoliosis correction with shape-memory metal: results of an experimental study[J]. Eur Spine J, 2002, 11(2):100-106.

[12] Veldhuizen AG, Sanders MM, Cool JC. A scoliosis correction device based on memory metal[J]. Med Eng Phys, 1997, 19(2):171-179.

[13] Newton PO, Farnsworth CL, Upasani VV, et al. Dual and single memory rod construct comparison in an animal study[J]. Spine (Phila Pa 1976), 2011, 36(14):E904-913.

[14] Sánchez Márquez JM, Sánchez Pérez-Grueso FJ, Fernández-Baíllo N, et al. Gradual scoliosis correction over time with shape-memory metal: a preliminary report of an experimental study[J]. Scoliosis, 2012, 7(1):20.

[15] 郭向東, 吳望一, 盧世壁. 脊柱側彎形狀記憶合金棒矯正的力學分析[J]. 中國生物醫(yī)學工程學報, 1991, 12(2) : 87-92.

[16] 汪愛媛, 彭江, 張睨, 等. 表面改性TiNi記憶合金棒的回復力學實驗研究[J]. 生物醫(yī)學工程雜志, 2006, 23(4) : 774- 777.

[17] 鄭國權. 基于形狀記憶合金棒的脊柱側凸矯形系列研究[D]. 北京:軍醫(yī)進修學院,2010:33-61.

[18] 盧世璧, 王繼芳, 郭錦芳. 鎳鈦形狀記憶合金棒在脊柱側凸癥矯正中的應用[J]. 中華外科雜志，1986, 3 :129-133.

[19] 王巖, 盧世璧, 張永剛, 等. 形狀記憶合金脊柱側凸矯正系統(tǒng)的設計與臨床應用[J]. 中國矯形外科雜志, 2005, 13(17) :1289-1291.

[20] Wang Y, Zheng G, Zhang X, et al. Comparative analysis between shape memory alloy-based correction and traditional correction technique in pedicle screws constructs for treating severe scoliosis[J]. Eur Spine J, 2010, 19(3):394-399.

[21] Wang Y, Zheng G, Zhang X, et al. Temporary use of shape memory spinal rod in the treatment of scoliosis[J]. Eur Spine J, 2011, 20(1):118-122.