黃亦成，宓蓉

上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬新華醫(yī)院(上海，200092)

鎳鈦合金在醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用研究進(jìn)展

黃亦成，宓蓉

上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬新華醫(yī)院(上海，200092)

該文綜述了鎳鈦合金的生物特性，形狀記憶效應(yīng)(SME)的發(fā)生過程。由于其優(yōu)良的生物性能，各種類型的產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用于口腔科、骨科、五官科以及微創(chuàng)介入手術(shù)中。

鎳鈦合金;形狀記憶效應(yīng);生物醫(yī)學(xué)材料

1 鎳鈦合金的特性

1.1 形狀記憶效應(yīng)

物體在某一溫度下受外力變形，去除外力后仍保持變形后的形狀，但在較高溫度時(shí)能自動(dòng)恢復(fù)變形前的原有形狀，這就是形狀記憶效應(yīng)。NiTi合金的形狀記憶效應(yīng)和熱彈性馬氏體相變相關(guān)(見圖1)。過程表現(xiàn)為:僅當(dāng)冷卻到馬氏體相與母相化學(xué)自由能平衡溫度To以下適當(dāng)?shù)臏囟萂s(馬氏體轉(zhuǎn)變開始溫度)時(shí)，在相交驅(qū)動(dòng)力的作用下，相變才能開始。當(dāng)在馬氏體狀態(tài)時(shí)(低溫狀態(tài))，NiTi合金較易變形，溫度達(dá)到馬氏體開始消失溫度(As)之上時(shí)，NiTi合金開始恢復(fù)初始形狀，當(dāng)溫度達(dá)馬氏體完全消失溫度(Af)后，NiTi合金完全恢復(fù)到原狀，一些形狀記憶合金經(jīng)過一定訓(xùn)練后還能夠得到雙程形狀記憶效應(yīng)。［1］

圖1 形狀記憶效應(yīng)示意圖Fig.1 Scheme of shapememory effect

鎳鈦(NiTi)合金的物理性能見參考文獻(xiàn)［1］，NiTi合金與不銹鋼材料的力學(xué)性能比較見表1。

1.2 生物相容性

生物相容性可以簡單地定義為材料被人體接受的能力。生物材料植入人體后，特定的生物組織環(huán)境對(duì)生物材料會(huì)產(chǎn)生影響和作用，同時(shí)生物材料對(duì)人體也會(huì)產(chǎn)生影響。兩者的循環(huán)作用一直持續(xù)，直至達(dá)到平衡或者植入物被去除。因此，生物相容性是對(duì)植入材料進(jìn)行生物學(xué)評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)，是生物醫(yī)用材料研究領(lǐng)域需優(yōu)先考慮的重要問題。

表1 NiTi合金與不銹鋼的力學(xué)性能比較Tab.1 Mechanical properties of NiTialloy and stainless steel

1.3 超彈性

超彈性現(xiàn)象是指奧氏體狀態(tài)下的試樣在外力作用下產(chǎn)生遠(yuǎn)大于其彈性極限應(yīng)變量的應(yīng)變，在卸載時(shí)應(yīng)變可自動(dòng)恢復(fù)的現(xiàn)象［2］，如圖2是形狀記憶合金超彈性現(xiàn)象的典型應(yīng)力應(yīng)變圖。

圖2 超彈性的應(yīng)力-變力曲線Fig.2 Stress-strain curve of superelasticity

形變在奧氏體狀態(tài)(Austenite)(較高溫度＞Af)下進(jìn)行，當(dāng)應(yīng)力撤除時(shí)，材料恢復(fù)至原來形狀，超彈性應(yīng)變范制一般＜8%，從0.5%～8%的應(yīng)變范圍內(nèi)，應(yīng)力基本保持恒定［3］。通過超彈性裝置施加的力是由溫度來決定，由于體溫是基本恒定的，人們可以設(shè)計(jì)出施加恒定應(yīng)力在寬范圍的形狀的裝置。在介入醫(yī)療領(lǐng)域有超過80%的產(chǎn)品利用的是NiTi合金的超彈性。

1.4 耐磨損性

NiTi合金具有良好的耐磨損性，由于合金具有較大的彈性應(yīng)變值，足以抵消磨損時(shí)的擠壓應(yīng)變，因而在分離時(shí)材料可以完全恢復(fù)原來的形狀和尺寸，在關(guān)節(jié)置換術(shù)中大大減少了材料的摩擦磨損。許多實(shí)驗(yàn)表明，NiTi合金材料是關(guān)節(jié)置換中十分理想的醫(yī)用材料。

1.5 抗腐蝕性

NiTi合金具有良好的抗腐蝕特性，對(duì)NiTi合金進(jìn)行若干腐蝕實(shí)驗(yàn)，其中包括模擬人體液、人造胃液等實(shí)驗(yàn)(見表2)。結(jié)果表明，NiTi合金具有極強(qiáng)的耐腐蝕性［4］，因?yàn)槠浔砻嫜趸笮纬蒚iO2氧化膜，增加了表面層的穩(wěn)定性，保護(hù)材料免受腐蝕;對(duì)氧化鎳起到物理和化學(xué)屏障和改變鎳氧化途徑，均能提高NiTi合金的抗腐蝕性。

表2 NiTi合金在模擬人體液中耐蝕性能Tab.2 Corrosion resistance of NiTi alloy in simulated body fluid

2 鎳鈦合金在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1 骨科

骨組織是人體最堅(jiān)硬的組織之一，因此對(duì)骨組織修復(fù)、替換材料的要求不同于其他組織。NiTi合金對(duì)骨組織的血供破壞較小，并且具有更良好的抗扭轉(zhuǎn)性能，不僅如此，NiTi合金在提供與不銹鋼鋼板幾乎同等程度的抗彎和抗扭強(qiáng)度時(shí)，具有遠(yuǎn)小于不銹鋼鋼板的應(yīng)力遮擋效應(yīng)。所以在骨科領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，以下列舉4種具體應(yīng)用。

波形彎腳騎縫釘:利用鈦鎳合金的記憶特性研制出來的，簡便易行，臨床資料表明，使用波形彎腳騎縫釘，外固定時(shí)間平均比原來縮短30%左右［5］。

脊柱矯形棒:可利用人體體溫使脊柱矯形棒始終保持相對(duì)恒定的矯形力［5］。

加壓接骨板:將加壓接骨板置于室溫下前，需要先對(duì)其伸縮距離進(jìn)行記憶處理，然后使之延伸后固定于骨折處的側(cè)面，再利用人體體溫加溫，使其收縮，對(duì)骨折部位的端面進(jìn)行加壓固定。該方法特點(diǎn)是手術(shù)簡單，治療效果良好。

骨填充物:利用其形狀記憶特性、超彈性和優(yōu)良的阻尼特性，材料密度與骨密度一致，能夠抑制免疫反應(yīng)和全身或局部不良反應(yīng)。

2.2 矯形外科與五官科

在矯形方面:NiTi合金與不銹鋼絲制作的矯正器相比較，具有縮短療程、減少復(fù)診和對(duì)牙周組織無任何不良影響的優(yōu)點(diǎn)。不銹鋼等其它常規(guī)設(shè)備需要由牙科醫(yī)生調(diào)整，通常都會(huì)引起疼痛，隨著治療的繼續(xù)，會(huì)阻礙矯正進(jìn)行。通過矯正收緊再回收的過程中，只有一個(gè)狹窄的最佳治療期。相反，NiTi合金絲能移位，在一個(gè)非常廣泛的治療時(shí)間和固定的牙齒位置，施加一個(gè)恒定的力，將減少復(fù)診和減輕疼痛。NiTi合金，不但有著獨(dú)特的形狀記憶本領(lǐng)和超彈性效應(yīng)，而且具有無磁、耐磨耐疲勞，特別是無毒、耐人體介質(zhì)腐蝕、有較好的生物相容性和較低的生物退變性等優(yōu)良性能，在眾多口腔種植材料中NiTi合金將成為最有發(fā)展前景的材料之一。

在五官科應(yīng)用方面:NiTi合金支架為耳鼻咽喉管腔狹窄的治療提供了新的選擇，已廣泛地應(yīng)用于五官科的各個(gè)領(lǐng)域，包括各種良惡性喉管、氣管、支氣管狹窄等。鎳鈦合金支架在預(yù)防和治療中耳粘連、全喉切除氣管造口狹窄、外耳道閉鎖等方面，均取得了良好的效果［6］。

2.3 微創(chuàng)介入手術(shù)

微創(chuàng)介入醫(yī)學(xué)從上世紀(jì)90年代開始蓬勃發(fā)展，已經(jīng)成為目前臨床治療中最為安全有效的方法之一。鎳鈦合金作為一種特殊性能的形狀記憶材料，具備一般金屬和復(fù)合材料不具備的性能，已經(jīng)在微創(chuàng)介入器械中得到越來越廣泛的應(yīng)用。

鎳鈦合金在微創(chuàng)介入治療的應(yīng)用主要分為三個(gè)領(lǐng)域:心腦血管、外周血管和非血管治療，每個(gè)部位所用到的支架及植入器械均有所不同，如圖3所示。

心血管支架:其作用是對(duì)各種血管狹窄處形成血液流通通道，支架在心血管系統(tǒng)中最常作為球囊血管成形術(shù)中的一個(gè)球囊放在病變血管中，形狀設(shè)置到打開配置，使其膨脹靠在血管壁上并重新打開堵塞管腔(稱為狹窄)［7］。

圖3 鎳鈦合金在微創(chuàng)介入治療的應(yīng)用Fig.3 App lication of Ni Ti alloy in m inimally invasive interventional therapy

封堵器:采用鎳鈦記憶合金導(dǎo)線的聚氨酯薄膜，以修復(fù)心臟的壁缺損，主要治療先天性房缺、室缺、先天性動(dòng)脈導(dǎo)管未閉等。

靜脈濾器:該裝置的作用是從下腔靜脈過濾較大栓塞血塊，設(shè)備本身被預(yù)先加載到導(dǎo)管，在馬氏體狀態(tài)下，通過導(dǎo)管沖洗冷鹽水保持過濾器的馬氏體相，而定位到需要展開的部位。當(dāng)從導(dǎo)管釋放的冷鹽水停止沖洗時(shí)，該裝置被周圍血液加溫，并恢復(fù)到它的預(yù)設(shè)形狀。靜脈濾器主要應(yīng)用于血栓的防治，收集靜脈中形成的血栓。

非血管編織支架:主要治療各種腔道內(nèi)狹窄等(食道、氣道、膽道等)病變，產(chǎn)品采用鎳鈦合金絲編織而成。

外周血管支架:主要治療外周血管狹窄，產(chǎn)品采用激光切割NiTi管材制成。

遠(yuǎn)端保護(hù)器:主要用于支架介入手術(shù)，在病變遠(yuǎn)端血管收集斑塊，防止遠(yuǎn)端血管栓塞，配合外周血管的支架介人治療。產(chǎn)品采用NiTi絲材編織或者激光切割NiTi管材制成骨架，定型成規(guī)定尺寸的傘狀，然后覆上高分子薄膜，打上微孔，固定在導(dǎo)絲上。

2.4 人工器官和組織

主要用于器官或組織破損或毀壞，例如人工心肌、NiTi合金條帶作為韌帶替代物。

人工耳蝸植入作為比較復(fù)雜的醫(yī)療植入物，是聾啞人內(nèi)耳損害的常見治療措施。電極更精確的定位可以提高頻率選擇性和刺激傳導(dǎo)的有效性。為了解決這一問題，電極在其插入過程中的形變程度必須是可控的［8］。這種能力可以通過整合一個(gè)NiTi記憶合金電極的微制動(dòng)器元件來實(shí)現(xiàn)。

表3 NiTi合金在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用Tab.3 Application of NiTi alloy in medical field

人工心臟通過控制形狀記憶合金彈簧的溫度變化，使彈簧收縮與伸展來帶動(dòng)推板往復(fù)運(yùn)動(dòng)，達(dá)到輸送血液的目的，它為全植入型人工心臟的發(fā)展增加了一個(gè)新的驅(qū)動(dòng)源。

3 結(jié)語

NiTi合金所具有的特殊性能，使它具有廣泛的用途。研究人員對(duì)其各種物理性能，化學(xué)性能和生物相容性進(jìn)行了廣泛而深人的研究，近年來鎳鈦合金材料在醫(yī)療領(lǐng)域中扮演著越來越重要的角色，詳見表3。但NiTi合金在實(shí)際生產(chǎn)加工中有易氧化等缺點(diǎn)，如何通過合金化、熱處理和表面改進(jìn)等改善其性能成為今后的主要研究方向。

［1］王蘊(yùn)賢，張小農(nóng)，孫康.NiTi合金的生物醫(yī)用性能及其子醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用［J］稀有金屬，2006，30(3):385-389.

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Research Progress of Nitinol Alloy in App lication of M edical Field

HUANG Yicheng，MIRong
Xinhua Hospital Affiliated to Shanghai Jiao Tong University School of Medicine(Shanghai，200092)

This paper reviews the biological characteristics of Nitinol alloy，and the occurrence of shape memory effect(SME).Because of its excellentbiological properties，various types of nitinol alloy products are widely used in dentistry，orthopedics，ENT，and minimally invasive surgery.

Nitinol alloy，shapememory effect，biomedicalmaterials

R318.08

A

1674-1242(2015)03-0169-04

10.3969/j.issn.1674-1242.2015.02.010

2015-03-30)

黃亦成，E-mail:cheng192015@163.com