鎳鈦合金絲的特性及其在口腔頜面部牽引成骨方面的應(yīng)用

常世民　姚玉勝　柳春明

常世民 姚玉勝 柳春明3 審校

鎳鈦合金具有優(yōu)越的超彈性，形狀記憶功能，抗腐蝕能力，以及良好的生物相容性，最初應(yīng)用其特性治療血管狹窄及食道狹窄的擴(kuò)張?jiān)偻?在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域最初應(yīng)用于口腔正畸治療，近年來(lái)開(kāi)始有將其應(yīng)用于口腔頜面部牽引成骨的報(bào)道,現(xiàn)綜述如下。

1鎳鈦合金的特性

1.1 鎳鈦合金的相變與性能：鎳鈦合金是由鎳離子和鈦離子組成二元合金，由于受到溫度和機(jī)械壓力的改變而存在兩種不同的晶體結(jié)構(gòu)相，即奧氏體相和馬氏體相。 鎳鈦合金冷卻時(shí)的相變順序?yàn)槟赶啵▕W氏體相）-R相-馬氏體相。 R相是菱形，奧氏體是溫度較高（大于Af溫度:即奧氏體開(kāi)始的溫度）的時(shí)候，或者去處載荷（外力去除Deactivation）時(shí)的狀態(tài)，立方體，堅(jiān)硬。形狀比較穩(wěn)定。而馬氏體相溫度相對(duì)較低（小于Mf:即馬氏體結(jié)束的溫度）或者加載（受到外力活化）時(shí)的狀態(tài)，六邊形，具有延展性，反復(fù)性，不太穩(wěn)定，較易變形。 因此臨床上確定鎳鈦合金弓絲的相變溫度具有積極的指導(dǎo)意義，以便臨床醫(yī)生能更好地利用鎳鈦合金的性能進(jìn)行臨床治療。

1.2 鎳鈦合金的特殊性能

1.2.1 形狀記憶特性：形狀記憶是當(dāng)一定形狀的母相由Af溫度以上冷卻到Mf溫度以下形成馬氏體后，將馬氏體在Mf以下溫度形變，再經(jīng)加熱至Af溫度以上，伴隨逆相變，材料會(huì)自動(dòng)恢復(fù)其在母相時(shí)的形狀。實(shí)際上形狀記憶效應(yīng)是鎳鈦合金的一個(gè)由熱誘發(fā)的相變過(guò)程。

1.2.2 超彈性：所謂的超彈性是指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。即在母相狀態(tài)下，由于外加應(yīng)力的作用，導(dǎo)致應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變發(fā)生，從而合金表現(xiàn)出不同于普通材料的力學(xué)行為，它的彈性極限遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通材料，并且不再遵守虎克定律。和形狀記憶特性相比，超彈性沒(méi)有熱參與。總而言之，超彈性是指在一定形變范圍內(nèi)應(yīng)力不隨應(yīng)變的增大而增大，臨床上則表現(xiàn)為弓絲在形變過(guò)程中產(chǎn)生的矯治力保持恒定，不再隨牙齒向矯治方向的移動(dòng)而逐漸喪失。

按照超彈性所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的特點(diǎn)，可將超彈性分為線性超彈性和非線性超彈性兩類(lèi)。前者的應(yīng)力-應(yīng)變曲線中應(yīng)力與應(yīng)變接近線性關(guān)系。非線性超彈性是指在Af以上一定溫度區(qū)間內(nèi)加載和卸載過(guò)程中分別發(fā)生應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變及其逆相變的結(jié)果，因此非線性超彈性也稱(chēng)相變偽彈性。鎳鈦合金的超彈性可隨著熱處理的條件的變化而改變，趙忱光等的研究認(rèn)為500℃的定型溫度是最理想的[1]。

1.2.3 口腔內(nèi)溫度變化敏感性：不銹鋼絲和CoCr合金牙齒矯形絲的矯治力基本不受口腔內(nèi)溫度的影響，而超彈性鎳鈦合金牙齒矯形絲的矯治力隨口腔溫度的變化而變化。當(dāng)變形量一定時(shí)，溫度升高，矯治力增加。

1.2.4 抗腐蝕性能：有研究表明鎳鈦絲的抗腐蝕性能與不銹鋼絲相仿。

1.2.5 抗毒性：鎳鈦形狀記憶合金特殊的化學(xué)組成,即這是一種鎳鈦等原子合金, 約含50% 的鎳, 而已知鎳有致癌作用。一般情況下，表面層鈦氧化充當(dāng)了一種屏障，使Ni-Ti合金具有良好的生物相容性。表面層的TiXOy和TixNiOy能抑制Ni的釋放。

1.2.6 持續(xù)柔和的矯治力：鎳鈦形狀記憶合金絲在各種金屬絲的拉伸試驗(yàn)、三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)條件下的載荷-位移曲線、卸載曲線平臺(tái)中最低也最平，說(shuō)明它能提供持久柔和的矯治力。該特性決定了其也適合應(yīng)用于牽引成骨。

2鎳鈦記憶合金牽引器的特性及優(yōu)缺點(diǎn)

2.1 力的大小與形變的程度有關(guān)：鎳鈦記憶合金牽引器產(chǎn)生的力與螺旋型牽引器不同，其產(chǎn)生的力與其形變的程度與關(guān)，會(huì)隨著形變程度的增加而有所增大。但在該過(guò)程中會(huì)有一平臺(tái)期，在該時(shí)期，隨著形變程度的增大，力的增加不明顯。其產(chǎn)生的牽引力的大小不是恒定的，在其恢復(fù)形變的過(guò)程中會(huì)逐漸減小。

2.2 力是持續(xù)的：鎳鈦記憶合金牽引器產(chǎn)生的彈力是持續(xù)的，相對(duì)穩(wěn)定，持續(xù)穩(wěn)定的牽張力更有利于成骨。傳統(tǒng)的螺旋形牽引器每天旋轉(zhuǎn)1～4次螺栓，其產(chǎn)生的牽引力在剛旋轉(zhuǎn)螺栓后較大，該力隨時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸減小，直至下一次旋轉(zhuǎn)螺栓。其產(chǎn)生的牽引力是間段的或波動(dòng)的。

2.3 有作用距離：鎳鈦記憶合金牽引器多為彎制成M、S、C形的記憶合金絲，利用其載荷后形變產(chǎn)生的回復(fù)力進(jìn)行牽引成骨。其作用距離與其形變后產(chǎn)生的位移密切相關(guān)。

2.4 力方向的控制：目前鎳鈦記憶合金牽引器多靠打孔固定于骨內(nèi)，牽引器固定尚不確切，其產(chǎn)生的牽引力的方向偶爾可發(fā)生偏移，有待于進(jìn)一步改進(jìn)。傳統(tǒng)的螺旋形牽引器利用鈦釘固定在骨骼上，其產(chǎn)生的牽引力便于控制。

2.5 牽開(kāi)寬度的控制：鎳鈦記憶合金牽引器每日牽引長(zhǎng)度不易控制，不適合切骨牽引成骨。因?yàn)槿绻麑⑵鋺?yīng)用于切骨牽引時(shí)會(huì)在一個(gè)較短的時(shí)間段將輸送骨塊牽引至牽引器所能張開(kāi)的最大距離，而不是漸進(jìn)性的牽開(kāi)骨塊。其更適合經(jīng)骨縫牽張成骨，因?yàn)楣强p的牽開(kāi)是漸進(jìn)性的。傳統(tǒng)的螺旋形牽引器每天牽開(kāi)的距離與旋轉(zhuǎn)螺栓圈數(shù)有關(guān)，牽開(kāi)的速度便于控制。

3鎳鈦記憶合金牽引器的制作

3.1 傳統(tǒng)工藝制作：主要分為設(shè)計(jì)圖紙、制作精確模具、試鑄、測(cè)量尺寸并灌鑄試件、以及力學(xué)測(cè)試等幾個(gè)步驟。

3.2 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)：胡敏等利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的有限元法設(shè)計(jì)鎳鈦記憶合金彈性弓。其用Pro/E軟件建立一個(gè)具有正弦波形的鎳鈦記憶合金牽引器的幾何模型，導(dǎo)入Marc軟件,對(duì)其進(jìn)行幾何修復(fù)后生成實(shí)體單元，并按實(shí)際模擬邊界條件,按鎳鈦合金定義初始條件和材料特性，最終得到鎳鈦記憶合金牽引器有限元模型。他們建立了用于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的鎳鈦記憶合金牽引器有限元模型，可以預(yù)測(cè)一定形狀的牽引器在變形過(guò)程中(各時(shí)段)其本身結(jié)構(gòu)中各節(jié)點(diǎn)、單元的受力、位移情況。這一技術(shù)將有助于提高鎳鈦記憶合金器件的設(shè)計(jì)精度，并縮短其設(shè)計(jì)周期[2-3]。

4鎳鈦記憶合金牽引器在治療腭裂中的應(yīng)用

鎳鈦記憶合金牽引器應(yīng)用于治療腭裂造成的腭骨缺損報(bào)道較多，其主要通過(guò)牽引裂隙兩側(cè)的腭骨刺激其向中線移位以封閉腭部的硬組織裂隙，在此過(guò)程中軟組織也得到延伸。梁立民采用6個(gè)月齡雜種犬制備腭裂模型，以腭裂牽引器牽引兩側(cè)切骨后的腭骨板修復(fù)腭裂，達(dá)到預(yù)期效果后,繼續(xù)飼養(yǎng)至12個(gè)月齡。牽引治療期間實(shí)驗(yàn)組裂隙逐漸縮小，2～3周裂隙后部關(guān)閉。觀察期間無(wú)復(fù)裂、呼吸道狹窄等并發(fā)癥。實(shí)驗(yàn)動(dòng)物腭骨水平板長(zhǎng)度明顯延長(zhǎng)，而對(duì)其面長(zhǎng)度、高度、寬度、腭骨水平板寬度和垂直板間距無(wú)明顯影響。證明應(yīng)用持續(xù)彈力牽引成骨修復(fù)腭裂療效穩(wěn)定，對(duì)頜面部結(jié)構(gòu)無(wú)明顯影響[4-6]。柳春明等為了解腭骨外側(cè)縫牽張的長(zhǎng)期效果和對(duì)頜面發(fā)育的影響采用頭顱測(cè)量方法對(duì)經(jīng)過(guò)腭骨外側(cè)縫牽張的6只Beagle 犬人工腭裂模型進(jìn)行了觀察和分析。顯示所有實(shí)驗(yàn)組犬兩側(cè)腭骨水平板均在中線形成骨性愈合。兩組動(dòng)物面長(zhǎng)度和高度變量無(wú)明顯差異，顯示采用腭骨外側(cè)縫牽張成骨的方法能夠使缺損的腭骨板形成永久而完善的骨性修復(fù)；對(duì)面長(zhǎng)度和高度發(fā)育無(wú)明顯影響[7-8]。

柳春明等2000年左右將該技術(shù)應(yīng)用于臨床，他選擇2～4歲的腭裂患兒安置鎳鈦記憶合金腭裂牽引器，牽引腭骨向中線和向后移動(dòng)，牽引期持續(xù)約4～5個(gè)月。裂隙合攏后進(jìn)行手術(shù)修復(fù)裂隙。患兒在經(jīng)不同時(shí)間的牽引后裂隙縮小，裂隙兩側(cè)的組織顯著延長(zhǎng)。證實(shí)了骨縫牽引具有誘導(dǎo)腭部組織再生、關(guān)閉或縮小裂隙和延長(zhǎng)硬腭的可能性[9-10]。張樹(shù)標(biāo)等將11例腭裂患兒一期在腭部放置4條弧形鎳鈦形狀記憶合金腭裂牽引器，其中前后2條牽引器產(chǎn)生內(nèi)收力牽引腭骨周?chē)强p,將腭骨向中線移動(dòng);左右2條記憶合金設(shè)計(jì)產(chǎn)生外展力牽引腭橫縫,將腭骨向前后延長(zhǎng),這種全新設(shè)計(jì)可產(chǎn)生向前、向后、內(nèi)收3方向矯治力。牽引后裂隙縮窄、硬腭長(zhǎng)度延長(zhǎng)。隨訪3個(gè)月,硬腭長(zhǎng)度無(wú)回縮[11]。

5鎳鈦記憶合金牽引器在治療牙槽骨骨質(zhì)缺損中的應(yīng)用

鎳鈦記憶合金牽引器可用于治療牙槽骨高度不足和腭裂所伴發(fā)的牙槽嵴裂。李巖峰等成功地利用鈦鎳記憶合金牽張成骨增高下頜牙槽嵴，在水平截開(kāi)牙槽骨后形成輸送骨塊，牽張器安置完成后骨塊即開(kāi)始移動(dòng),X線片可見(jiàn)牽張完成后1個(gè)月?tīng)繌垍^(qū)骨密度增高,有新骨生成；3個(gè)月時(shí)新生骨密度與周?chē)墙咏?有效地增加了牙槽嵴的高度。組織學(xué)觀察可見(jiàn)牽張區(qū)新骨形成良好。他認(rèn)為內(nèi)置自加載鈦鎳記憶合金牽張器自動(dòng)牽引成骨是一種具有良好應(yīng)用前景的簡(jiǎn)便實(shí)用的牽引成骨技術(shù)[12]。梁立民等將鎳鈦記憶合金牽引技術(shù)應(yīng)用于修復(fù)牙槽裂。她先制作犬牙槽裂模型，并牙槽裂形成術(shù)后2 周，于前頜中縫處安置鎳鈦記憶合金牽張器，牽張2～3 周后裂隙側(cè)的前頜骨向側(cè)方移動(dòng)貼緊遠(yuǎn)中裂緣，保持2 周后去除縫牽張器。術(shù)后3 個(gè)月，原牙槽嵴缺損處骨質(zhì)連續(xù)性完全恢復(fù)，且牙槽骨段在三維方向上均與對(duì)側(cè)相同。而對(duì)照動(dòng)物形成規(guī)則的牙槽裂，無(wú)自發(fā)骨性愈合[13]。

6鎳鈦記憶合金牽引器在治療頜骨發(fā)育不足和缺損中的應(yīng)用

鎳鈦記憶合金牽引器可以用于治療頜骨發(fā)育不足和缺損，周宏志等在該領(lǐng)域進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究。他利用鈦鎳合金的形狀記憶和超彈性特性，實(shí)現(xiàn)牽引器完全內(nèi)置和自動(dòng)牽引成骨重建節(jié)段性下頜骨缺失。其通過(guò)手術(shù)造成成年雜種犬一側(cè)下頜骨體部1～3cm節(jié)段性缺失，應(yīng)用Biofocal牽引成骨技術(shù)安置自行設(shè)計(jì)制作的內(nèi)置式鈦鎳合金牽引器，術(shù)后3個(gè)月處死實(shí)驗(yàn)犬。發(fā)現(xiàn)鈦鎳牽引器能自動(dòng)完成牽引骨，初步修復(fù)下頜骨的節(jié)段性缺失。影像學(xué)和組織學(xué)檢查證實(shí)再生骨骨化良好[14]。他又利用鎳鈦記憶合金牽張器初步重建了缺損的下頜支,組織學(xué)檢查可見(jiàn)牽張區(qū)有良好的新骨再生[15]。他認(rèn)為記憶合金牽引器可輸出穩(wěn)定柔和的超彈性彈力,牽引速度超過(guò)傳統(tǒng)的每天1mm,骨再生結(jié)果穩(wěn)定,再生骨節(jié)段長(zhǎng)度與牽引器外形設(shè)計(jì)和彈力強(qiáng)度相關(guān)[16]。

綜上所述，鎳鈦記憶合金牽引器是一種近年來(lái)出現(xiàn)的新型牽引器，在多個(gè)方面有其優(yōu)越性。由于其出現(xiàn)時(shí)間較短，在很多方面還很不成熟，存在各種缺點(diǎn)。如其牽引力的方向控制不佳，牽引力的大小與形變程度有關(guān)，固定于骨上的方式不可靠和易于脫落。隨著該牽引器的不斷完善和發(fā)展，其必將更廣泛地應(yīng)用于口腔頜面部牽引成骨領(lǐng)域。

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[收稿日期]2008-07-18[修回日期]2008-12-23

編輯/張惠娟