Niti合金及其在血管支架中的應(yīng)用

劉 磊，蔣 欣

(1.淮陰工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 淮安 223003;2.淮西社區(qū)衛(wèi)生服務(wù)中心，江蘇 淮安 223001)

0 引言

上個(gè)世紀(jì)三十年代，哈佛大學(xué)A.B.Greninger等人發(fā)現(xiàn)CuZn合金中的馬氏體會隨溫度變化而發(fā)生形變，但當(dāng)時(shí)在學(xué)術(shù)界并未引起重視；直到1963年，美國海軍武器實(shí)驗(yàn)室Buehler等人發(fā)現(xiàn)等原子配比的鎳鈦合金具有形狀記憶效應(yīng)(Shape memory effect，SME)，由此在全球引發(fā)了研究記憶合金的熱潮[1-2]。除了形狀記憶效應(yīng)，Niti合金還被發(fā)現(xiàn)具有超彈性、耐磨性、耐腐蝕性以及優(yōu)良的生物相容性，可使其成為理想的生物醫(yī)用材料。

1 鎳鈦合金的醫(yī)用基礎(chǔ)

生物醫(yī)用材料作為植入異物需要具備良好的生物相容性與功能性。

生物相容性是指材料在植入生物環(huán)境后引起適當(dāng)?shù)乃拗鞣磻?yīng)和材料反應(yīng)的能力。宿主反應(yīng)指材料對活體的作用，使活體產(chǎn)生炎癥、致敏、細(xì)胞毒性、致癌等反應(yīng)。材料反應(yīng)即活體對材料的作用，包括引起材料的腐蝕、磨損、降解、性質(zhì)退化。按照范疇的不同，生物相容性又可以分為血液相容性和組織相容性，用于心血管與血液接觸的材料則需要考慮血液相容性。

生物功能性是材料激發(fā)宿主恰當(dāng)?shù)貞?yīng)答的能力，與材料的力學(xué)性能密切相關(guān)，主要指標(biāo)是材料與宿主的彈性形變匹配度。

鎳鈦合金在機(jī)械力學(xué)性能、形狀記憶效應(yīng)、超彈性、抗腐蝕性以及血液相容性等方面表現(xiàn)出優(yōu)良的生物相容性與功能性，是理想的人體植入材料。

1.1 物理性能

316L不銹鋼是常用的醫(yī)用植入材料，Niti合金與其相比：密度小、彈性模量低，與人體組織更為接近，具備高的順應(yīng)性、柔順性與生物力學(xué)相容性；無磁性，方便核磁共振成像照影，植入人體后也不會受到外在磁場的影響。Niti合金與316L醫(yī)用不銹鋼的物理性能對照如表1所示。

表1 Niti合金與316L醫(yī)用不銹鋼性能對照表

1.2 形狀記憶效應(yīng)與超彈性

形狀記憶效應(yīng)是指一定形狀的母相由Af溫度以上經(jīng)低溫處理，冷卻至Mf溫度以下發(fā)生馬氏體相變，受外力作用變形，后經(jīng)加熱至Af溫度發(fā)生逆相變，材料恢復(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)的相變過程。

超彈性(Super elasticity)是指試樣在外載荷作用下產(chǎn)生遠(yuǎn)大于常規(guī)材料彈性極限的應(yīng)變量，在卸除載荷后變形可以自動消除。通常的金屬材料，彈性變形極限一般低于0.5%，變形量超過彈性極限會產(chǎn)生不可恢復(fù)的塑性變形；而鎳鈦合金的超彈性應(yīng)變范圍為0.5%～8%，在該范圍內(nèi)應(yīng)力的大小基本保持恒定[1-2]。

鎳鈦合金血管支架正是利用了材料的形狀記憶效應(yīng)與超彈性。

1.3 抗腐蝕性

通過電解拋光或鈍化，可在鎳鈦合金表層形成TiO2保護(hù)層，使材料具備優(yōu)于316L不銹鋼的耐腐蝕性，氧化層越均勻抗腐蝕性能越好。鎳鈦合金的自我修復(fù)能力優(yōu)于316L不銹鋼[3]。

1.4 生物血液相容性

眾所周知，鎳有致癌和促癌作用，而Niti合金含有約百分之五十的鎳，不過Niti合金表面層的TiXOy和TixNiOy能抑制其釋放[4-5]。Niti合金在體內(nèi)軟組織中的生物相容性實(shí)驗(yàn)[6-8]表明，鎳鈦合金對血管、肌肉、神經(jīng)等都具有較好的相容性，與血液接觸時(shí)也不會產(chǎn)生凝血、溶血等不良反應(yīng)。

除上述的優(yōu)良性能外，鎳鈦合金還具有高的抗疲勞性，是一種理想的生物功能材料，被廣泛用于心血管科、口腔、胸外科、肝膽科等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

2 血管支架

2.1 起源

血管支架植入術(shù)是在球囊擴(kuò)張成形術(shù)的基礎(chǔ)上衍生而來，為了防止球囊撤銷后血管發(fā)生彈性回縮以及考慮再塑性，因而在狹窄或閉塞的病變部位植入支架以形成長期支撐，保持血管血流通暢。

血管支架的起源可追溯至1964年由Dotter提出的經(jīng)皮腔內(nèi)血管成形術(shù)的概念[9]；1977年世界上第一例經(jīng)皮穿刺冠狀動脈成形術(shù)由GruntZig完成[10]；1987年Sigwart成功實(shí)施第一例冠狀支架術(shù)[11-12]，血管支架在臨床中得以應(yīng)用，從此得到飛速的發(fā)展。

2.2 球囊擴(kuò)張式與自膨脹式支架

支架的加工工藝經(jīng)歷了早期的編織支架，中期的平面光刻卷焊支架，以及現(xiàn)階段廣泛應(yīng)用的三維激光雕刻支架三個(gè)階段。從展開方式而言，血管支架分為球囊擴(kuò)張式和自膨式兩種。

球囊擴(kuò)張式通過球囊充氣加壓使爬附于球囊上的支架產(chǎn)生塑性變形，球囊卸壓后支架仍保持?jǐn)U張狀態(tài)。為避免球囊擴(kuò)張式支架在展開后受到血管壓縮而發(fā)生彈性回縮現(xiàn)象，支架材料應(yīng)有較高的彈性模量和較低的屈服強(qiáng)度，常用材料有316L 醫(yī)用不銹鋼、鈷鉻合金等。

自膨式支架以鎳鈦合金為主。Niti合金管經(jīng)激光雕刻成型，擴(kuò)張并熱處理定型，同時(shí)設(shè)定奧氏體相變溫度Af(略低于人體體溫)；在低溫下發(fā)生馬氏體相變，并壓縮到輸送鞘管內(nèi)。支架植入人體后由體溫加熱，發(fā)生奧氏體相變恢復(fù)擴(kuò)張狀態(tài)，對血管壁形成持久支撐。

Niti合金相對于316L不銹鋼、鈷鉻合金具有較低的彈性模量，因此自膨式支架相對于球囊擴(kuò)張式支架具有更好的柔順性，可順利通過細(xì)小、迂曲的血管；同時(shí)，自膨支架具有偏置式變化剛度的特性，可有效避免支架的外推力撕破血管壁，同時(shí)在血管舒張過程中對血管壁自動構(gòu)成動態(tài)支撐，若用于藥物洗脫支架，則對藥物治療起到十分重要的作用。

3 鎳鈦支架的應(yīng)用

顱內(nèi)血管和頸動脈的解剖結(jié)構(gòu)不同于外周血管、心臟冠脈血管，對支架性能的要求亦不同，主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面[13-16]：(1)顱內(nèi)血管中膜平滑肌層和外膜較薄，血管常位于蛛網(wǎng)膜下腔內(nèi)為腦脊液所環(huán)繞，血管脆性大，支架輸送和置放時(shí)易于發(fā)生破裂。這一結(jié)構(gòu)要求顱內(nèi)支架柔順性優(yōu)于外周血管和冠脈血管支架。(2)顱內(nèi)血管相對外周血管彎曲度大，特別是頸內(nèi)動脈顱內(nèi)段存在多個(gè)生理彎曲，是顱內(nèi)血管內(nèi)支架治療的自然屏障。將支架放置于血管彎曲段，容易存在血管拉直、支架貼壁不良等現(xiàn)象，從而誘發(fā)血栓栓塞和支架內(nèi)再狹窄。彎曲的生理結(jié)構(gòu)要求顱內(nèi)支架具有更高的柔順性和貼壁性。

鎳鈦合金支架具有優(yōu)異的超彈性，可以壓縮放置在細(xì)小的鞘管內(nèi)(無塑性變形)，輸送到病變部位后恢復(fù)原形對血管壁構(gòu)成支撐，具有軸向短縮率小、釋放精準(zhǔn)、支撐良好、貼壁性好、柔順性高等優(yōu)點(diǎn)。鎳鈦合金支架在治療顱內(nèi)疾病、頸動脈狹窄等方面體現(xiàn)出不可比擬的優(yōu)勢，其具體應(yīng)用情況有三種。

3.1 頸動脈支架

用于治療頸動脈血管狹窄，可有效預(yù)防腦中風(fēng)的頸動脈支架是影響人類健康產(chǎn)業(yè)的十大重大醫(yī)療器械技術(shù)之一，目前臨床使用的頸動脈支架如表2所示。

3.2 腦動脈瘤支架

配合彈簧圈用于治療腦動脈瘤。首先將支架精準(zhǔn)釋放于腦動脈瘤的頸口，繼而彈簧圈從網(wǎng)孔中脫落至瘤腔，支架對彈簧圈起支撐作用，有效防止彈簧圈脫落[17-18]。目前臨床使用的腦動脈瘤支架有四種，如表3所示。

表2 臨床使用的頸動脈支架

表3 臨床使用的腦動脈瘤支架

3.3 腦動脈狹窄支架

美國Boston公司的Wingspan支架，結(jié)構(gòu)與Neuroform支架類似，但徑向支撐力大，支架具有柔順性、貼壁性好的特點(diǎn)，能夠適應(yīng)顱內(nèi)血管的各種特性，同時(shí)避免球囊擴(kuò)張支架對血管壁的破壞，臨床效果好。Wingspan自彭式顱內(nèi)支架如圖1所示，其植入模擬清況如圖2所示。

圖1 BOSTON公司W(wǎng)ingspan自彭式顱內(nèi)支架

圖2 Wingspan自彭式顱內(nèi)支架植入模擬

除了美國Boston公司的Wingspan支架，國內(nèi)也有同類產(chǎn)品在臨床中應(yīng)用，如上海微創(chuàng)公司的Apollo顱內(nèi)支架，其結(jié)構(gòu)沿圓柱縱向呈節(jié)段性重復(fù)，如圖3所示。

圖3 Apollo 顱內(nèi)支架植入效果圖

4 結(jié)語

Niti合金自膨式支架有效克服了球囊擴(kuò)張式支架在治療頸動脈狹窄、顱內(nèi)血管疾病等方面存在的不足，并取得了令人矚目的成績。作為長期的植入體，鎳鈦合金支架在以下兩個(gè)方面仍有提升的空間：(1)鎳鈦合金支架作為不可降解材料長期置于人體，其生物相容性和細(xì)胞毒性需要進(jìn)一步的研究；(2)掌握Niti合金復(fù)雜的相變機(jī)理以及非線性超彈性力學(xué)特性，通過最佳的熱處理定型工藝優(yōu)化支架在體溫下的力學(xué)性能，更為巧妙地設(shè)計(jì)出高生物力學(xué)相容性的血管支架是研發(fā)人員的重點(diǎn)任務(wù)。

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