鎳鈦合金在醫(yī)療領域應用研究進展

黃亦成，宓蓉

上海交通大學醫(yī)學院附屬新華醫(yī)院(上海，200092)

鎳鈦合金在醫(yī)療領域應用研究進展

黃亦成，宓蓉

上海交通大學醫(yī)學院附屬新華醫(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(SME)的發(fā)生過程。由于其優(yōu)良的生物性能，各種類型的產品被廣泛應用于口腔科、骨科、五官科以及微創(chuàng)介入手術中。

鎳鈦合金;形狀記憶效應;生物醫(yī)學材料

1 鎳鈦合金的特性

1.1 形狀記憶效應

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，但在較高溫度時能自動恢復變形前的原有形狀，這就是形狀記憶效應。NiTi合金的形狀記憶效應和熱彈性馬氏體相變相關(見圖1)。過程表現為:僅當冷卻到馬氏體相與母相化學自由能平衡溫度To以下適當的溫度Ms(馬氏體轉變開始溫度)時，在相交驅動力的作用下，相變才能開始。當在馬氏體狀態(tài)時(低溫狀態(tài))，NiTi合金較易變形，溫度達到馬氏體開始消失溫度(As)之上時，NiTi合金開始恢復初始形狀，當溫度達馬氏體完全消失溫度(Af)后，NiTi合金完全恢復到原狀，一些形狀記憶合金經過一定訓練后還能夠得到雙程形狀記憶效應。［1］

圖1 形狀記憶效應示意圖Fig.1 Scheme of shapememory effect

鎳鈦(NiTi)合金的物理性能見參考文獻［1］，NiTi合金與不銹鋼材料的力學性能比較見表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)境對生物材料會產生影響和作用，同時生物材料對人體也會產生影響。兩者的循環(huán)作用一直持續(xù)，直至達到平衡或者植入物被去除。因此，生物相容性是對植入材料進行生物學評價的重要指標，是生物醫(yī)用材料研究領域需優(yōu)先考慮的重要問題。

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

1.3 超彈性

超彈性現象是指奧氏體狀態(tài)下的試樣在外力作用下產生遠大于其彈性極限應變量的應變，在卸載時應變可自動恢復的現象［2］，如圖2是形狀記憶合金超彈性現象的典型應力應變圖。

圖2 超彈性的應力-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)下進行，當應力撤除時，材料恢復至原來形狀，超彈性應變范制一般＜8%，從0.5%～8%的應變范圍內，應力基本保持恒定［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，人們可以設計出施加恒定應力在寬范圍的形狀的裝置。在介入醫(yī)療領域有超過80%的產品利用的是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變值，足以抵消磨損時的擠壓應變，因而在分離時材料可以完全恢復原來的形狀和尺寸，在關節(jié)置換術中大大減少了材料的摩擦磨損。許多實驗表明，NiTi合金材料是關節(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NiTi合金進行若干腐蝕實驗，其中包括模擬人體液、人造胃液等實驗(見表2)。結果表明，NiTi合金具有極強的耐腐蝕性［4］，因為其表面氧化后形成TiO2氧化膜，增加了表面層的穩(wěn)定性，保護材料免受腐蝕;對氧化鎳起到物理和化學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)療領域的應用

2.1 骨科

骨組織是人體最堅硬的組織之一，因此對骨組織修復、替換材料的要求不同于其他組織。NiTi合金對骨組織的血供破壞較小，并且具有更良好的抗扭轉性能，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度時，具有遠小于不銹鋼鋼板的應力遮擋效應。所以在骨科領域中廣泛應用，以下列舉4種具體應用。

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，需要先對其伸縮距離進行記憶處理，然后使之延伸后固定于骨折處的側面，再利用人體體溫加溫，使其收縮，對骨折部位的端面進行加壓固定。該方法特點是手術簡單，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，能夠抑制免疫反應和全身或局部不良反應。

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、減少復診和對牙周組織無任何不良影響的優(yōu)點。不銹鋼等其它常規(guī)設備需要由牙科醫(yī)生調整，通常都會引起疼痛，隨著治療的繼續(xù)，會阻礙矯正進行。通過矯正收緊再回收的過程中，只有一個狹窄的最佳治療期。相反，NiTi合金絲能移位，在一個非常廣泛的治療時間和固定的牙齒位置，施加一個恒定的力，將減少復診和減輕疼痛。NiTi合金，不但有著獨特的形狀記憶本領和超彈性效應，而且具有無磁、耐磨耐疲勞，特別是無毒、耐人體介質腐蝕、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，已廣泛地應用于五官科的各個領域，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

微創(chuàng)介入醫(yī)學從上世紀90年代開始蓬勃發(fā)展，已經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，具備一般金屬和復合材料不具備的性能，已經在微創(chuàng)介入器械中得到越來越廣泛的應用。

鎳鈦合金在微創(chuàng)介入治療的應用主要分為三個領域:心腦血管、外周血管和非血管治療，每個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:其作用是對各種血管狹窄處形成血液流通通道，支架在心血管系統中最常作為球囊血管成形術中的一個球囊放在病變血管中，形狀設置到打開配置，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線的聚氨酯薄膜，以修復心臟的壁缺損，主要治療先天性房缺、室缺、先天性動脈導管未閉等。

靜脈濾器:該裝置的作用是從下腔靜脈過濾較大栓塞血塊，設備本身被預先加載到導管，在馬氏體狀態(tài)下，通過導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。當從導管釋放的冷鹽水停止沖洗時，該裝置被周圍血液加溫，并恢復到它的預設形狀。靜脈濾器主要應用于血栓的防治，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狹窄等(食道、氣道、膽道等)病變，產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，產品采用激光切割NiTi管材制成。

遠端保護器:主要用于支架介入手術，在病變遠端血管收集斑塊，防止遠端血管栓塞，配合外周血管的支架介人治療。產品采用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雜的醫(yī)療植入物，是聾啞人內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NiTi記憶合金電極的微制動器元件來實現。

表3 NiTi合金在醫(yī)療領域的應用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推板往復運動，達到輸送血液的目的，它為全植入型人工心臟的發(fā)展增加了一個新的驅動源。

3 結語

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

［1］王蘊賢，張小農，孫康.NiTi合金的生物醫(yī)用性能及其子醫(yī)學領域的應用［J］稀有金屬，2006，30(3):385-389.

［2］楊大智，吳明雄.Ni-Ti形狀記憶合金在生物醫(yī)學領域的應用［M］.北京:北京冶金工業(yè)出版社，2003.

［3］Fu YQ，Huang WM，Du HJ，et al.Characterization of TiNi shape-memory alloy thin films for MEMS applications［J］.Surf Coat Tech，2001，107.

［4］華英杰，王崇太.NiTi形狀記憶合金在醫(yī)療領域中的應用［J］.海南師范學院學報，2004，17(1):39-43.

［5］Kapanen A，RyhanenJ，Danilov A，et al.Effect of nickel -titanium shape memory metal alloy on bone formation［J］.Biomaterials，2001，22(2):2475-2480.

［6］唐海紅，張速勤，李兆基.鎳鈦合金支架在耳鼻咽喉腔道中應用的研究進展［J］.現代診斷與治療，2008.19(5): 282-284.

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［8］Barrabés M，Sevilla P，Planell JA，etal.Mechanical properties of nickel-titanium foams for reconstructive orthopaedics［J］.Mater Sci Eng，2007，28(1):23-27.

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