鎳鈦形狀記憶合金及其在小動物臨床上的應(yīng)用前景

李艷艷

（江蘇農(nóng)牧科技職業(yè)學(xué)院寵物科技學(xué)院，江蘇 泰州 225300）

鎳鈦形狀記憶合金及其在小動物臨床上的應(yīng)用前景

李艷艷

（江蘇農(nóng)牧科技職業(yè)學(xué)院寵物科技學(xué)院，江蘇 泰州 225300）

形狀記憶合金（Shape Memory Alloy，SMA）是指具有形狀記憶效應(yīng)的合金材料。具有記憶效應(yīng)的合金目前已發(fā)現(xiàn)20余種，但具有醫(yī)用開發(fā)前景的只有鎳鈦（TiNi）形狀記憶合金。自1963年Buehler［1］報道了鎳鈦合金具有形狀記憶效應(yīng)以來，對其本質(zhì)和應(yīng)用研究日趨深入。尤其在醫(yī)學(xué)界，其奇特的形狀記憶效應(yīng)、超彈性及優(yōu)良的耐磨性，而且具有良好的耐蝕性和組織相容性，在臨床各科和醫(yī)療器械等方面獲得了廣泛的應(yīng)用［5］。本文就鎳鈦形狀記憶合金及其在人醫(yī)上的應(yīng)用現(xiàn)狀，以及在獸醫(yī)臨床上的應(yīng)用前景作一綜述，以期得到業(yè)內(nèi)人士的重視。

1　鎳鈦記憶合金的概述

1.1形狀記憶效應(yīng)將在高溫下處理成一定形狀的金屬急冷下來，在低溫相狀態(tài)下經(jīng)塑性變形成另一種形狀，然后再加熱到高溫相，即能成為穩(wěn)定狀態(tài)的溫度時，通過馬氏體逆相變恢復(fù)到低溫塑形前形狀的現(xiàn)象稱為形狀記憶效應(yīng)［2，6］。具有這種效應(yīng)的金屬通常為合金，故稱為形狀記憶合金。形狀記憶效應(yīng)是在馬氏體相變中發(fā)生的。通常把馬氏體相變中的高溫相叫做母相（P），低溫相叫做馬氏體相（M）。從母相到馬氏體相的相變叫做馬氏體正相變，或馬氏體相變，從馬氏體相到母相的相變叫做馬氏體逆相變。形狀記憶效應(yīng)一般是在馬氏體逆相變中產(chǎn)生的。馬氏體逆相變的開始溫度就是形狀記憶合金的形狀回復(fù)溫度。醫(yī)用鎳鈦形狀記憶合金的形狀回復(fù)溫度一般為35℃～40℃。

1.2鎳鈦記憶合金的工作原理鎳欽形狀記憶合金通常呈現(xiàn)兩種晶體結(jié)構(gòu)，即母相（高溫相）和馬氏體相（低溫相）。馬氏體相是沒有應(yīng)力的相，在低溫下穩(wěn)定［7］。記憶合金的特征-雙向溫度變化可引起記憶合金形狀的改變而不用施加任何載荷。形狀恢復(fù)的驅(qū)動力是在加熱溫度下母相和馬氏體相的自由能之差［3］。醫(yī)用材料的相變溫度一般為35℃～40℃，與鎳鈦元素在合金材料中的成分比例有關(guān)。它在0℃～4℃溫度下可被變形，易于置入人或動物體內(nèi)。由于鎳鈦形狀記憶合金的彈性應(yīng)變?yōu)?%，在形狀恢復(fù)時可產(chǎn)生高達588 MPa的回復(fù)力，通過體溫或物理加溫，即可自動回復(fù)記憶的形狀。

1.3鎳鈦記憶合金的特點鎳鈦形狀記憶合金不僅具有優(yōu)異的記憶效應(yīng)和超彈性性能，良好的力學(xué)性能和高阻尼特性，而且還具有優(yōu)良的生物相容性，出色的耐蝕耐磨性，高抗疲勞性，低的生物退行性變性，且彈性模量與人體骨頭相近，因此被認為是醫(yī)用材料學(xué)方面的重大發(fā)現(xiàn)，是一種難得的具有生物功能的金屬材料［4］。

1.3.1獨特的形狀記憶性和超彈性在臨床應(yīng)用中，利用NiTi合金的形狀記憶特性，控制合金的相變溫度在體溫附近（36℃）或略高于體溫，使其在植入人體后自動或用生理鹽水加熱后恢復(fù)預(yù)定形狀并固定在原位，操作簡單，預(yù)后效果好。

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，它使得合金支架或合金絲具有良好的柔順性，可以與柔軟且復(fù)雜的人體內(nèi)管道很好的貼合。

1.3.2良好的機械性能其強度是不銹鋼的4倍，不會發(fā)生彎曲與斷裂。

1.3.3高度的耐磨損性及耐腐蝕性化工介質(zhì)中采用鎳鈦形狀記憶合金制做接觸滑動部位的機械密封材料，耐磨性能優(yōu)于不銹鋼等。

1.3.4良好的生物相容性及低的生物退行性變性

生物相容性是形狀記憶合金能否用于人體的最重要因素。生物相容性良好的材料在生物體內(nèi)不會引起過敏反應(yīng)，不會釋放任何離子到生物體的血液中去；在生物體長久存在而不會發(fā)生有害反應(yīng)。

榆盤的水土特別適合洋芋的生長，榆盤的洋芋自然在武山乃至隴原大地聲名顯赫。每年洋芋銷售旺季，武山川道地區(qū)各個村莊經(jīng)常有各地的販子冒充榆盤人銷售榆盤洋芋。作為榆盤人，我有義務(wù)為已經(jīng)注冊的本土特產(chǎn)維護聲譽。

2　鎳鈦記憶合金在人醫(yī)臨床上應(yīng)用

2.1骨科

2.1.1加壓騎縫釘用加壓騎縫釘治療骨折操作簡單，使用方便，還可在骨折處產(chǎn)生一定的壓應(yīng)力。這不但有助于骨組織的恢復(fù)，而且能有效地減少應(yīng)力遮擋效應(yīng)。該釘子呈“U”字形，有一個波浪形的壓縮部和兩條直的腿，腿和壓縮部夾角為70°。在植人體內(nèi)前，將其放在4℃冷水里，可將波浪形的壓縮部拉直，夾角擴大成90°。把它的兩條腿分別放在骨折線的兩側(cè)并加熱后，它能對骨折處產(chǎn)生持續(xù)的55～10 kg壓縮力。該騎縫釘可用于治療髕骨、踝部、尺骨鷹嘴和肱骨小頭等關(guān)節(jié)部位骨折［7］。

2.1.2內(nèi)固定器對于承重或受力較大的長骨骨折，采用形狀記憶合金材料制作的內(nèi)固定器可在骨折處產(chǎn)生一種持續(xù)性的壓應(yīng)力。這種壓應(yīng)力不會隨骨折線的吸收而消失，可防止骨不連的發(fā)生。另外，SMA內(nèi)固定器一般均具有較好的穩(wěn)定性和較高的強度。如鋸齒臂環(huán)抱內(nèi)固定器，可用于全身各部位的長骨狀骨折。該環(huán)抱器固定骨折的效果優(yōu)于傳統(tǒng)的骨科內(nèi)固定器，如不銹鋼鋼板和髓內(nèi)釘；對骨的血液供應(yīng)破壞較小，且比髓內(nèi)釘具有更好的抗扭轉(zhuǎn)性能；在提供與不銹鋼鋼板幾乎同等程度的抗彎和抗扭強度時，具有比不銹鋼鋼板小得多的應(yīng)力遮擋效應(yīng)。因此，該環(huán)抱器能更好地促進骨折愈合，并減少骨折愈合后骨質(zhì)疏松的產(chǎn)生［7］。

2.1.3髓內(nèi)釘鎳鈦形狀記憶合金自鎖式髓內(nèi)釘，可用于骨折固定。與傳統(tǒng)的不銹鋼髓內(nèi)釘相比較，SMA髓內(nèi)釘插入方便，不需要髓腔鉸孔能有效地防止骨折部的橫向移位和彎曲變形。但其抗扭能力差，只能用于某些特定骨的骨折治療中。

2.1.4接骨板傳統(tǒng)的不銹鋼接骨板在骨折部固定時要給予很大的對接力，操作麻煩，且會產(chǎn)生較嚴重的應(yīng)力遮擋效應(yīng)。使用SMA接骨板不但手術(shù)時不需要給予過大的對緊力，骨折處的應(yīng)力遮擋率明顯下降，同時還可免去因打孔造成的骨髓腔破壞。

2.1.5人工關(guān)節(jié)形狀記憶合金在人工關(guān)節(jié)中的應(yīng)用包括人工股骨頭、人工髖臼和人工椎間關(guān)節(jié)等。采用SMA人工股骨頭可較好地解決股骨頭的松動問題，且不需要使用可能導(dǎo)致人體過敏的骨水泥。另外，鎳鈦形狀記憶合金的耐磨性也比鈦合金或鈷鉻鉬合金好。

2.1.7接骨線用具有超彈性的SMA接骨線進行結(jié)扎可持久地保持穩(wěn)定的結(jié)扎力，且結(jié)扎力不會隨骨折線的吸收而消失。但使用SMA接骨線時，連接較困難，不能象傳統(tǒng)金屬線那樣簡單擰接，需使用專用的連接器。

2.2人體內(nèi)管道支架主要用于食道、氣管、膽道、尿道及血管等部位。

2.2.1膽道外科對于各種原因引起的膽道狹窄或梗阻，如無法進行手術(shù)切除則可用SMA膽道內(nèi)支架來保持膽道的通暢。以前使用的SMA膽道內(nèi)支撐呈螺旋彈簧狀。為了保持一定的密度，其螺旋升角不能做得太大，因而低溫時不能拉得太細。為了克服這一缺點，目前使用的SMA膽道內(nèi)支撐均采用螺旋升角較大的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

2.2.2胸外科用SMA內(nèi)支架治療各種食管狹窄和氣管狹窄，臨床應(yīng)用后效果良好。用于治療食管狹窄和氣管狹窄的SMA絲較粗，不便做成相互交叉的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，一般采用螺旋彈簧的形式。為了保證SMA內(nèi)支架在食管或氣管內(nèi)可靠地固定，內(nèi)支架的一端或兩端直徑往往做得稍大一些。由于形狀記憶合金在低溫下的彈性模量小、塑性好，SMA內(nèi)支架不但置入方便、可靠，而且萬一手術(shù)失敗取出也非常方便。

2.2.3血管外科鎳鈦形狀記憶合金在血管外科的應(yīng)用主要包括兩個方面，一是對各種異常血管通道進行堵塞，二是在各種血管狹窄處或動脈瘤處形成血液流通通道。所謂動脈瘤實際上是指血管局部直徑變大、壁厚變薄，長期發(fā)展下去可能會導(dǎo)致血管破裂，引起大出血。用SMA血管內(nèi)支架來治療動脈瘤的研究工作，即用SMA血管內(nèi)支架來代替長有動脈瘤部分的血管［8］。NiTi合金制作的心血管支架具有低的外推力和高的徑向壓縮抗力。較小的外推力可以避免外推力過大而造成血管破裂。很高的徑向抗力，可以在血管壁發(fā)生強烈的收縮或在壓力迫使血管收縮時，起到有效的支撐作用。

2.3矯形外科如口腔科的正畸絲、種植牙和卡環(huán)等，顱面外科的牽張器，耳鼻喉科的鎳鈦絲制成的網(wǎng)狀矯形鼻部支架和窺鏡等。

2.4微創(chuàng)治療器械如異物取出器械、介入放射學(xué)器械、微創(chuàng)外科器械等。

3　鎳鈦記憶合金在小動物臨床上的應(yīng)用前景

作為一種新型的功能性生物材料，其獨特的形狀記憶效應(yīng)及良好的生物相容性，必將取代傳統(tǒng)的不銹鋼材料。關(guān)于鎳鈦形狀記憶合金在獸醫(yī)臨床上的報道很少，在國內(nèi)獸醫(yī)臨床上也較少應(yīng)用。人醫(yī)上開發(fā)的鎳鈦形狀記憶合金器件多采用犬進行實驗，這為獸醫(yī)技術(shù)人員提供了寶貴的參考信息。

蘇佳燦，張春才等采用以鎳鈦形狀記憶合金制成適用于管狀骨骨折的接骨器形似天鵝，又稱天鵝接骨器（Swan-like Memory-pressure Connector，SMC），臨床用于治療各類長骨干骨折和骨不連，取得了很好的療效。他們對25只雜種雄性成年家犬，實施兩側(cè)股骨中段橫形截骨，左側(cè)以SMC、右側(cè)以加壓接骨板（compression plate，CP）固定，術(shù)后2、4、8周行X線攝片、光鏡、電鏡觀察。結(jié)果SMC組骨折部位血管長入時間明顯提前，血管數(shù)量較豐富，發(fā)育程度優(yōu)于CP組，8周時SMC組即可見完整血管內(nèi)壁，內(nèi)皮細胞發(fā)育成熟。實驗表明，SMC治療長管狀骨骨折較CP更早期向骨斷端長入血管，為骨折愈合提供必要的營養(yǎng)成分，有利于骨折愈合，縮短了骨折愈合時間，而且內(nèi)固定操作簡便，是一種值得推廣的新型內(nèi)固定［9］。

馬承宣等［10］采用鎳鈦合金V形支架植入犬發(fā)育異常的髖臼上方，利用其在低溫條件下塑變狀態(tài)向高溫原定形態(tài)這一記憶特征，使V形支架兩臂張開，它的回彈力可驅(qū)動和支撐臼上方截骨瓣并向下方移位。實驗結(jié)果顯示，在V形支架植入12周后實驗動物的髖臼深度、直徑、髖臼指數(shù)均較術(shù)前有明顯改善，組織切片顯示髖臼軟骨、Y形軟骨增生活躍，軟骨下有多量新生骨小梁。記憶金屬V形支架植入后除了其機械性支撐作用恢復(fù)了髖臼上方的弧形結(jié)構(gòu)外，由于其在動物體內(nèi)保持V形兩臂持續(xù)撐開狀態(tài)，使髖臼軟骨復(fù)合體承受來自V形支架的回彈應(yīng)力，因而它也有促進髖關(guān)節(jié)發(fā)育的作用。

劉長建等［11］采用鈦鎳記憶合金支架覆蓋一層硅膠類薄膜制成血管腔內(nèi)支架人造血管，通過介入置放導(dǎo)管將其置于犬腹主動脈瘤模型處。20只動物模型犬置入支架人造血管，觀察2周～16個月，其中16只支架人造血管通暢，2只移位血栓形成，2只感染閉塞。4周后支架人造血管內(nèi)腔被一層完整的內(nèi)皮樣細胞覆蓋，動脈瘤兩端動脈壁無受壓壞死現(xiàn)象，動脈瘤腔內(nèi)可見血栓形成。這種支架人造血管具有良好的柔韌性和生物相容性，并可通過簡易介入導(dǎo)管置放，且價格便宜，有非常良好的臨床應(yīng)用前景。

此外，鎳鈦形狀記憶合金制成的氣管支架在犬貓的氣管塌陷及氣管萎縮的治療中的作用也不可忽視，目前，這類支架已廣泛用于國內(nèi)外的人醫(yī)臨床中，其治療效果得到了廣泛的認可。

4　結(jié)語

由于鎳鈦合金具有明顯的形狀記憶效應(yīng)，從而引起國內(nèi)外許多學(xué)者的關(guān)注和興趣。對鎳鈦合金記憶效應(yīng)的本質(zhì)和應(yīng)用的研究也日趨增加，尤其在醫(yī)學(xué)界，對形狀記憶合金的醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)和臨床應(yīng)用研究作了大量工作。

鎳鈦合金所具有的特殊性能，使它具有廣泛的用途。較低的彈性模量適合用做骨科的修復(fù)和替代材料，非線性的超彈性可以在外科矯形過程中提供恒定且平穩(wěn)的矯正力，良好的生物相容性使它在介入醫(yī)療領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，獨特的形狀記憶效應(yīng)適合用來做智能元件。

隨著獸醫(yī)領(lǐng)域的不斷發(fā)展和壯大，新技術(shù)和新方法不斷涌現(xiàn)，獸醫(yī)技術(shù)人員的水平不斷提高，對獸用材料和獸用設(shè)備的要求也必將越來越高。鎳鈦形狀記憶合金在獸醫(yī)臨床的應(yīng)用，必將引起一次新的“革命”。

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R 318.08

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0529-6005（2016）09-0063-03

2015-09-28

李艷艷（1979-），女，講師，碩士，從事小動物臨床診療工作，E-mail：liyanyan229@sina.com