鎳鈦形狀記憶合金材料的生物相容性研究進展

1、鎳鈦形狀記憶合金材料的生物相容性研究進展摘要：鎳鈦形狀記憶合金作為重要的生物醫(yī)用材料已經(jīng)獲得了廣泛的應用，但鎳離子在人體環(huán)境中的釋放引起了人們的憂慮。本文結(jié)合有關(guān)鎳鈦形狀記憶合金材料生物相容性方面的研究論文, 闡述了鎳鈦形狀記憶合金的概念、工作原理、物化性能、生物相容性、醫(yī)學應用以及發(fā)展趨勢等。關(guān)鍵詞：The niti shape memory alloy biocompatibility Surface modification 1引言生物醫(yī)用材料（biomedical material）是用于對生物體進行診斷、治療、修復或替換其病損組織、器官或增進其功能的新型高技術(shù)材料。它是研究人工器官和

2、醫(yī)療器械的基礎，己成為材料學科的重要分支，尤其是隨著生物技術(shù)的蓮勃發(fā)展和重大突破，生物材料己成為各國科學家競相進行研究和開發(fā)的熱點。當代生物材料已處于實現(xiàn)重大突破的邊緣，不遠的將來，科學家有可能借助于生物材料設計和制造整個人體器官，生物醫(yī)用材料和制品產(chǎn)業(yè)將發(fā)展成為本世紀世界經(jīng)濟的一個支柱產(chǎn)業(yè). 由生物分子構(gòu)成生物材料，再由生物材料構(gòu)成生物部件。生物體內(nèi)各種材料和部件有各自的生物功能。它們是“活”的，也是被整體生物控制的。生物材料中有的是結(jié)構(gòu)材料，包括骨、牙等硬組織材料和肌肉、腱、皮膚等軟組織；還有許多功能材料所構(gòu)成的功能部件，如眼球晶狀體是由晶狀體蛋白包在上皮細胞組成的薄膜內(nèi)而形成的無散射、無

3、吸收、可連續(xù)變焦的廣角透鏡。在生物體內(nèi)生長有不同功能的材料和部件，材料科學的發(fā)展方向之一是模擬這些生物材料制造人工材料。它們可以做生物部件的人工代替物，也可以在非醫(yī)學領域中使用。前者如人工瓣膜、人工關(guān)節(jié)等；后者則有模擬生物黏合劑、模擬酶、模擬生物膜等鎳鈦形狀記憶合金因具有獨特的形狀記憶效應、超彈性、較高的疲勞極限、優(yōu)良的耐磨性及良好的生物相容性，在醫(yī)學領域獲得了廣泛的應用，如畸齒絲、心血管擴張支架、骨折修復材料等。作為一種長期植入人體的生物材料，不僅要具有良好的生物力學性能，而且還要有優(yōu)異的耐蝕性和生物相容性。鎳雖然是人體必需的營養(yǎng)元素，但過量會引起嚴重的局部組織刺激、壞死、過敏、中毒甚至致癌

4、。對于本身含有近50鎳的鎳鈦合金而言，作為長期植入物，其鎳的溶出會對機體產(chǎn)生一定的毒性。近年來隨著鎳鈦形狀記憶合金應用的擴大，鎳鈦形狀記憶合金鎳離子析出引發(fā)的安全性問題已經(jīng)引起很多學者的關(guān)注，目前解決鎳離子析出的方法主要是表面改性和表面涂層。2.鎳鈦形狀記憶合金的概念和工作原理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到低溫塑性變形前形狀的現(xiàn)象稱為形狀記憶效應4。具有這種效應的金屬通常是由2種或2種以上的金屬元素構(gòu)成的合金故稱為形狀記憶合金。當特定合金處于一種高溫狀態(tài)時，母相為奧氏體二維正方晶

5、格，而處于某種低溫時母相自然轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，呈現(xiàn)出菱形晶格，即當奧氏體從Mo點(馬氏體轉(zhuǎn)變起始點)開始冷卻直至Mf點(馬氏體轉(zhuǎn)變終止點)全部完成(圖1)。處在馬氏體狀態(tài)的合金可以承受一定程度即6左右的記憶性變形，而這種變形在加熱到Ao點(奧氏體轉(zhuǎn)變起始點)開始恢復原來的晶格，從而引起形狀記憶，直至Af點(奧氏體轉(zhuǎn)變終止點)全部恢復原狀。除溫度外，還有靠外力誘發(fā)的記憶效應,即當有外力作用時，記憶合金在Mo點以上的溫度即可生成應力誘發(fā)馬氏體，這種馬氏體在應力解除時又會自動發(fā)生逆轉(zhuǎn)變，從而引發(fā)機械記憶效應，使其恢復原狀。這種形狀記憶效應按形狀恢復形式可分為三種類型(圖2)。單向記憶效應：在低溫馬氏體狀

6、態(tài)下受力變形，加熱時恢復高溫相形狀，冷卻時不恢復低溫相形狀。雙向記憶效應：加熱時恢復高溫相形狀，冷卻時恢復低溫相形狀，即通過溫度升降，自發(fā)、可逆地反復恢復高低溫相形狀。全程記憶效應：加熱時恢復高溫相形狀，冷卻時變?yōu)樾螤钕嗤∠蛳喾吹默F(xiàn)象。(1)鎳鈦形狀記憶合金的概念鎳鈦形狀記憶合金是一種經(jīng)過一定塑性變形后在一定條件下能夠自動恢復其原始形狀的形狀記憶合金材料，它的伸縮率在20%以上，疲勞壽命達107次，阻尼特性比普通的彈簧高10倍，其耐腐蝕性優(yōu)于目前最好的醫(yī)用不銹鋼，尤其是其獨特的形狀記憶恢復溫度為(36±2)，接近人體體溫。低于逆轉(zhuǎn)變溫度時，延性高，在70140 MPa應力下發(fā)生塑

7、性變形；而在逆轉(zhuǎn)溫度以上時，又可變低得十分堅硬，正是因為這種非常獨特的物化性能和生物學性能使其在醫(yī)學中獲得了廣泛的應用。(2)鎳鈦形狀記憶合金的工作原理鎳鈦合金是由鎳和鈦組成的二元合金，由于受到溫度和機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。 鎳鈦合金冷卻時的相變順序為母相(奧氏體相)-R相-馬氏體相。奧氏體是溫度較高的時候，或者去除載荷時的狀態(tài)，立方體，堅硬，形狀比較穩(wěn)定；而馬氏體相是溫度相對較低或者加載時的狀態(tài)，六邊形，具有延展性，反復性，不太穩(wěn)定，較易變形。 鎳鈦形狀記憶合金在一定范圍內(nèi)發(fā)生塑性變形后，經(jīng)加熱到某一溫度之上，能夠恢復變形。鎳鈦合金的低溫相為馬氏體，柔

8、軟且易變形；鎳鈦合金的高溫相為奧氏體(母相)，比較硬。冷卻過程中，母相會轉(zhuǎn)變?yōu)閷\品馬氏體，該馬氏體在外應力下容易變形成某一特定形狀；加熱時，已發(fā)生形變的馬氏體會回到原來的奧氏體狀態(tài)。鎳鈦形狀記憶合金經(jīng)過特殊處理可具備單程記憶效應、雙程記憶效應和全程記憶效應。3.鎳鈦形狀記憶合金的性能(1)鎳鈦合金的物理化學性能生物醫(yī)用金屬材料作為異物植入人體內(nèi)，首先要考察其基本物理性能。例如：選擇植人材料時要考慮其密度和彈性模量是否與周圍組織相近，是否有磁性。鎳鈦形狀記億合金密度比較小，與骨組織相近，比較適合于硬組織修復；其彈性模量只是普通不銹鋼的1/4，與人骨較為接近，可極大降低應力遮擋作用，避免骨質(zhì)疏松；

9、鎳鈦合金無磁性，可進行核磁共振成像造影，同時植入人體后不會受外來磁場的影響。另外，鎳鈦形狀記憶合金還可以制成多孔材料，多孔鎳鈦合金密度小，更適合于實現(xiàn)與骨路的力學兼容性，在外科修復中已得到廣泛應用。(2)鎳鈦形狀記憶合金的生物相容性5-7生物相容性是指材料與生物體之間相互作用后產(chǎn)生的各種生物、物理、化學等反應的一種概念。一般地講，就是材料植入人體后與人體相容程度，也就是說是否會對人體組織造成毒害作用。鎳的生物相容性鎳是正常機體必不可少的微量元素，主要由呼吸道吸收且吸收很好，金屬鎳不容易從消化道吸收，也不能從皮膚吸收。正常人血清中鎳含量為0.026 mg/L，頭發(fā)中含量最高，可達(0.64

10、77;0.44)mg/g。正常人體內(nèi)含鎳為610 mg，主要分布于腎、肺、腦、軟骨、脊髓、結(jié)締組織和皮膚等。世界衛(wèi)生組織指出，成人每日鎳攝入量為0.4 rag即可滿足生理需要，其主要是經(jīng)糞、尿和汗排出。鎳攝入量過低或過高都會導致疾病，鎳缺乏會引起生長變慢、體重減輕，干擾體內(nèi)鐵、脂肪、葡萄糖及肝糖代謝，擾亂鈣進入骨骼的過程，降低骨骼長度與寬度之比，抑制心臟、肝和腎中幾種酶的活性，惡化心肌和骨骼肌；鎳攝入或植入物中鎳釋放超過一定濃度，也會引起嚴重后果，高濃度鎳對細胞有明顯的細胞毒性作用并能損傷細胞，肌肉內(nèi)或骨內(nèi)植入純鎳會引起嚴重的局部組織刺激和壞死，并具有很高潛在的致癌性和毒性。鈦的生物相容性鈦對

11、人體是非必需的，無害的。鈦在人體正常組織中的含量小于15 mg，通常認為純鈦能被局部組織較好耐受，不會誘發(fā)毒性或炎性反應。在合適情況下，鈦能夠與骨結(jié)合，而且鈦能夠抑制細菌，不會顯著激活或抑制各種引發(fā)毒性反應的酶。從植入體鈍化層釋放出的鈦顆粒，主要是不溶解的鈦氧化物或次氧化物，它們被認為是生物惰性的。當鈦的鈍化層被劃傷后，由于鈦的強氧化能力能夠很快修復，這種行為保護了合金，阻止了除氧化物外其他化合物的形成。鎳鈦合金的生物相容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，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。生

12、物相容性和材料表面特性與生物體炎癥及過敏反應密切相關(guān)。許多因素，如病人健康情況、年齡、免疫狀態(tài)和材料特性(表面粗糙性、孔隙率、元素毒性)等都可影響人體炎癥及過敏反應。細胞培養(yǎng)及增殖實驗表明，鎳鈦合金對人胚胎上皮細胞和人胚胎腭間充質(zhì)細胞有很好的生物相容性；體內(nèi)軟組織生物相容性實驗13-14表明，鎳鈦合金對血管、肌肉、神經(jīng)及骨18等都有很好的相容性。但對于本身含有近50鎳的鎳鈦合金而言，作為長期植入物，其鎳的溶出會對機體產(chǎn)生一定的毒性。目前解決鎳離子析出的方法主要是記憶合金表面改性和修飾處理15-16，主要有兩種途徑，一種是在記憶合金的表面附加一層保護屏障，阻止鎳離子的彌散；另一種是增加氧化層的厚

13、度，對抗鎳離子的彌散。第一種涂覆保護層抗腐蝕，強度高，但長時間植入體內(nèi)仍然起化學反應，氧化反應發(fā)生后，材料表面的機械特性、電特性和電化學性也同時改變；而第二種生成氧化層對記憶合金的形狀記憶功能及超彈性影響較小，但存在氧化處理后外層鎳離子濃度升高及耐磨損差的缺點。因此，選擇一種惰性更高，強度更強，具有良好生物相容性的材料對鎳鈦記憶合金表面進行涂層處理，可能是解決這一問題的關(guān)鍵。4.鎳鈦形狀記憶合金的醫(yī)學應用8-10,17鎳鈦形狀記憶合金作為一種生物醫(yī)用材料具有其它記憶材料無可比擬的優(yōu)點：(1)抗腐蝕性能好，鎳鈦形狀記憶合金在人體內(nèi)不易被腐。研究表明，鎳鈦形狀記憶合金優(yōu)良的耐腐蝕性能來源于表面自發(fā)

14、形成的保護性氧化層，氧化層越均勻，抗腐蝕性能越好；(2)生物相容性好。鎳鈦形狀記憶合金對人體組織器官無刺激，與人體血液接觸時不會產(chǎn)生凝血、溶血等不良反應；(3)超彈性好，經(jīng)過特殊處理的鎳鈦形狀記憶合金在外力作用下可產(chǎn)生高達8的應變，在卸載時應變又可自動恢復，另外它還具有優(yōu)良的力學性能，抗疲勞、熱加工性能好。因此已成為臨床醫(yī)學中深受歡迎的生物醫(yī)用材料，目前已廣泛用于心血管科、骨科、神經(jīng)外科、整形外科、泌尿外科、口腔科、婦科和肝膽外科等，隨著臨床醫(yī)學尤其是康復醫(yī)學、介入醫(yī)學和再生醫(yī)學的發(fā)展，鎳鈦合金的應用將更加廣泛。膽道支架11：鎳鈦形狀記憶合金膽道支架已作為治療膽道惡性梗阻的一種新手段，其治療效

15、果較好鈦鎳合金支架具有較好的相容性，對周圍組織刺激小，而網(wǎng)狀編織支架結(jié)構(gòu)可阻止癌腫向腔內(nèi)生長，可避免膽泥的形成。對于外科治療時肝膽管切緣陽性或癌腫殘留者，合金支架的支撐可以獲得更長時間的通暢，其維持膽道通暢的時間明顯長于目前使用的其他膽管內(nèi)支撐物，可延長患者的生存期。鈦鎳記憶合金膽道支架具備柔軟、記憶塑形性，支架置入十分簡便。合金支架能有效改善局部膽管的癌性狹窄，但肝膽管內(nèi)不適宜置入全覆膜支架，以選擇半段覆膜的支架較為適宜，支架網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的封閉會影響II、III級肝膽管的通暢。而中段膽管癌置入全覆膜的膽道支架，恢復其正常的生理通道，是一種有效可行的方法。合金支架置入膽管兩端的膽汁滲漏問題往往難以

16、避免，置入時在局部應按常規(guī)放置腹腔引流管。加壓騎縫釘：鎳鈦形狀記憶合金加壓騎縫釘呈“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。使用方法：把它放在04冷水里，可將波浪形的壓縮部拉直，夾角擴大，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)的壓縮力，促進骨折愈合。環(huán)抱器：鎳鈦形狀記憶合金環(huán)抱器用于全身各部位的長管狀骨折，環(huán)抱器主要有圓柱型和圓錐型兩種，圓柱型用來固定長管狀骨中段骨折，圓錐型則用來固定長管狀骨的遠或近端骨折，環(huán)抱器的臂上有鋸齒，環(huán)抱器的體和臂組成了一個的圓周，使用時將環(huán)抱器置于4以下的冰水中，將每對臂向外拉開，至于復位后的骨折處，加溫到37左右

17、，臂的形狀自動恢復而緊緊環(huán)抱在骨折的遠近段，產(chǎn)生固定作用。環(huán)抱器對骨的血供破壞較小，且比髓內(nèi)釘具有更好的抗扭轉(zhuǎn)性能，在提供與不銹鋼板幾乎同等程度的抗彎和抗扭強度時，具有比不銹鋼板小得多的應力遮擋效應。這些特點使鎳鈦形狀記憶合金環(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。釘板系統(tǒng)：鎳鈦形狀記憶合金釘板系統(tǒng)用于骨質(zhì)疏松性轉(zhuǎn)子間骨折，它由帶股骨上端環(huán)抱器的主板、股骨頭分叉釘、三葉草分叉釘、釘尾加壓帽和備用皮質(zhì)骨螺釘組成。鎳鈦形狀記憶合金釘板主板上面的環(huán)抱器用于固定股骨近端骨干，不用額外的螺釘同定，不會導致應力集中及過多的骨質(zhì)破壞；三葉草分叉釘?shù)膹椥曰乜s和釘頭的特殊設計，有助于骨折斷面

18、的持續(xù)加壓和防治股骨頭旋轉(zhuǎn)。同時，鎳鈦形狀記憶合金釘板有更好的彈性固定作用，可以減少疲勞斷釘和股骨頭、頸部穿透釘內(nèi)固定失敗的發(fā)生。擴張器：鎳鈦形狀記憶合金擴張器依靠記憶合金的回復力，使骨移植物與上下椎體緊密接觸，達到牢固的融合。該擴張器由兩個斜臂和一個水平臂組成，室溫下，兩斜臂處于張開狀態(tài)；置于冰水混合物中變軟合攏，便于植入；37時自動恢復張開狀態(tài)，利用這種回復力固定移植物。選用移位率最高的圓柱狀植骨塊，將骨移植物內(nèi)植入擴張器，術(shù)后移植物可獲得穩(wěn)定壓力，既避免了供區(qū)并發(fā)癥，又增加了融合節(jié)段的穩(wěn)定性，在防止移植物脫出、增加融合率方面成效顯著。節(jié)段內(nèi)固定器：鎳鈦形狀記憶合金節(jié)段內(nèi)固定器用于腰椎峽部

19、裂的治療。節(jié)段內(nèi)固定器呈弓形，兩端勾回，形成上下兩鉤，其下鉤固定椎板下緣，上鉤固定在橫突上緣根部。鎳鈦形狀記憶合金固定是一種彈性固定，能對斷裂的峽部進行持續(xù)穩(wěn)定的加壓，且能隨著活動度的增加而增大作用力。椎問融合器：鎳鈦形狀記憶合金椎問融合器該椎間融合器克服了以自體三面皮質(zhì)骨塊作為融合介質(zhì)的傳統(tǒng)融合技術(shù)的缺陷，增加了融合率，是一種新型界面內(nèi)固定技術(shù)。椎問融合器外觀為一中空的長方體，主體部分主要為兩個不同直徑的圓形框及兩個支撐連桿組成閉合框形結(jié)構(gòu)，支撐連桿與椎體上下接觸，兩側(cè)為5對水平翼板，翼板尾端呈倒齒樣結(jié)構(gòu)，利用翼板恢復水平狀態(tài)時產(chǎn)生的強大回復力，在矢狀面、冠狀面均呈弧形的椎體終板上產(chǎn)生一定的

20、彈性，起到持續(xù)的撐開作用；隨后翼板尾部的應力相對集中，導致翼板部分逐漸嵌入終板內(nèi)。鎳鈦形狀記憶合金椎問融合器具有三維穩(wěn)定性，可提供足夠的前柱支撐，降低不穩(wěn)定節(jié)段的活動。5.鎳鈦形狀記憶合金的發(fā)展趨勢12在鎳鈦形狀記憶合金的研究和應用中，目前尚存在許多有待解決的問題，例如：(1)由于鎳鈦形狀記憶合金的各種功能均依賴于馬氏體相變，需要不斷對其加熱、冷卻及加載、卸載，且材料變化具有遲滯性，因此鎳鈦形狀記憶合金只適用于低頻窄帶振動中，大大限制了鎳鈦形狀記憶合金材料的應用；(2)鎳鈦形狀記憶合金自身存在損傷和裂紋等缺陷，如何克服這些缺陷，改善材料性能是當前迫切需要解決的問題；(3)現(xiàn)有的鎳鈦形狀記憶合金

21、機構(gòu)模型在實際工程應用中都還存在一些缺陷，如何克服這些缺點，從而精確地模擬出鎳鈦形狀記憶合金材料行為也是一個需要研究的重要課題；(4)在醫(yī)學應用方面，還需繼續(xù)研究鎳鈦形狀記憶合金的生物相容性和細胞毒性；(5)鎳鈦形狀記憶合金作為一種新型功能材料，其加工和制備工藝較難控制，目前還沒有形成一條鎳鈦形狀記憶合金自動生產(chǎn)線，材料成本也相當昂貴；(6)為了提高應用水平，鎳鈦形狀記憶合金元器件還需要進一步微型化，提高反應速度和控制精度，在這方面仍有許多工作要做。鎳鈦形狀記憶合金研究今后的發(fā)展方向和趨勢為：充分發(fā)掘、改進和完善現(xiàn)有鎳鈦形狀記憶合金的性能；研究并開發(fā)鎳鈦形狀記憶合金智能復合材料；研究、開發(fā)、改

22、善多孔鎳鈦形狀記憶合金。6.結(jié)語大量醫(yī)學基礎研究表明，鎳鈦形狀記憶合金具有優(yōu)良的生物相容性，細胞附著生長良好；鎳鈦形狀記憶合金動物體內(nèi)埋藏試驗表明，試件周圍覆蓋一層很薄的被膜，周圍細胞無畸變，皮毛及內(nèi)臟內(nèi)鎳元素含量未見增加。盡管如此，鎳鈦形狀記憶合金中鎳含量近半，雖然溶出的鎳離子含量很微小，但對潛在的危險沒有完全排除，對該材料長時間植入體內(nèi)的生物相容性的認識還有爭議。因此，還有必要對鎳鈦形狀記憶合金長時間植入體內(nèi)的生物相容性問題以及鎳鈦形狀記憶合金表面改性方法做進一步研究，以提高鎳鈦形狀記憶合金材料的耐蝕性和生物相容性。參考文獻1顧其勝,侯春林,徐政主編. 實用生物醫(yī)用材料學. 上海市：上?？茖W技術(shù)出版社, 2005.07.2楊大智,吳明雄著. Ni-Ti形狀記憶合金在生物醫(yī)學領域的應用. 北京市：冶金工業(yè)出版社, 2003.3形狀記憶合金及其應用J. 機電設備,2002,20(5). 4鄢飛. NiTi形狀記憶合金的特性及其應用J.神經(jīng)損傷與功能重建,2007,2(6).5夏亞一,陳峰,王天民. 鎳鈦形狀記憶合金性能及生物相容性研究進展J.生物骨科材料與臨床研究,2004,1(2).6汪光曄,張春才. 鎳鈦形狀記憶合金生物相容性的概況J.中華創(chuàng)傷骨科雜志,2006,8(4).7趙維彪. 鎳鈦形狀記憶合金的材料學特征與