1、镍钛形状记忆合金材料的生物相容性研究进展摘要：镍钛形状记忆合金作为重要的生物医用材料已经获得了广泛的应用，但镍离子在人体环境中的释放引起了人们的忧虑。本文结合有关镍钛形状记忆合金材料生物相容性方面的研究论文, 阐述了镍钛形状记忆合金的概念、工作原理、物化性能、生物相容性、医学应用以及发展趋势等。关键词：The niti shape memory alloy biocompatibility Surface modification 1 引言生 物 医 用 材 料 （ biomedical material） 是 用 于 对 生 物 体 进 行 诊 断 、 治疗 、 修 复 或 替 换 其 病
2、损 组 织 、 器 官 或 增 进 其 功 能 的 新 型 高 技 术 材 料 。 它 是 研究 人 工 器 官 和 医 疗 器 械 的 基 础 ， 己 成 为 材 料 学 科 的 重 要 分 支 ， 尤 其 是 随 着 生物 技 术 的 莲 勃 发 展 和 重 大 突 破 ， 生 物 材 料 己 成 为 各 国 科 学 家 竞 相 进 行 研 究和 开 发 的 热 点 。 当 代 生 物 材 料 已 处 于 实 现 重 大 突 破 的 边 缘 ， 不 远 的 将 来 ， 科学 家 有 可 能 借 助 于 生 物 材 料 设 计 和 制 造 整 个 人 体 器 官 ， 生 物 医 用 材 料
3、和 制 品产 业 将 发 展 成 为 本 世 纪 世 界 经 济 的 一 个 支 柱 产 业 . 由 生 物 分 子 构 成 生 物 材 料 ， 再 由 生 物 材 料 构 成 生 物 部 件 。 生 物 体 内 各 种材 料 和 部 件 有 各 自 的 生 物 功 能 。 它 们 是 “活 ”的 ， 也 是 被 整 体 生 物 控 制 的 。生 物 材 料 中 有 的 是 结 构 材 料 ， 包 括 骨 、 牙 等 硬 组 织 材 料 和 肌 肉 、 腱 、 皮 肤 等软 组 织 ； 还 有 许 多 功 能 材 料 所 构 成 的 功 能 部 件 ， 如 眼 球 晶 状 体 是 由 晶 状
4、体 蛋白 包 在 上 皮 细 胞 组 成 的 薄 膜 内 而 形 成 的 无 散 射 、 无 吸 收 、 可 连 续 变 焦 的 广 角透 镜 。 在 生 物 体 内 生 长 有 不 同 功 能 的 材 料 和 部 件 ， 材 料 科 学 的 发 展 方 向 之 一是 模 拟 这 些 生 物 材 料 制 造 人 工 材 料 。 它 们 可 以 做 生 物 部 件 的 人 工 代 替 物 ， 也可 以 在 非 医 学 领 域 中 使 用 。 前 者 如 人 工 瓣 膜 、 人 工 关 节 等 ； 后 者 则 有 模 拟 生物 黏 合 剂 、 模 拟 酶 、 模 拟 生 物 膜 等镍钛形状记忆合金
5、因具有独特的形状记忆效应、超弹性、较高的疲劳极限、优良的耐磨性及良好的生物相容性，在医学领域获得了广泛的应用，如畸齿丝、心血管扩张支架、骨折修复材料等。作为一种长期植入人体的生物材料，不仅要具有良好的生物力学性能，而且还要有优异的耐蚀性和生物相容性。镍虽然是人体必需的营养元素，但过量会引起严重的局部组织刺激、坏死、过敏、中毒甚至致癌。对于本身含有近 50镍的镍钛合金而言，作为长期植入物，其镍的溶出会对机体产生一定的毒性。近年来随着镍钛形状记忆合金应用的扩大，镍钛形状记忆合金镍离子析出引发的安全性问题已经引起很多学者的关注，目前解决镍离子析出的方法主要是表面改性和表面涂层。2.镍钛形状记忆合金的
6、概念和工作原理将在高温下处理成一定形状的金属急冷下来，在低温相状态下经塑性变形成另一种形状，然后再加热到高温相，即能成为稳定状态的温度时，通过马氏体逆相变恢复到低温塑性变形前形状的现象称为形状记忆效应4。具有这种效应的金属通常是由 2 种或 2 种以上的金属元素构成的合金故称为形状记忆合金。当特定合金处于一种高温状态时，母相为奥氏体二维正方晶格，而处于某种低温时母相自然转变为马氏体，呈现出菱形晶格，即当奥氏体从 Mo 点(马氏体转变起始点)开始冷却直至 Mf 点(马氏体转变终止点)全部完成(图 1)。处在马氏体状态的合金可以承受一定程度即 6左右的记忆性变形，而这种变形在加热到 Ao 点(奥氏
7、体转变起始点)开始恢复原来的晶格，从而引起形状记忆，直至 Af 点(奥氏体转变终止点)全部恢复原状。除温度外，还有靠外力诱发的记忆效应,即当有外力作用时，记忆合金在 Mo 点以上的温度即可生成应力诱发马氏体，这种马氏体在应力解除时又会自动发生逆转变，从而引发机械记忆效应，使其恢复原状。这种形状记忆效应按形状恢复形式可分为三种类型(图 2)。单向记忆效应：在低温马氏体状态下受力变形，加热时恢复高温相形状，冷却时不恢复低温相形状。双向记忆效应：加热时恢复高温相形状，冷却时恢复低温相形状，即通过温度升降，自发、可逆地反复恢复高低温相形状。全程记忆效应：加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相
8、反的现象。(1)镍 钛 形 状 记 忆 合 金 的 概 念镍 钛 形 状 记 忆 合 金 是 一 种 经 过 一 定 塑 性 变 形 后 在 一 定 条 件 下 能 够 自 动 恢复 其 原 始 形 状 的 形 状 记 忆 合 金 材 料 ， 它 的 伸 缩 率 在 20%以 上 ， 疲 劳 寿 命 达107 次 ， 阻 尼 特 性 比 普 通 的 弹 簧 高 10 倍 ， 其 耐 腐 蚀 性 优 于 目 前 最 好 的 医 用不 锈 钢 ， 尤其是其独特的形状记忆恢复温度为(362)，接近人体体温。低于逆转变温度时，延性高，在 70140 MPa 应力下发生塑性变形；而在逆转温度以上时，又可
9、变低得十分坚硬，正是因为这种非常独特的物化性能和生物学性能使其在医学中获得了广泛的应用。(2)镍 钛 形 状 记 忆 合 金 的 工 作 原 理镍钛合金是由镍和钛组成的二元合金，由于受到温度和机械压力的改变而存在两种不同的晶体结构相，即奥氏体相和马氏体相。 镍钛合金冷却时的相变顺序为母相(奥氏体相)-R 相-马氏体相。奥氏体是温度较高的时候，或者去除载荷时的状态，立方体，坚硬，形状比较稳定；而马氏体相是温度相对较低或者加载时的状态，六边形，具有延展性，反复性，不太稳定，较易变形。 镍钛形状记忆合金在一定范围内发生塑性变形后，经加热到某一温度之上，能够恢复变形。镍钛合金的低温相为马氏体，柔软且易
10、变形；镍钛合金的高温相为奥氏体(母相)，比较硬。冷却过程中，母相会转变为孪品马氏体，该马氏体在外应力下容易变形成某一特定形状；加热时，已发生形变的马氏体会回到原来的奥氏体状态。镍钛形状记忆合金经过特殊处理可具备单程记忆效应、双程记忆效应和全程记忆效应。3.镍 钛 形 状 记 忆 合 金 的 性能(1)镍钛合金的物理化学性能生物医用金属材料作为异物植入人体内，首先要考察其基本物理性能。例如：选择植人材料时要考虑其密度和弹性模量是否与周围组织相近，是否有磁性。镍钛形状记亿合金密度比较小，与骨组织相近，比较适合于硬组织修复；其弹性模量只是普通不锈钢的 1/4，与人骨较为接近，可极大降低应力遮挡作用，
11、避免骨质疏松；镍钛合金无磁性，可进行核磁共振成像造影，同时植入人体后不会受外来磁场的影响。另外，镍钛形状记忆合金还可以制成多孔材料，多孔镍钛合金密度小，更适合于实现与骨路的力学兼容性，在外科修复中已得到广泛应用。(2)镍钛形状记忆合金的生物相容性5-7生物相容性是指材料与生物体之间相互作用后产生的各种生物、物理、化学等反应的一种概念。一般地讲，就是材料植入人体后与人体相容程度，也就是说是否会对人体组织造成毒害作用。镍的生物相容性镍是正常机体必不可少的微量元素，主要由呼吸道吸收且吸收很好，金属镍不容易从消化道吸收，也不能从皮肤吸收。正常人血清中镍含量为 0.026 mg/L，头发中含量最高，可达
12、(0.640.44)mg/g。正常人体内含镍为 610 mg，主要分布于肾、肺、脑、软骨、脊髓、结缔组织和皮肤等。世界卫生组织指出，成人每日镍摄入量为 0.4 rag 即可满足生理需要，其主要是经粪、尿和汗排出。镍摄入量过低或过高都会导致疾病，镍缺乏会引起生长变慢、体重减轻，干扰体内铁、脂肪、葡萄糖及肝糖代谢，扰乱钙进入骨骼的过程，降低骨骼长度与宽度之比，抑制心脏、肝和肾中几种酶的活性，恶化心肌和骨骼肌；镍摄入或植入物中镍释放超过一定浓度，也会引起严重后果，高浓度镍对细胞有明显的细胞毒性作用并能损伤细胞，肌肉内或骨内植入纯镍会引起严重的局部组织刺激和坏死，并具有很高潜在的致癌性和毒性。钛的生物
13、相容性钛对人体是非必需的，无害的。钛在人体正常组织中的含量小于 15 mg，通常认为纯钛能被局部组织较好耐受，不会诱发毒性或炎性反应。在合适情况下，钛能够与骨结合，而且钛能够抑制细菌，不会显著激活或抑制各种引发毒性反应的酶。从植入体钝化层释放出的钛颗粒，主要是不溶解的钛氧化物或次氧化物，它们被认为是生物惰性的。当钛的钝化层被划伤后，由于钛的强氧化能力能够很快修复，这种行为保护了合金，阻止了除氧化物外其他化合物的形成。镍钛合金的生物相容性生物相容性是形状记忆合金能否用于人体的最重要因素。生物相容性良好的材料在生物体内不会引起过敏反应，不会释放任何离子到生物体的血液中去；在生物体长久存在而不会发生
14、有害反应。生物相容性和材料表面特性与生物体炎症及过敏反应密切相关。许多因素，如病人健康情况、年龄、免疫状态和材料特性(表面粗糙性、孔隙率、元素毒性)等都可影响人体炎症及过敏反应。细胞培养及增殖实验表明，镍钛合金对人胚胎上皮细胞和人胚胎腭间充质细胞有很好的生物相容性；体内软组织生物相容性实验13-14表明，镍钛合金对血管、肌肉、神经及骨18等都有很好的相容性。但对于本身含有近 50镍的镍钛合金而言，作为长期植入物，其镍的溶出会对机体产生一定的毒性。目前解决镍离子析出的方法主要是记忆合金表面改性和修饰处理15-16，主要有两种途径，一种是在记忆合金的表面附加一层保护屏障，阻止镍离子的弥散；另一种是
15、增加氧化层的厚度，对抗镍离子的弥散。第一种涂覆保护层抗腐蚀，强度高，但长时间植入体内仍然起化学反应，氧化反应发生后，材料表面的机械特性、电特性和电化学性也同时改变；而第二种生成氧化层对记忆合金的形状记忆功能及超弹性影响较小，但存在氧化处理后外层镍离子浓度升高及耐磨损差的缺点。因此，选择一种惰性更高，强度更强，具有良好生物相容性的材料对镍钛记忆合金表面进行涂层处理，可能是解决这一问题的关键。4.镍钛形状记忆合金的医学应用8-10,17镍钛形状记忆合金作为一种生物医用材料具有其它记忆材料无可比拟的优点：(1)抗腐蚀性能好，镍钛形状记忆合金在人体内不易被腐。研究表明，镍钛形状记忆合金优良的耐腐蚀性能
16、来源于表面自发形成的保护性氧化层，氧化层越均匀，抗腐蚀性能越好；(2)生物相容性好。镍钛形状记忆合金对人体组织器官无刺激，与人体血液接触时不会产生凝血、溶血等不良反应；(3)超弹性好，经过特殊处理的镍钛形状记忆合金在外力作用下可产生高达 8的应变，在卸载时应变又可自动恢复，另外它还具有优良的力学性能，抗疲劳、热加工性能好。因此已成为临床医学中深受欢迎的生物医用材料，目前已广泛用于心血管科、骨科、神经外科、整形外科、泌尿外科、口腔科、妇科和肝胆外科等，随着临床医学尤其是康复医学、介入医学和再生医学的发展，镍钛合金的应用将更加广泛。胆道支架11：镍钛形状记忆合金胆道支架已作为治疗胆道恶性梗阻的一种
17、新手段，其治疗效果较好钛镍合金支架具有较好的相容性，对周围组织刺激小，而网状编织支架结构可阻止癌肿向腔内生长，可避免胆泥的形成。对于外科治疗时肝胆管切缘阳性或癌肿残留者，合金支架的支撑可以获得更长时间的通畅，其维持胆道通畅的时间明显长于目前使用的其他胆管内支撑物，可延长患者的生存期。钛镍记忆合金胆道支架具备柔软、记忆塑形性，支架置入十分简便。合金支架能有效改善局部胆管的癌性狭窄，但肝胆管内不适宜置入全覆膜支架，以选择半段覆膜的支架较为适宜，支架网状结构的封闭会影响II、III 级肝胆管的通畅。而中段胆管癌置入全覆膜的胆道支架，恢复其正常的生理通道，是一种有效可行的方法。合金支架置入胆管两端的胆
18、汁渗漏问题往往难以避免，置入时在局部应按常规放置腹腔引流管。加压骑缝钉：镍钛形状记忆合金加压骑缝钉呈“U”字形，有一个波浪形的压缩部和两条直的腿，腿和压缩部夹角为 70。使用方法：把它放在 04冷水里，可将波浪形的压缩部拉直，夹角扩大，把它的两条腿分别放在骨折线的两侧并加热后，它能对骨折处产生持续的压缩力，促进骨折愈合。环抱器：镍钛形状记忆合金环抱器用于全身各部位的长管状骨折，环抱器主要有圆柱型和圆锥型两种，圆柱型用来固定长管状骨中段骨折，圆锥型则用来固定长管状骨的远或近端骨折，环抱器的臂上有锯齿，环抱器的体和臂组成了一个的圆周，使用时将环抱器置于 4以下的冰水中，将每对臂向外拉开，至于复位后
19、的骨折处，加温到 37左右，臂的形状自动恢复而紧紧环抱在骨折的远近段，产生固定作用。环抱器对骨的血供破坏较小，且比髓内钉具有更好的抗扭转性能，在提供与不锈钢板几乎同等程度的抗弯和抗扭强度时，具有比不锈钢板小得多的应力遮挡效应。这些特点使镍钛形状记忆合金环抱器能更好地促进骨折愈合，并减少骨折愈合后骨质疏松的产生。钉板系统：镍钛形状记忆合金钉板系统用于骨质疏松性转子间骨折，它由带股骨上端环抱器的主板、股骨头分叉钉、三叶草分叉钉、钉尾加压帽和备用皮质骨螺钉组成。镍钛形状记忆合金钉板主板上面的环抱器用于固定股骨近端骨干，不用额外的螺钉同定，不会导致应力集中及过多的骨质破坏；三叶草分叉钉的弹性回缩和钉头
20、的特殊设计，有助于骨折断面的持续加压和防治股骨头旋转。同时，镍钛形状记忆合金钉板有更好的弹性固定作用，可以减少疲劳断钉和股骨头、颈部穿透钉内固定失败的发生。扩张器：镍钛形状记忆合金扩张器依靠记忆合金的回复力，使骨移植物与上下椎体紧密接触，达到牢固的融合。该扩张器由两个斜臂和一个水平臂组成，室温下，两斜臂处于张开状态；置于冰水混合物中变软合拢，便于植入；37时自动恢复张开状态，利用这种回复力固定移植物。选用移位率最高的圆柱状植骨块，将骨移植物内植入扩张器，术后移植物可获得稳定压力，既避免了供区并发症，又增加了融合节段的稳定性，在防止移植物脱出、增加融合率方面成效显著。节段内固定器：镍钛形状记忆合
21、金节段内固定器用于腰椎峡部裂的治疗。节段内固定器呈弓形，两端勾回，形成上下两钩，其下钩固定椎板下缘，上钩固定在横突上缘根部。镍钛形状记忆合金固定是一种弹性固定，能对断裂的峡部进行持续稳定的加压，且能随着活动度的增加而增大作用力。椎问融合器：镍钛形状记忆合金椎问融合器该椎间融合器克服了以自体三面皮质骨块作为融合介质的传统融合技术的缺陷，增加了融合率，是一种新型界面内固定技术。椎问融合器外观为一中空的长方体，主体部分主要为两个不同直径的圆形框及两个支撑连杆组成闭合框形结构，支撑连杆与椎体上下接触，两侧为 5 对水平翼板，翼板尾端呈倒齿样结构，利用翼板恢复水平状态时产生的强大回复力，在矢状面、冠状面
22、均呈弧形的椎体终板上产生一定的弹性，起到持续的撑开作用；随后翼板尾部的应力相对集中，导致翼板部分逐渐嵌入终板内。镍钛形状记忆合金椎问融合器具有三维稳定性，可提供足够的前柱支撑，降低不稳定节段的活动。5.镍钛形状记忆合金的发展趋势12在镍钛形状记忆合金的研究和应用中，目前尚存在许多有待解决的问题，例如：(1)由于镍钛形状记忆合金的各种功能均依赖于马氏体相变，需要不断对其加热、冷却及加载、卸载，且材料变化具有迟滞性，因此镍钛形状记忆合金只适用于低频窄带振动中，大大限制了镍钛形状记忆合金材料的应用；(2)镍钛形状记忆合金自身存在损伤和裂纹等缺陷，如何克服这些缺陷，改善材料性能是当前迫切需要解决的问题
23、；(3)现有的镍钛形状记忆合金机构模型在实际工程应用中都还存在一些缺陷，如何克服这些缺点，从而精确地模拟出镍钛形状记忆合金材料行为也是一个需要研究的重要课题；(4)在医学应用方面，还需继续研究镍钛形状记忆合金的生物相容性和细胞毒性；(5)镍钛形状记忆合金作为一种新型功能材料，其加工和制备工艺较难控制，目前还没有形成一条镍钛形状记忆合金自动生产线，材料成本也相当昂贵；(6)为了提高应用水平，镍钛形状记忆合金元器件还需要进一步微型化，提高反应速度和控制精度，在这方面仍有许多工作要做。镍钛形状记忆合金研究今后的发展方向和趋势为：充分发掘、改进和完善现有镍钛形状记忆合金的性能；研究并开发镍钛形状记忆合
24、金智能复合材料；研究、开发、改善多孔镍钛形状记忆合金。6.结语大量医学基础研究表明，镍钛形状记忆合金具有优良的生物相容性，细胞附着生长良好；镍钛形状记忆合金动物体内埋藏试验表明，试件周围覆盖一层很薄的被膜，周围细胞无畸变，皮毛及内脏内镍元素含量未见增加。尽管如此，镍钛形状记忆合金中镍含量近半，虽然溶出的镍离子含量很微小，但对潜在的危险没有完全排除，对该材料长时间植入体内的生物相容性的认识还有争议。因此，还有必要对镍钛形状记忆合金长时间植入体内的生物相容性问题以及镍钛形状记忆合金表面改性方法做进一步研究，以提高镍钛形状记忆合金材料的耐蚀性和生物相容性。参考文献1顾其胜,侯春林,徐政主编. 实用生
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