镍钛形状记忆合金的材料学特征与医学应用

赵维彪
Ｄ ｅｐａｒｔｍ ｅｎｔ
ｏｆ
Ｏ ｒｔｈｏｐａｅｄｉｃ Ｓ ｕｒｇｅｒｙ，
Ｌｉａｏｎｉｎｇ Ｐ ｒｏｖｉｎｃｅ
Ｊｉｎｑｉｕ Ｈ ｏｓｐｉｔａｌ，
Ｓ ｈｅｎｙａｎｇ １１００１６，
Ｌｉａｏｎｉｎｇ Ｐ ｒｏｖｉｎｃｅ，
Ｃ ｈｉｎａ
Ｚ ｈａｏ Ｗ ｅｉ－ｂｉａｏ，
Ａ ｓｓｏｃｉａｔｅ
ｃｈｉｅｆ
ｐｈｙｓｉｃｉａｎ，
Ｍ ａｔｅｒｉａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ｍ ｅｄｉｃａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｎｉｃｋｅｌ－ｔｉｔａｎｉｕｍ ｓｈａｐｅ－ｍ ｅｍ ｏｒｙ ａｌｌｏｙ
Ａ ｂｓｔｒａｃｔ Ｏ Ｂ ＪＥ Ｃ Ｔ ＩＶ Ｅ ： Ｔ ｏ ｒｅｖｉｅｗ ｔｈｅ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｎｉｃｋｅｌ－ｔｉｔａｎｉｕｍ （Ｎ ｉ－Ｔ ｉ） ｓｈａｐｅ－ｍ ｅｍ ｏｒｙ ａｌｌｏｙ ｉｎ ｏｒｔｈｏｐｅｄｉｃｓ． Ｄ Ａ Ｔ Ａ ＳＯ Ｕ Ｒ Ｃ Ｅ Ｓ： Ａ ｃｏｍ ｐｕｔｅｒ－ｂａｓｅｄ ｏｎｌｉｎｅ ｓｅａｒｃｈ ｗ ａｓ ｕｎｄｅｒｔａｋｅｎ ｔｏ ｉｄｅｎｔｉｆｙ ｔｈｅ ａｒｔｉｃｌｅｓ ｏｆ Ｎ ｉ－Ｔ ｉｓｈａｐｅ ｍ ｅｍ ｏｒｙ ａｌｌｏｙ ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ ｆｒｏｍ Ｊａｎｕａｒｙ １９９３ ｔｏ Ｍ ａｒｃｈ ２００７， ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｋｅｙｗ ｏｒｄｓ ＂Ｎ ｉ－Ｔ ｉｓｈａｐｅ－ｍ ｅｍ ｏｒｙ ａｌｌｏｙ＂ ａｎｄ ｌａｎｇｕａｇｅ ｗ ａｓ ｌｉｍ ｉｔｅｄ ｔｏ Ｅ ｎｇｌｉｓｈ； ｍ ｅａｎｗ ｈｉｌｅ ｔｈｅ ｒｅｌｅｖａｎｔ Ｃ ｈｉｎｅｓｅ ａｒｔｉｃｌｅｓ ｗ ｅｒｅ ｒｅｔｒｉｅｖｅｄ ｉｎ Ｃ ｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ Ｆ ｕｌｌ－ｔｅｘｔ Ｄ ａｔａｂａｓｅ ｂｅｔｗ ｅｅｎ Ｊａｎｕａｒｙ １９９６ ａｎｄ Ｍ ａｙ ２００６， ｗ ｉｔｈ ｔｈｅ ｋｅｙ ｗ ｏｒｄ Ｎ ｉ－Ｔ ｉｓｈａｐｅ－ｍ ｅｍ ｏｒｙ ａｌｌｏｙ． ＳＴ Ｕ Ｄ Ｙ ＳＥ Ｌ Ｅ Ｃ Ｔ ＩＯ Ｎ ： Ａ ｌｌｔｈｅ ｌｉｔｅｒａｔｕｒｅｓ ｗ ｅｒｅ ｃｈｅｃｋｅｄ ｐｒｉｍ ａｒｉｌｙ． Ｉｎｃｌｕｓｉｖｅ ｃｒｉｔｅｒｉａ： ①ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｏｆ Ｎ ｉ－Ｔ ｉ ｓｈａｐｅ－ｍ ｅｍ ｏｒｙ ａｌｌｏｙ．②ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍ ｅｎｔ ａｎｄ ｂｉｏｃｏｍ ｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ．③ｔｈｅ ｃｌｉｎｉｃａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ． Ｄ Ａ Ｔ Ａ Ｅ Ｘ Ｔ Ｒ Ａ Ｃ Ｔ ＩＯ Ｎ ： Ｔ ｏｔａｌｌｙ １００ ａｒｔｉｃｌｅｓ ｗ ｅｒｅ ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ， ６６ ｏｆ ｔｈｅｍ ｗ ｅｒｅ ｅｘｃｌｕｄｅｄ ｄｕｅ ｔｏ ｔｈｅ ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔｅｎｔｓ ａｎｄ ３４ ｏｎｅｓ ｉｎ ａｃｃｏｒｄａｎｃｅ ｗ ｉｔｈ ｔｈｅ ｃｒｉｔｅｒｉａ ｗ ｅｒｅ ｓｅｌｅｃｔｅｄ． Ｄ Ａ Ｔ Ａ ＳＹ Ｎ Ｔ Ｈ Ｅ ＳＩＳ： Ｎ ｉ－Ｔ ｉｓｈａｐｅ－ｍ ｅｍ ｏｒｙ ａｌｌｏｙ ｉｓ ｇｏｏｄ ｉｎ ｂｉｏｃｏｍ ｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ， ａｎｄ ｉｔｈａｓ ｂｅｅｎ ｗ ｉｄｅｌｙ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ ｃｌｉｎｉｃａｌｉｎｔｅｒｎａｌ ｆｉｘａｔｉｏｎｓ，ｓｕｃｈ ａｓ Ｎ ｉ－Ｔ ｉｓｈａｐｅ－ｍ ｅｍ ｏｒｙ ａｌｌｏｙ ｃｏｍ ｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔａｐｌｅ，Ｎ ｉ－Ｔ ｉｓｈａｐｅ－ｍ ｅｍ ｏｒｙ ｓａｗ ｔｏｏｔｈ－ａｒｍ ｅｍ ｂｒａｃｉｎｇ ｉｎｔｅｒｎａｌｆｉｘａｔｏｒ， Ｎ ｉ－Ｔ ｉｓｈａｐｅ－ｍ ｅｍ ｏｒｙ ａｌｌｏｙ ｓｅｌｆ－ｌｏｃｋｉｎｇ ｉｎｔｒａｍ ｅｄｕｌａｒｎａｉｌ，Ｎ ｉ－Ｔ ｉｓｈａｐｅ－ｍ ｅｍ ｏｒｙ ａｌｌｏｙ ｅａｇｌｅ＇ｓ ｂｅａｋ－ｉｎｄｕｃｅｄ ｍ ｅｍ ｏｒｙ ｆｉｘａｔｏｒ，Ｎ ｉ－Ｔ ｉ ａｌｌｏｙ ｐａｔｅｌｌａ ｈｏｌｄｅｒ，Ｎ ｉ－Ｔ ｉａｌｌｏｙ ｖｅｒｔｅｂｒａｌｓｃｒｅｗ ，Ｎ ｉ－Ｔ ｉａｌｌｏｙ ｉｎｔｅｒｖｅｒｔｅｂｒａｌｆｕｓｉｏｎ ｃａｇｅ，ａｎｄ Ｎ ｉ－Ｔ ｉａｌｌｏｙ ｓｔｒｅｔｃｈｉｎｇ ｐｌｉｅｒｓ． Ｃ Ｏ Ｎ Ｃ Ｌ Ｕ ＳＩＯ Ｎ ： Ｗ ｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｄｅｖｅｌｏｐｍ ｅｎｔ ｏｆ ｍ ｅｍ ｏｒｙ ａｌｌｏｙ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｎ ｉ－Ｔ ｉ ｓｈａｐｅ－ｍ ｅｍ ｏｒｙ ａｌｌｏｙ ｈａｓ ｂｅｅｎ ａｐｐｌｉｅｄ ｍ ｏｒｅ ｗ ｉｄｅｌｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｍ ｕｌｔｉｄｉｓｃｉｐｌｉｎａｒｙ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎ ｉｓ ｎｅｃｅｓｓａｒｙ．
Ｄ ｅｐａｒｔｍ ｅｎｔ
ｏｆ
Ｏ ｒｔｈｏｐａｅｄｉｃ Ｓ ｕｒｇｅｒｙ，
Ｌｉａｏｎｉｎｇ Ｐ ｒｏｖｉｎｃｅ
Ｊｉｎｑｉｕ Ｈ ｏｓｐｉｔａｌ，
Ｓ ｈｅｎｙａｎｇ １１００１６，
Ｌｉａｏｎｉｎｇ Ｐ ｒｏｖｉｎｃｅ，
Ｃ ｈｉｎａ
ｇｕｙａｎｚｈａｏｗ ｅｉｂｉａｏ＠
ｙａｈｏｏ．ｃｏｍ ．ｃｎ
Ｒ ｅｃｅｉｖｅቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ：２００７－０３－１３ Ａ ｃｃｅｐｔｅｄ：２００７－０４－１８
一般金属的变形是通过滑移产生永久变形，而镍钛 形状记忆合金的变形则是由马氏体转变或马氏体内组 织再取向来实现的。当镍钛形状记忆合金从高温母相冷 却至低于马氏体的转变开始温度点，产生马氏体相变这 种 马 氏 体 比 母 相 软 ，称 为 热 弹 性 马 氏 体［９ ］。 在 一 定 的 载 荷下冷却试样， 使试样从马氏体相变开始温度 （Ｍ ｓ 点） 向马氏体转变，随着相变的发生，试样开始伸长，当达到 马氏体相变完成温度（Ｍ ｆ）的同时，试样也停止伸长，这种 因相变导致试样发生形变称为相变形变。反之，加热试 样，从马氏体相向母相转变的开始温度（Ａ ｓ 点）到全部转 变为母相的终止温度（Ａ ｆ 点），伴随这一逆向马氏体相变 发生的同时，试样回复到原状。大多数的合金相变发生 在较窄的温度内，而且伴随着滞后现象，以致加热与冷 却的转变过程不交迭，相变的滞后程度因合金系的不同 而 不 同 。 镍 钛 形 状 记 忆［１０ ］能 够 完 全 恢 复 的 形 变 量 可 达 ６％ ￣ ８％ ，它的形变温度范围一般在 １００￣２００ ℃，主要 受合金成分及热处理制度等因素影响，在形变回复时还 会产生很大的回复力，甚至高达 ２００ Ｍ Ｐ ａ。
ＣＲＴＥＲ
中国组织工程研究与临床康复 第 １１ 卷 第 ２２ 期 ２００７－ ０６－０３ 出版 ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣ ｌｉｎｉｃａｌＲ ｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｖｅ Ｔ ｉｓｓｕｅ Ｅ ｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｒ ｅｓｅａｒｃｈ Ｊｕｎｅ ３，２００７ Ｖ ｏｌ．１１，Ｎ ｏ．２２
综述
镍钛形状记忆合金的材料学特征与医学应用
Ｚ ｈａｏ Ｗ Ｂ ．Ｍ ａｔｅｒｉａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ｍ ｅｄｉｃａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｎｉｃｋｅｌ－ｔｉｔａｎｉｕｍ ｓｈａｐｅ－ｍ ｅｍ ｏｒｙ ａｌｌｏｙ．Ｚ ｈｏｎｇｇｕｏ Ｚ ｕｚｈｉ Ｇ ｏｎｇｃｈｅｎｇ Ｙ ａｎｊｉｕ ｙｕ Ｌｉｎｃｈｕａｎｇ Ｋ ａｎｇｆｕ ２００７；１１（２２）：４３７６－４３７９（Ｃ ｈｉｎａ） ［ｗ ｗ ｗ ．ｚｇｌｃｋｆ．ｃｏｍ ／ｚｇｌｃｋｆ／ｅｊｏｕｒｎａｌ／ｕｐｆｉｌｅｓ／０７－２２／２２ｋ－４３７６（ｐｓ）．ｐｄｆ］
１ 镍钛形状记忆合金的记忆原理及基本特性
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。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［５］。形状记忆
０ 引言
辽宁省金秋医院骨 外科， 辽宁省沈阳 市 １１００１６
赵维彪，男，１９７０ 年 生， 辽宁省沈阳市 人，汉族，１９９２ 年青 海医学院毕业，副主 任医师，主要从事创 伤及关节外科疾病 基础及临床的研究。 ｇｕｙａｎｚｈａｏｗ ｅｉｂｉａｏ＠ ｙａｈｏｏ．ｃｏｍ ．ｃｎ
中 图 分 类 号：Ｒ ３１８．０８ 文 献 标 识 码：Ａ 文 章 编 号 ：１６７３－８２２５ （２００７）２２－０４３７６－０４
收 稿 日 期 ：２００７－０３－１３ 修 回 日 期 ：２００７－０４－１８ （０７－５０－３－１４６５／Ｙ·Ｙ ）
的是镍钛记忆合金和 Ｃｕ 基记忆合金，如 Ｃ ｕ－Ｚ ｎ－Ａ ｌ或 Ｃ ｕ－Ａ ｌ－Ｎ ｉ。而最具有医用开发前景
的只有镍钛记忆合金， 镍钛记忆合金除具有其 他形状记忆合金共有的特性外， 还具有优良的 生 物 相 容 性 ， 耐 磨 性 、耐 腐 蚀［４ ］。本 文 就 镍 钛 形 状记忆合金的原理、发展概况、生 物 相 容 性 及 在骨科的应用进行综述。
４３７６
Ｐ ．Ｏ ．Ｂ ｏｘ １２００，Ｓ ｈｅｎｙａｎｇ １１０００４ ｋｆ２３３８５０８３＠ ｓｉｎａ．ｃｏｍ ｗ ｗ ｗ ．ｚｇｌｃｋｆ．ｃｏｍ
ＩＳ Ｓ Ｎ １６７３ －８２２５ Ｃ Ｎ ２１－１５３９／Ｒ ｗ ｗ ｗ ．ｚｇｌｃｋｆ．ｃｏｍ ｋｆ２３３８５０８３＠ ｓｉｎａ．ｃｏｍ
赵 维 彪 ．镍 钛 形 状 记 忆 合 金 的 材 料 学 特 征 与 医 学 应 用
ＣＲＴＥＲ
效应是由马氏体相变导致的参与马氏体相变的高温相 和低温相分别称为母相和马氏体相。形状恢复的驱动 力是在加热温度下母相和马氏体相的自由能之差［６］。
镍钛形状记忆合金的形状记忆效应与马氏体的可逆 相变有密切关系。普通钢铁中的马氏体是一种无扩散相 变的产物，由于碳在 α－Ｆ ｅ 中的扩散速度大，加热时马氏 体首先发生分解， 因而马氏体的相变一般是不可逆的即 马氏体加热时不会逆向再变成奥氏体［７ ］。 但 是 镍 钛 形 状 记忆合金马氏体相变是可逆的，即冷却时由母相转变成 为马氏体。而加热时，马氏体又逆向转变为母相。镍钛形 状记忆合金的本质是合金中热弹性马氏体相变［８］。
赵 维 彪 ．镍 钛 形 状 记 忆 合 金 的 材 料 学 特 征 与 医 学 应 用 ［Ｊ］．中 国 组 织 工 程 研 究 与 临 床 康 复 ，２ ０ ０ ７ ，１ １ （２ ２ ）：４ ３ ７ ６ －４ ３ ７ ９ ［ｗ ｗ ｗ ．ｚｇｌｃｋｆ．ｃｏｍ ／ｚｇｌｃｋｆ／ｅｊｏｕｒｎａｌ／ｕｐｆｉｌｅｓ／０７－２２／２２ｋ－４３７６（ｐｓ）．ｐｄｆ］
摘要 目的：综述镍钛形状记忆合金的基本特性及在当前骨科材料上的应用和发展趋势。 资料来源：应用计算机检索 １９９３－０１／２００７－０３ 关于镍钛形状记忆合金的文章，检索词“Ｎ ｉ－Ｔ ｉｓｈａｐｅ－ｍ ｅｍ ｏｒｙ Ａ ｌｌｏｙ”，并限定文 章的语言种类为 Ｅ ｎｇｌｉｓｈ，同时利用计算 机 检 索 中 国 期 刊 全 文 数 据 库 １９９６－０１／２００６－０５ 的 相 关 文 章 ，限 定 文 章 语 言 种 类 为 中 文 ，检 索 词 “镍 钛 形 状 记 忆 合 金 ”。 资 料 选 择 ：对 资 料 进 行 初 审 ，纳 入 标 准 ：① 镍 钛 形 状 记 忆 合 金 的 原 理 、特 性 。② 发 展 状 况 、生 物 相 容 性 。③ 材 料 的 临 床 应 用 。 资料提炼：共收集到符合上述要求文献 １００ 篇，排除 ６６ 篇重复性研究，３４ 篇符合纳入标准。 资料综合：镍钛形状记忆合金有良好的生物相容性，由其制成的骨科内固定物已广泛应用于临床，如镍钛形状记忆合金加压骑 缝钉、镍钛形状记忆合金锯齿臂环抱内固定器、镍钛形状记忆合金自锁式髓内钉、镍钛形状记 忆 合 金 鹰 嘴 引 导 记 忆 固 定 器 、镍 钛 形 状 记 忆 合 金 抓 髌 器 、镍 钛 形 状 记 忆 合 金 椎 体 钉 、镍 钛 形 状 记 忆 合 金 椎 间 融 合 器 、镍 钛 形 状 记 忆 合 金 扩 张 钳 。 结论：随着记忆合金工程应用的不断发展，镍钛形状记忆合金这种新型功能材料将在医学上获得更广泛的应用，多学科的工作 者共同协作是促进医学新材料不断发展的必要条件。 关 键 词 ：形 状 记 忆 合 金 ；镍 钛 ；骨 折
形状记忆合金是一种经历合适的热力过 程后能够回复到原来形状的材料［１］。因其有超 弹性和形状记忆效应等特性，且生物相容性良 好，已被广泛应用于制作骨科内固定器材。形 状记忆合金包括一组金属材料，给予形状记忆 合金施加适当的热力载荷， 它们能够恢复原 来的长度或形状， 当回复到原来形状的过程 受 阻 时 能 够 产 生 很 大 的 回 复 力［２ ］。虽 然 很 多 合 金都有形状记忆效应，但只有能产生很大回复 力 的 合 金 才 有 潜 在 的 商 用 价 值［３ ］。 其 中 最 重 要