材料科学导论-新材料在医学上的应用-李大为

材料科学导论结课论文

纪朝辉老师

南三-112

周五第9、10节

《Ti-Ni形状记忆合金在医学上的应用》李大为

120146612

经济与管理学院

工商管理专业

Ti-Ni形状记忆合金在医学上的应用

李大为120146612

（中国民航大学经济与管理学院，天津300300）

摘要：形状记忆合金是指具有形状记忆效应的合金材料。具有形状记忆效应的合金目前已发现20余种，但具有医用开发前景的只有钛镍（Ti-Ni）形状记忆合金。钛镍形状记忆合金不但具有奇特的形状记忆效应、超弹性及优良的耐磨性，而且具有良好的耐蚀性和组织相容性，因此在临床和医疗器械等方面应用广泛。

关键词：形状记忆合金；SMA；SME；Ti-Ni；生物相容性；临床科室；医疗器械

一、前言

形状记忆合金（SMA）是指具有一定初始形状的合金在低温下经塑性变形并固定成另一种形状后，通过加热到某一临界温度以上又可恢复成初始形状的一类合金[1]。形状记忆合金具有的能够记住其原始形状的功能称为形状记忆效应（SME）。形状记忆效应的研究最早可追溯到1932年的美国，Olander在Au-Cu合金中发现了类橡皮效应（rubber-like Behavior）,随后各国相继发现Au-Cd也有SME。1951年，Chang和Read 在Au-47.5%质量分数Cd合金单晶中发现，低温相马氏体和高温相之间的界面随温度下降向母相推移。然而这些现象的发现在当时并未引起人们的足够重视。直到1963年，美国海军武器实验者Buebler等在Ti-Ni合金中，发现具有实际应用价值的形状记忆效应后，才引起了人们的广泛兴趣。此后，SME又相继在Cu-Zn、Fe-Pt等多种合金中被发现。经过50多年的研究与发展，目前形状记忆合金的工程和生物医学应用已日渐广泛，并逐步形成了蓬勃发展的高新技术产业。目前，在医学方面又以Ti-Ni研究最为火爆，并正处于一个新的高潮期。不可否认的是，医用Ti-Ni形状记忆合金已然成为21世纪理想的新型生物功能材料。近年来，医用Ti-Ni形状记忆合金的应用发展很快。临床方面，主要包括骨科、五官科、口腔科、脑外科、胸外科、胆道外科、血管外科等；在医疗器械方面，主要包括管道镜、药物释放器、触觉手套、微型外科手术钳、人工

脏器用微型泵等。本文将就以上方面分别予以介绍。

二、形状记忆合金按变形特征的分类

形状记忆合金按其加热变形特征可分为三类：（1）单程记忆合金。指合金在较低的温度下变形，加热后可恢复变形前的形状。这种只在加热过程中存在记忆效应的合金称为单程记忆合金。（2）双程记忆合金。指合金在加热时恢复高温相形状，冷却时又恢复低温相形状，称为双程记忆合金。（3）全程记忆合金。合金在加热时恢复高温相形状，冷却时变成形状相同而取向相反的低温相形状，称为全程记忆合金。图1为三类形状记忆合金的变形特征示意图。这种变形特征使Ti-Ni形状记忆合金在医学上的

图1三类形状记忆合金的变形特征示意图

应用成为现实[2]。

三、Ti-Ni形状记忆合金的生物相容性研究

形状记忆合金要应用于生物体内，不仅要有机械性能上的可靠性，还必须有化学、生物学、生化学的可靠性。我国在1970年代末开始对形状记忆合金进行基础研究。1979年，我国开始研究医用Ti-Ni形状记忆合金，1982年应用于临床，首先在口腔正畸和矫形外科得到应用。在对Ti-Ni形状记忆合金进行生物介质腐蚀试验、细胞附着实验等体外实验后，结果表明Ti-Ni-SMA的耐腐蚀性能优良，细胞附着生长良好。将Ti-Ni丝或板植入动物体内进行埋藏实验，两年期间其皮毛含镍量未见明显增加，试验周围组织被膜很薄，周围细胞无畸变。在对Ti-Ni气管内支架周围组织进行检查也未见明显炎症及异常细胞反应。研究表明，Ti-Ni合金的表面会形成TiO2可提高表面层稳定性，保护

基体材料免遭腐蚀，阻止镍被氧化，从而改变镍的氧化路径。此外，在模拟生理液中，Ti-Ni耐腐蚀性比316L不锈钢好。对使用Ti-Ni合金材料为牙齿正畸的病人血液中镍浓度5个月跟踪检测，发现病人血液中镍含量未见明显增加。综上所述，Ti-Ni形状记忆合金在人体内的生物相容性及耐腐蚀性是良好的。这为其在人体内应用提供了重要依据[3]。

四、Ti-Ni形状记忆合金在临床上的应用

1、口腔科

医用Ti-Ni形状记忆合金在口腔科的应用主要在于正畸丝，种植牙和卡环等。例如医用Ti-Ni形状记忆合金加压骑缝钉来治疗隐裂牙的研究。

四．1.1口腔正畸科

具有超弹性功能的形状记忆合金材料可在很大的应变范围内保持应力值基本不变。这种性能对口腔正畸来说是非常有用的。它能使作用在牙齿上的矫正力不随牙齿的移位而发生显著变化。目前中国在此方面研究领先世界，产品向欧美大量出口。

四．1.2口腔颌面外科

医用Ti-Ni形状记忆合金在此项应用共有两方面：一是像骨科那样用SMA加压骑缝钉和接骨板等来治疗颌骨骨折。二是用于制造种植牙。与用纯钛或者钛合金制造的种植牙相比，SMA种植牙植入方便，且它与牙槽骨之间自始至终有一定的压应力作用。这有利于骨组织的恢复，还能有效地防止种植牙松动。

四．1.3口腔修复科

由于形状记忆合金在低温下的弹性模量小、塑性好，因此SMA口腔修复用卡环不但取用方便，而且能应用在许多不便使用卡环的场合，如用于牙齿颈部或倾斜基牙的卡环。

四．1.4口腔内科

用SMA加压骑缝钉来治疗隐裂牙。首先在垂直于隐裂的方向制出两条钉槽，在钉

槽两端分别钻出四个一定大小的钉道，然后将特制的骑缝钉装入并加热使其恢复记忆形状，最后用光固化复合树脂将骑缝钉全部包埋。临床应用后总体效果良好。不过用此方法治疗隐裂牙需要在牙齿顶面上钻四个孔，开两条槽，对牙体组织损伤较大，不宜用于牙冠面积较小的前磨牙。

2、骨科

四．2.1加压骑缝钉

用该技术治疗骨折操作简单，使用方便，还可在骨折处产生一定的压应力。这不但有利于骨组织的恢复，而且能有效的减少应力遮挡效应。戴克戎等采用丝材设计的Ti-Ni-SMA骑缝钉，设计简单，几乎能满足所有关节内骨折的治疗要求。该钉呈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度。在植入患者体内前，把它放在4℃的冷水里，可将波浪形的压缩部拉直，夹角扩大成90度。把它的两条腿分别放在骨折线的两侧并加热后，就可对骨折处产生持续的压应力。该骑缝钉可用于治疗髌骨、踝尺骨鹰嘴和肱骨小头等关节部位骨折[4]。

四．2.2内固定器

对于承重或受力较大的长骨骨折，采用SMA制作的内固定器可在骨折处产生一种持续性的压应力，且不随骨折线的吸收而消失，可防止骨不连的发生。另外，SMA内固定器一般具有较好的稳定性和较高的强度。戴克戎等设计的锯齿臂环抱内固定器，动物实验与体外力学实验证实，它有良好的抗弯与抗扭作用，应力遮挡效应明显低于接骨板，临床应用于股骨、肱骨、桡骨、尺骨骨折治疗，效果满意[4]。

3、胸外科

用于治疗食管狭窄和气管狭窄的SMA丝较粗，不便做成相互交叉的网状结构，一般采用螺旋弹簧的形式。为了保证内支架牢固固定，一端或两端直径往往稍大一些。SMA内支架植入方便可靠，万一手术失败，取出也很方便。

五、Ti-Ni形状记忆合金的在医疗器械上的应用