生物记忆材料·镍钛合金·在骨科领域中的研究与进展

生物记忆材料·镍钛合金·在骨科领域中的研究与进展

第二军医大学长海医院骨科张春才

自1963年Buehler报道了镍钛(NiTi)合金具有形状记忆效应以来，对其本质和应用研究日趋深人。尤其在医学界，因其独特的力学行为与优良的组织相容性，倍受关注。

1 NiTi合金形状记忆效应的原理和特性

所谓"形状记忆效应"是指NiTi合金对它的金相几何形状有"记忆"本领，宏观而言，将一定形状的合金试样，低温塑形形变后，再将试样加热，试样又回复到它原来的形状，同时，产生巨大的回复力，例如横截面积为lcm²的合金棒，相变时产生850Okg的力。

记忆效应分三种:(1)单向记忆:低温金相受力变形，高温金相回到原状。C2)双向记忆:能记住高温与低温金相，随温度而发生顺、逆性变化。

(3)全程记忆:机理不甚明了，可能是金相中的一种内应力场起了主要作用。形状记忆效应的应变量依合金的种类而各有所异，约5-20%之间(一般金属小于0.5%),NiTi合金为8%。

形状记忆合金具有“热弹性马氏体型”相变。NiTi合金为例，高温奥氏体相为体心立方有序晶体结构CaCl型B2晶格，低温马氏体相(M)为单斜畸变结构Bl9晶格，从B→M，存在一个对双程记忆效应起着重要作用的R相变。

在B2=R，R=M和R2=M的顺、逆相变中，母和子相中相邻原子位置不变，只是界面上原子发生协作位移-晶体切变。这种切变不但对记忆效应和超弹性起了重要作用，而且也使其耐疲劳性能优于一般金属材料。

具有记忆效应的合金已发现20余种，实用化潜力大的有镍基、铜基及铁基形状记忆合金。NliTi合金为近等原子比的NiTi金属间化合物。国产的医用NiTi合金，Mi含量为50-53%。相变温度可依临床而行相应的工艺处理;同时亦适当改变它的弹性模量。

2 医用NiTi合金的基础研究

实验表明，NiTi合金具有强度高、比重低、耐疲劳、耐腐蚀、耐磨损、低磁性、无毒等优点。

体外非生理环境中，NiTi合金试样放于4.5-7.8米/秒的高速海水中，为期60天后，继而又在35米/秒的高速海水中做为期30天的空蚀试验，结果试样的磨损量微乎其微;而在100%屈服应力下于静止海水中作为期一

年的抗裂缝腐蚀试验-试样疲劳裂缝未见坑蚀。

体外模拟生理环境中，Williams将胎儿芽细胞，借助培养液分别与直径6.5mm、厚0.5mmNiTi、Ni、Ti、CoCr、316L试样接触，观察诸金属对细胞的毒性。结果，Ni有很强毒性，而NiTi则比Ti好。Patter等观察Ni、Ti和NiTi合金对人成纤维细胞有丝分裂，发现Ni有明显抑制作用，而NiTi合金与Ti则表现出优良的组织相容性。Assad等将NiTi，Ti，Co-Cr-M0，316L进行细胞毒性比较，结果排列顺序为NiTi≈Co-Cr-Mo>Ti≈316L。薛森等证实NiTi合金在人工唾液、汗液和Hanks生理溶液、氯化钠、盐酸和硫化钠溶液等七种介质中的抗腐蚀研究，等级评价均属一级。

体内研究，Castleman等用狗、鼠和猴进行实验，证实NiTi合金置入皮下或骨表面9周-6个月后无排异或炎症和NiTi受腐。病理学和电镜等观察，NiTi合金具有较高的生物相容性和较低的生物退变性。卢世璧等将NiTi合金片埋人兔肌肉中，观察一年，无不良反应。张春才等用研制的海螺状与螺旋球形记忆血管栓塞器对39根犬靶动脉进行栓塞研究，栓后4、6、8周及1年、2年的组织学观察，发现栓器间隙内有程度不等的机化血管，内皮细胞再生未受到NiTi合金的影响。

张春才等应用镍钛聚髌器(NT-PC)治疗髌骨骨折，于术后5个月取出NT-PC的同时，随机活组织检查11例，镜观:靠近NiTi金属表面的软组织为致密薄薄的胶原纤维结缔组织。Latal等将NiTi合金架放人10只德国牧羊犬的尿道中，对粘膜、肌肉和尿道周围组织做为期1、3、6、12、18个月的多种研究，结论为无异物反应，无腐蚀。Grenadier等观察犬冠状动脉内膜对NiTi镍钛合金圈的组织学反应，发现3与6个月比较，增生厚度随时间下降。

薛森将NiTi试样植人大白鼠后肢骨髓腔内，为期14-60天，血肿由肉芽组织逐渐成为纤维组织并环形包绕试样，其外有软骨性骨痂及新生骨小梁。第4、5、10个月时，NiTi合金组的组织修复过程比对照组316L、CFRC组完成早。电镜显示NiTi合金试样植人10个月后，表面仍光亮如初;而316L与植人前相比，表面出现腐蚀区。锅岛、大西等人在家兔胫骨上固定NiTi合金接骨板，植后2周，板与骨之间形成结缔组织被膜；4周时被膜变薄，产生新骨；6周类骨复盖，而对照的316L组则是结缔组织多，类骨少，316L表面有点状腐区。

许硕贵、苏佳灿等首次利用电测、光弹及三维有限元的综合分析，

将生物记忆力学，纳人临床前的基础研究。探索表明:以聚髌器、天鹅接骨器、三维髋臼内固定系统为代表的生物记忆力学，对骨块间，不但能有效维持其解剖形态、而且在骨断端碎块间形成了三维的记忆应力场，如天鹅记忆接骨器在骨断端三维空间六个应力，以正应力为主的记忆应力刺激，不仅保证了断端的稳定，而且为成骨提供了新的环境。严望军在SMC对犬股骨骨折愈合及超微结构的影响方面，发现成骨细胞的成熟早于非记忆性固定方式。

苏佳灿、张雪松、万岷等通过对30只家犬两侧股骨中段横型截骨，左侧以SMC、右侧以IN固定发现:发育成熟的血管内皮细胞，SMC组快于IN 组，证实了在记忆应力下，血管更早期向骨断端长入，为骨折愈合提供必要的营养成分。

综上所述:NiTi合金的组织相容性优良，加之所独有的特殊力学行为，实为目前难得的和唯一有"记性的"生物材料。

3 医用镍钛合金在骨科领域的应用

3·1脊柱方面

10年，赵定麟设计的NiTi人工颈椎椎间关节在减缓多节退行性变和简化术式方面有着积极的导向意义。同时，提供了宝贵经验。

Harrington棒和Luque棒是治疗脊柱侧凸的常用方法，就其术后的矫正力而言，术后2Omin就下降20%，l0-l5天则下降30%左右。Harrinton 棒随着脊椎侧凸曲度逐步变小，其支撑作用力也随着下降，而Luque棒水平作用力有限。所以1976年Schmerling用直径为6.3mm、回温点为43°C 的NiTi合金棒在人尸体上进行矫正试验，取得充分矫正力。1993年，Sanders等用回形产生的2OON及5OON回复力的6mm及9mmNiTi合金棒，治疗实验造成脊柱侧弯的山羊，获得成功。1986年卢世壁报告了一种自行设计的NiTi合金棒并临床应用32例，取得比较满意的疗效。预测形变的矫正力与脊柱侧弯之间，有着相当大的研究与发展空间。

1988年，张春才等为骶1、2肿瘤切除术后的骶骨重建所设计腰骶内固定器，临床应用3例，探索了初步经验。

3.2关节方面

髋关节:戴克戎等设计NiTi股骨头杯，它杯口收拢，不易因旋转发生内翻与脱落。赵文宽等用NiTi合金螺丝钉治疗163例新鲜股骨颈骨折，取得良好的疗效。