Niti合金及其在血管支架中的应用

刘 磊，蒋 欣

(1.淮阴工学院 机械工程学院，江苏 淮安 223003;2.淮西社区卫生服务中心，江苏 淮安 223001)

0 引言

上个世纪三十年代，哈佛大学A.B.Greninger等人发现CuZn合金中的马氏体会随温度变化而发生形变，但当时在学术界并未引起重视；直到1963年，美国海军武器实验室Buehler等人发现等原子配比的镍钛合金具有形状记忆效应(Shape memory effect，SME)，由此在全球引发了研究记忆合金的热潮[1-2]。除了形状记忆效应，Niti合金还被发现具有超弹性、耐磨性、耐腐蚀性以及优良的生物相容性，可使其成为理想的生物医用材料。

1 镍钛合金的医用基础

生物医用材料作为植入异物需要具备良好的生物相容性与功能性。

生物相容性是指材料在植入生物环境后引起适当的宿主反应和材料反应的能力。宿主反应指材料对活体的作用，使活体产生炎症、致敏、细胞毒性、致癌等反应。材料反应即活体对材料的作用，包括引起材料的腐蚀、磨损、降解、性质退化。按照范畴的不同，生物相容性又可以分为血液相容性和组织相容性，用于心血管与血液接触的材料则需要考虑血液相容性。

生物功能性是材料激发宿主恰当地应答的能力，与材料的力学性能密切相关，主要指标是材料与宿主的弹性形变匹配度。

镍钛合金在机械力学性能、形状记忆效应、超弹性、抗腐蚀性以及血液相容性等方面表现出优良的生物相容性与功能性，是理想的人体植入材料。

1.1 物理性能

316L不锈钢是常用的医用植入材料，Niti合金与其相比：密度小、弹性模量低，与人体组织更为接近，具备高的顺应性、柔顺性与生物力学相容性；无磁性，方便核磁共振成像照影，植入人体后也不会受到外在磁场的影响。Niti合金与316L医用不锈钢的物理性能对照如表1所示。

表1 Niti合金与316L医用不锈钢性能对照表

1.2 形状记忆效应与超弹性

形状记忆效应是指一定形状的母相由Af温度以上经低温处理，冷却至Mf温度以下发生马氏体相变，受外力作用变形，后经加热至Af温度发生逆相变，材料恢复其在母相时的形状。实际上形状记忆效应是镍钛合金的一个由热诱发的相变过程。

超弹性(Super elasticity)是指试样在外载荷作用下产生远大于常规材料弹性极限的应变量，在卸除载荷后变形可以自动消除。通常的金属材料，弹性变形极限一般低于0.5%，变形量超过弹性极限会产生不可恢复的塑性变形；而镍钛合金的超弹性应变范围为0.5%～8%，在该范围内应力的大小基本保持恒定[1-2]。

镍钛合金血管支架正是利用了材料的形状记忆效应与超弹性。

1.3 抗腐蚀性

通过电解抛光或钝化，可在镍钛合金表层形成TiO2保护层，使材料具备优于316L不锈钢的耐腐蚀性，氧化层越均匀抗腐蚀性能越好。镍钛合金的自我修复能力优于316L不锈钢[3]。

1.4 生物血液相容性

众所周知，镍有致癌和促癌作用，而Niti合金含有约百分之五十的镍，不过Niti合金表面层的TiXOy和TixNiOy能抑制其释放[4-5]。Niti合金在体内软组织中的生物相容性实验[6-8]表明，镍钛合金对血管、肌肉、神经等都具有较好的相容性，与血液接触时也不会产生凝血、溶血等不良反应。

除上述的优良性能外，镍钛合金还具有高的抗疲劳性，是一种理想的生物功能材料，被广泛用于心血管科、口腔、胸外科、肝胆科等医学领域。

2 血管支架

2.1 起源

血管支架植入术是在球囊扩张成形术的基础上衍生而来，为了防止球囊撤销后血管发生弹性回缩以及考虑再塑性，因而在狭窄或闭塞的病变部位植入支架以形成长期支撑，保持血管血流通畅。

血管支架的起源可追溯至1964年由Dotter提出的经皮腔内血管成形术的概念[9]；1977年世界上第一例经皮穿刺冠状动脉成形术由GruntZig完成[10]；1987年Sigwart成功实施第一例冠状支架术[11-12]，血管支架在临床中得以应用，从此得到飞速的发展。

2.2 球囊扩张式与自膨胀式支架

支架的加工工艺经历了早期的编织支架，中期的平面光刻卷焊支架，以及现阶段广泛应用的三维激光雕刻支架三个阶段。从展开方式而言，血管支架分为球囊扩张式和自膨式两种。

球囊扩张式通过球囊充气加压使爬附于球囊上的支架产生塑性变形，球囊卸压后支架仍保持扩张状态。为避免球囊扩张式支架在展开后受到血管压缩而发生弹性回缩现象，支架材料应有较高的弹性模量和较低的屈服强度，常用材料有316L 医用不锈钢、钴铬合金等。

自膨式支架以镍钛合金为主。Niti合金管经激光雕刻成型，扩张并热处理定型，同时设定奥氏体相变温度Af(略低于人体体温)；在低温下发生马氏体相变，并压缩到输送鞘管内。支架植入人体后由体温加热，发生奥氏体相变恢复扩张状态，对血管壁形成持久支撑。

Niti合金相对于316L不锈钢、钴铬合金具有较低的弹性模量，因此自膨式支架相对于球囊扩张式支架具有更好的柔顺性，可顺利通过细小、迂曲的血管；同时，自膨支架具有偏置式变化刚度的特性，可有效避免支架的外推力撕破血管壁，同时在血管舒张过程中对血管壁自动构成动态支撑，若用于药物洗脱支架，则对药物治疗起到十分重要的作用。

3 镍钛支架的应用

颅内血管和颈动脉的解剖结构不同于外周血管、心脏冠脉血管，对支架性能的要求亦不同，主要体现在以下两个方面[13-16]：(1)颅内血管中膜平滑肌层和外膜较薄，血管常位于蛛网膜下腔内为脑脊液所环绕，血管脆性大，支架输送和置放时易于发生破裂。这一结构要求颅内支架柔顺性优于外周血管和冠脉血管支架。(2)颅内血管相对外周血管弯曲度大，特别是颈内动脉颅内段存在多个生理弯曲，是颅内血管内支架治疗的自然屏障。将支架放置于血管弯曲段，容易存在血管拉直、支架贴壁不良等现象，从而诱发血栓栓塞和支架内再狭窄。弯曲的生理结构要求颅内支架具有更高的柔顺性和贴壁性。

镍钛合金支架具有优异的超弹性，可以压缩放置在细小的鞘管内(无塑性变形)，输送到病变部位后恢复原形对血管壁构成支撑，具有轴向短缩率小、释放精准、支撑良好、贴壁性好、柔顺性高等优点。镍钛合金支架在治疗颅内疾病、颈动脉狭窄等方面体现出不可比拟的优势，其具体应用情况有三种。

3.1 颈动脉支架

用于治疗颈动脉血管狭窄，可有效预防脑中风的颈动脉支架是影响人类健康产业的十大重大医疗器械技术之一，目前临床使用的颈动脉支架如表2所示。

3.2 脑动脉瘤支架

配合弹簧圈用于治疗脑动脉瘤。首先将支架精准释放于脑动脉瘤的颈口，继而弹簧圈从网孔中脱落至瘤腔，支架对弹簧圈起支撑作用，有效防止弹簧圈脱落[17-18]。目前临床使用的脑动脉瘤支架有四种，如表3所示。

表2 临床使用的颈动脉支架

表3 临床使用的脑动脉瘤支架

3.3 脑动脉狭窄支架

美国Boston公司的Wingspan支架，结构与Neuroform支架类似，但径向支撑力大，支架具有柔顺性、贴壁性好的特点，能够适应颅内血管的各种特性，同时避免球囊扩张支架对血管壁的破坏，临床效果好。Wingspan自彭式颅内支架如图1所示，其植入模拟清况如图2所示。

图1 BOSTON公司Wingspan自彭式颅内支架

图2 Wingspan自彭式颅内支架植入模拟

除了美国Boston公司的Wingspan支架，国内也有同类产品在临床中应用，如上海微创公司的Apollo颅内支架，其结构沿圆柱纵向呈节段性重复，如图3所示。

图3 Apollo 颅内支架植入效果图

4 结语

Niti合金自膨式支架有效克服了球囊扩张式支架在治疗颈动脉狭窄、颅内血管疾病等方面存在的不足，并取得了令人瞩目的成绩。作为长期的植入体，镍钛合金支架在以下两个方面仍有提升的空间：(1)镍钛合金支架作为不可降解材料长期置于人体，其生物相容性和细胞毒性需要进一步的研究；(2)掌握Niti合金复杂的相变机理以及非线性超弹性力学特性，通过最佳的热处理定型工艺优化支架在体温下的力学性能，更为巧妙地设计出高生物力学相容性的血管支架是研发人员的重点任务。

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