镍钛合金在医疗领域应用研究进展

黄亦成，宓蓉

上海交通大学医学院附属新华医院(上海，200092)

镍钛合金在医疗领域应用研究进展

黄亦成，宓蓉

上海交通大学医学院附属新华医院(上海，200092)

该文综述了镍钛合金的生物特性，形状记忆效应(SME)的发生过程。由于其优良的生物性能，各种类型的产品被广泛应用于口腔科、骨科、五官科以及微创介入手术中。

镍钛合金;形状记忆效应;生物医学材料

1 镍钛合金的特性

1.1 形状记忆效应

物体在某一温度下受外力变形，去除外力后仍保持变形后的形状，但在较高温度时能自动恢复变形前的原有形状，这就是形状记忆效应。NiTi合金的形状记忆效应和热弹性马氏体相变相关(见图1)。过程表现为:仅当冷却到马氏体相与母相化学自由能平衡温度To以下适当的温度Ms(马氏体转变开始温度)时，在相交驱动力的作用下，相变才能开始。当在马氏体状态时(低温状态)，NiTi合金较易变形，温度达到马氏体开始消失温度(As)之上时，NiTi合金开始恢复初始形状，当温度达马氏体完全消失温度(Af)后，NiTi合金完全恢复到原状，一些形状记忆合金经过一定训练后还能够得到双程形状记忆效应。［1］

图1 形状记忆效应示意图Fig.1 Scheme of shapememory effect

镍钛(NiTi)合金的物理性能见参考文献［1］，NiTi合金与不锈钢材料的力学性能比较见表1。

1.2 生物相容性

生物相容性可以简单地定义为材料被人体接受的能力。生物材料植入人体后，特定的生物组织环境对生物材料会产生影响和作用，同时生物材料对人体也会产生影响。两者的循环作用一直持续，直至达到平衡或者植入物被去除。因此，生物相容性是对植入材料进行生物学评价的重要指标，是生物医用材料研究领域需优先考虑的重要问题。

表1 NiTi合金与不锈钢的力学性能比较Tab.1 Mechanical properties of NiTialloy and stainless steel

1.3 超弹性

超弹性现象是指奥氏体状态下的试样在外力作用下产生远大于其弹性极限应变量的应变，在卸载时应变可自动恢复的现象［2］，如图2是形状记忆合金超弹性现象的典型应力应变图。

图2 超弹性的应力-变力曲线Fig.2 Stress-strain curve of superelasticity

形变在奥氏体状态(Austenite)(较高温度＞Af)下进行，当应力撤除时，材料恢复至原来形状，超弹性应变范制一般＜8%，从0.5%～8%的应变范围内，应力基本保持恒定［3］。通过超弹性装置施加的力是由温度来决定，由于体温是基本恒定的，人们可以设计出施加恒定应力在宽范围的形状的装置。在介入医疗领域有超过80%的产品利用的是NiTi合金的超弹性。

1.4 耐磨损性

NiTi合金具有良好的耐磨损性，由于合金具有较大的弹性应变值，足以抵消磨损时的挤压应变，因而在分离时材料可以完全恢复原来的形状和尺寸，在关节置换术中大大减少了材料的摩擦磨损。许多实验表明，NiTi合金材料是关节置换中十分理想的医用材料。

1.5 抗腐蚀性

NiTi合金具有良好的抗腐蚀特性，对NiTi合金进行若干腐蚀实验，其中包括模拟人体液、人造胃液等实验(见表2)。结果表明，NiTi合金具有极强的耐腐蚀性［4］，因为其表面氧化后形成TiO2氧化膜，增加了表面层的稳定性，保护材料免受腐蚀;对氧化镍起到物理和化学屏障和改变镍氧化途径，均能提高NiTi合金的抗腐蚀性。

表2 NiTi合金在模拟人体液中耐蚀性能Tab.2 Corrosion resistance of NiTi alloy in simulated body fluid

2 镍钛合金在医疗领域的应用

2.1 骨科

骨组织是人体最坚硬的组织之一，因此对骨组织修复、替换材料的要求不同于其他组织。NiTi合金对骨组织的血供破坏较小，并且具有更良好的抗扭转性能，不仅如此，NiTi合金在提供与不锈钢钢板几乎同等程度的抗弯和抗扭强度时，具有远小于不锈钢钢板的应力遮挡效应。所以在骨科领域中广泛应用，以下列举4种具体应用。

波形弯脚骑缝钉:利用钛镍合金的记忆特性研制出来的，简便易行，临床资料表明，使用波形弯脚骑缝钉，外固定时间平均比原来缩短30%左右［5］。

脊柱矫形棒:可利用人体体温使脊柱矫形棒始终保持相对恒定的矫形力［5］。

加压接骨板:将加压接骨板置于室温下前，需要先对其伸缩距离进行记忆处理，然后使之延伸后固定于骨折处的侧面，再利用人体体温加温，使其收缩，对骨折部位的端面进行加压固定。该方法特点是手术简单，治疗效果良好。

骨填充物:利用其形状记忆特性、超弹性和优良的阻尼特性，材料密度与骨密度一致，能够抑制免疫反应和全身或局部不良反应。

2.2 矫形外科与五官科

在矫形方面:NiTi合金与不锈钢丝制作的矫正器相比较，具有缩短疗程、减少复诊和对牙周组织无任何不良影响的优点。不锈钢等其它常规设备需要由牙科医生调整，通常都会引起疼痛，随着治疗的继续，会阻碍矫正进行。通过矫正收紧再回收的过程中，只有一个狭窄的最佳治疗期。相反，NiTi合金丝能移位，在一个非常广泛的治疗时间和固定的牙齿位置，施加一个恒定的力，将减少复诊和减轻疼痛。NiTi合金，不但有着独特的形状记忆本领和超弹性效应，而且具有无磁、耐磨耐疲劳，特别是无毒、耐人体介质腐蚀、有较好的生物相容性和较低的生物退变性等优良性能，在众多口腔种植材料中NiTi合金将成为最有发展前景的材料之一。

在五官科应用方面:NiTi合金支架为耳鼻咽喉管腔狭窄的治疗提供了新的选择，已广泛地应用于五官科的各个领域，包括各种良恶性喉管、气管、支气管狭窄等。镍钛合金支架在预防和治疗中耳粘连、全喉切除气管造口狭窄、外耳道闭锁等方面，均取得了良好的效果［6］。

2.3 微创介入手术

微创介入医学从上世纪90年代开始蓬勃发展，已经成为目前临床治疗中最为安全有效的方法之一。镍钛合金作为一种特殊性能的形状记忆材料，具备一般金属和复合材料不具备的性能，已经在微创介入器械中得到越来越广泛的应用。

镍钛合金在微创介入治疗的应用主要分为三个领域:心脑血管、外周血管和非血管治疗，每个部位所用到的支架及植入器械均有所不同，如图3所示。

心血管支架:其作用是对各种血管狭窄处形成血液流通通道，支架在心血管系统中最常作为球囊血管成形术中的一个球囊放在病变血管中，形状设置到打开配置，使其膨胀靠在血管壁上并重新打开堵塞管腔(称为狭窄)［7］。

图3 镍钛合金在微创介入治疗的应用Fig.3 App lication of Ni Ti alloy in m inimally invasive interventional therapy

封堵器:采用镍钛记忆合金导线的聚氨酯薄膜，以修复心脏的壁缺损，主要治疗先天性房缺、室缺、先天性动脉导管未闭等。

静脉滤器:该装置的作用是从下腔静脉过滤较大栓塞血块，设备本身被预先加载到导管，在马氏体状态下，通过导管冲洗冷盐水保持过滤器的马氏体相，而定位到需要展开的部位。当从导管释放的冷盐水停止冲洗时，该装置被周围血液加温，并恢复到它的预设形状。静脉滤器主要应用于血栓的防治，收集静脉中形成的血栓。

非血管编织支架:主要治疗各种腔道内狭窄等(食道、气道、胆道等)病变，产品采用镍钛合金丝编织而成。

外周血管支架:主要治疗外周血管狭窄，产品采用激光切割NiTi管材制成。

远端保护器:主要用于支架介入手术，在病变远端血管收集斑块，防止远端血管栓塞，配合外周血管的支架介人治疗。产品采用NiTi丝材编织或者激光切割NiTi管材制成骨架，定型成规定尺寸的伞状，然后覆上高分子薄膜，打上微孔，固定在导丝上。

2.4 人工器官和组织

主要用于器官或组织破损或毁坏，例如人工心肌、NiTi合金条带作为韧带替代物。

人工耳蜗植入作为比较复杂的医疗植入物，是聋哑人内耳损害的常见治疗措施。电极更精确的定位可以提高频率选择性和刺激传导的有效性。为了解决这一问题，电极在其插入过程中的形变程度必须是可控的［8］。这种能力可以通过整合一个NiTi记忆合金电极的微制动器元件来实现。

表3 NiTi合金在医疗领域的应用Tab.3 Application of NiTi alloy in medical field

人工心脏通过控制形状记忆合金弹簧的温度变化，使弹簧收缩与伸展来带动推板往复运动，达到输送血液的目的，它为全植入型人工心脏的发展增加了一个新的驱动源。

3 结语

NiTi合金所具有的特殊性能，使它具有广泛的用途。研究人员对其各种物理性能，化学性能和生物相容性进行了广泛而深人的研究，近年来镍钛合金材料在医疗领域中扮演着越来越重要的角色，详见表3。但NiTi合金在实际生产加工中有易氧化等缺点，如何通过合金化、热处理和表面改进等改善其性能成为今后的主要研究方向。

［1］王蕴贤，张小农，孙康.NiTi合金的生物医用性能及其子医学领域的应用［J］稀有金属，2006，30(3):385-389.

［2］杨大智，吴明雄.Ni-Ti形状记忆合金在生物医学领域的应用［M］.北京:北京冶金工业出版社，2003.

［3］Fu YQ，Huang WM，Du HJ，et al.Characterization of TiNi shape-memory alloy thin films for MEMS applications［J］.Surf Coat Tech，2001，107.

［4］华英杰，王崇太.NiTi形状记忆合金在医疗领域中的应用［J］.海南师范学院学报，2004，17(1):39-43.

［5］Kapanen A，RyhanenJ，Danilov A，et al.Effect of nickel -titanium shape memory metal alloy on bone formation［J］.Biomaterials，2001，22(2):2475-2480.

［6］唐海红，张速勤，李兆基.镍钛合金支架在耳鼻咽喉腔道中应用的研究进展［J］.现代诊断与治疗，2008.19(5): 282-284.

［7］Kasirajan K，Schneider，PAkent KC.Filter devices for cerebral protection during carotidangioplasty and stenting［J］.J Endova vascular Therapy，2003，410:1039-1045.

［8］Barrabés M，Sevilla P，Planell JA，etal.Mechanical properties of nickel-titanium foams for reconstructive orthopaedics［J］.Mater Sci Eng，2007，28(1):23-27.

Research Progress of Nitinol Alloy in App lication of M edical Field

HUANG Yicheng，MIRong
Xinhua Hospital Affiliated to Shanghai Jiao Tong University School of Medicine(Shanghai，200092)

This paper reviews the biological characteristics of Nitinol alloy，and the occurrence of shape memory effect(SME).Because of its excellentbiological properties，various types of nitinol alloy products are widely used in dentistry，orthopedics，ENT，and minimally invasive surgery.

Nitinol alloy，shapememory effect，biomedicalmaterials

R318.08

A

1674-1242(2015)03-0169-04

10.3969/j.issn.1674-1242.2015.02.010

2015-03-30)

黄亦成，E-mail:cheng192015@163.com