镍钛形状记忆合金及其在小动物临床上的应用前景

李艳艳

（江苏农牧科技职业学院宠物科技学院，江苏 泰州 225300）

镍钛形状记忆合金及其在小动物临床上的应用前景

李艳艳

（江苏农牧科技职业学院宠物科技学院，江苏 泰州 225300）

形状记忆合金（Shape Memory Alloy，SMA）是指具有形状记忆效应的合金材料。具有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镍钛（TiNi）形状记忆合金。自1963年Buehler［1］报道了镍钛合金具有形状记忆效应以来，对其本质和应用研究日趋深入。尤其在医学界，其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，在临床各科和医疗器械等方面获得了广泛的应用［5］。本文就镍钛形状记忆合金及其在人医上的应用现状，以及在兽医临床上的应用前景作一综述，以期得到业内人士的重视。

1　镍钛记忆合金的概述

1.1形状记忆效应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形前形状的现象称为形状记忆效应［2，6］。具有这种效应的金属通常为合金，故称为形状记忆合金。形状记忆效应是在马氏体相变中发生的。通常把马氏体相变中的高温相叫做母相（P），低温相叫做马氏体相（M）。从母相到马氏体相的相变叫做马氏体正相变，或马氏体相变，从马氏体相到母相的相变叫做马氏体逆相变。形状记忆效应一般是在马氏体逆相变中产生的。马氏体逆相变的开始温度就是形状记忆合金的形状回复温度。医用镍钛形状记忆合金的形状回复温度一般为35℃～40℃。

1.2镍钛记忆合金的工作原理镍钦形状记忆合金通常呈现两种晶体结构，即母相（高温相）和马氏体相（低温相）。马氏体相是没有应力的相，在低温下稳定［7］。记忆合金的特征-双向温度变化可引起记忆合金形状的改变而不用施加任何载荷。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［3］。医用材料的相变温度一般为35℃～40℃，与镍钛元素在合金材料中的成分比例有关。它在0℃～4℃温度下可被变形，易于置入人或动物体内。由于镍钛形状记忆合金的弹性应变为8%，在形状恢复时可产生高达588 MPa的回复力，通过体温或物理加温，即可自动回复记忆的形状。

1.3镍钛记忆合金的特点镍钛形状记忆合金不仅具有优异的记忆效应和超弹性性能，良好的力学性能和高阻尼特性，而且还具有优良的生物相容性，出色的耐蚀耐磨性，高抗疲劳性，低的生物退行性变性，且弹性模量与人体骨头相近，因此被认为是医用材料学方面的重大发现，是一种难得的具有生物功能的金属材料［4］。

1.3.1独特的形状记忆性和超弹性在临床应用中，利用NiTi合金的形状记忆特性，控制合金的相变温度在体温附近（36℃）或略高于体温，使其在植入人体后自动或用生理盐水加热后恢复预定形状并固定在原位，操作简单，预后效果好。

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，它使得合金支架或合金丝具有良好的柔顺性，可以与柔软且复杂的人体内管道很好的贴合。

1.3.2良好的机械性能其强度是不锈钢的4倍，不会发生弯曲与断裂。

1.3.3高度的耐磨损性及耐腐蚀性化工介质中采用镍钛形状记忆合金制做接触滑动部位的机械密封材料，耐磨性能优于不锈钢等。

1.3.4良好的生物相容性及低的生物退行性变性

生物相容性是形状记忆合金能否用于人体的最重要因素。生物相容性良好的材料在生物体内不会引起过敏反应，不会释放任何离子到生物体的血液中去；在生物体长久存在而不会发生有害反应。

榆盘的水土特别适合洋芋的生长，榆盘的洋芋自然在武山乃至陇原大地声名显赫。每年洋芋销售旺季，武山川道地区各个村庄经常有各地的贩子冒充榆盘人销售榆盘洋芋。作为榆盘人，我有义务为已经注册的本土特产维护声誉。

2　镍钛记忆合金在人医临床上应用

2.1骨科

2.1.1加压骑缝钉用加压骑缝钉治疗骨折操作简单，使用方便，还可在骨折处产生一定的压应力。这不但有助于骨组织的恢复，而且能有效地减少应力遮挡效应。该钉子呈“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°。在植人体内前，将其放在4℃冷水里，可将波浪形的压缩部拉直，夹角扩大成90°。把它的两条腿分别放在骨折线的两侧并加热后，它能对骨折处产生持续的55～10 kg压缩力。该骑缝钉可用于治疗髌骨、踝部、尺骨鹰嘴和肱骨小头等关节部位骨折［7］。

2.1.2内固定器对于承重或受力较大的长骨骨折，采用形状记忆合金材料制作的内固定器可在骨折处产生一种持续性的压应力。这种压应力不会随骨折线的吸收而消失，可防止骨不连的发生。另外，SMA内固定器一般均具有较好的稳定性和较高的强度。如锯齿臂环抱内固定器，可用于全身各部位的长骨状骨折。该环抱器固定骨折的效果优于传统的骨科内固定器，如不锈钢钢板和髓内钉；对骨的血液供应破坏较小，且比髓内钉具有更好的抗扭转性能；在提供与不锈钢钢板几乎同等程度的抗弯和抗扭强度时，具有比不锈钢钢板小得多的应力遮挡效应。因此，该环抱器能更好地促进骨折愈合，并减少骨折愈合后骨质疏松的产生［7］。

2.1.3髓内钉镍钛形状记忆合金自锁式髓内钉，可用于骨折固定。与传统的不锈钢髓内钉相比较，SMA髓内钉插入方便，不需要髓腔铰孔能有效地防止骨折部的横向移位和弯曲变形。但其抗扭能力差，只能用于某些特定骨的骨折治疗中。

2.1.4接骨板传统的不锈钢接骨板在骨折部固定时要给予很大的对接力，操作麻烦，且会产生较严重的应力遮挡效应。使用SMA接骨板不但手术时不需要给予过大的对紧力，骨折处的应力遮挡率明显下降，同时还可免去因打孔造成的骨髓腔破坏。

2.1.5人工关节形状记忆合金在人工关节中的应用包括人工股骨头、人工髋臼和人工椎间关节等。采用SMA人工股骨头可较好地解决股骨头的松动问题，且不需要使用可能导致人体过敏的骨水泥。另外，镍钛形状记忆合金的耐磨性也比钛合金或钴铬钼合金好。

2.1.7接骨线用具有超弹性的SMA接骨线进行结扎可持久地保持稳定的结扎力，且结扎力不会随骨折线的吸收而消失。但使用SMA接骨线时，连接较困难，不能象传统金属线那样简单拧接，需使用专用的连接器。

2.2人体内管道支架主要用于食道、气管、胆道、尿道及血管等部位。

2.2.1胆道外科对于各种原因引起的胆道狭窄或梗阻，如无法进行手术切除则可用SMA胆道内支架来保持胆道的通畅。以前使用的SMA胆道内支撑呈螺旋弹簧状。为了保持一定的密度，其螺旋升角不能做得太大，因而低温时不能拉得太细。为了克服这一缺点，目前使用的SMA胆道内支撑均采用螺旋升角较大的网状结构。

2.2.2胸外科用SMA内支架治疗各种食管狭窄和气管狭窄，临床应用后效果良好。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SMA内支架在食管或气管内可靠地固定，内支架的一端或两端直径往往做得稍大一些。由于形状记忆合金在低温下的弹性模量小、塑性好，SMA内支架不但置入方便、可靠，而且万一手术失败取出也非常方便。

2.2.3血管外科镍钛形状记忆合金在血管外科的应用主要包括两个方面，一是对各种异常血管通道进行堵塞，二是在各种血管狭窄处或动脉瘤处形成血液流通通道。所谓动脉瘤实际上是指血管局部直径变大、壁厚变薄，长期发展下去可能会导致血管破裂，引起大出血。用SMA血管内支架来治疗动脉瘤的研究工作，即用SMA血管内支架来代替长有动脉瘤部分的血管［8］。NiTi合金制作的心血管支架具有低的外推力和高的径向压缩抗力。较小的外推力可以避免外推力过大而造成血管破裂。很高的径向抗力，可以在血管壁发生强烈的收缩或在压力迫使血管收缩时，起到有效的支撑作用。

2.3矫形外科如口腔科的正畸丝、种植牙和卡环等，颅面外科的牵张器，耳鼻喉科的镍钛丝制成的网状矫形鼻部支架和窥镜等。

2.4微创治疗器械如异物取出器械、介入放射学器械、微创外科器械等。

3　镍钛记忆合金在小动物临床上的应用前景

作为一种新型的功能性生物材料，其独特的形状记忆效应及良好的生物相容性，必将取代传统的不锈钢材料。关于镍钛形状记忆合金在兽医临床上的报道很少，在国内兽医临床上也较少应用。人医上开发的镍钛形状记忆合金器件多采用犬进行实验，这为兽医技术人员提供了宝贵的参考信息。

苏佳灿，张春才等采用以镍钛形状记忆合金制成适用于管状骨骨折的接骨器形似天鹅，又称天鹅接骨器（Swan-like Memory-pressure Connector，SMC），临床用于治疗各类长骨干骨折和骨不连，取得了很好的疗效。他们对25只杂种雄性成年家犬，实施两侧股骨中段横形截骨，左侧以SMC、右侧以加压接骨板（compression plate，CP）固定，术后2、4、8周行X线摄片、光镜、电镜观察。结果SMC组骨折部位血管长入时间明显提前，血管数量较丰富，发育程度优于CP组，8周时SMC组即可见完整血管内壁，内皮细胞发育成熟。实验表明，SMC治疗长管状骨骨折较CP更早期向骨断端长入血管，为骨折愈合提供必要的营养成分，有利于骨折愈合，缩短了骨折愈合时间，而且内固定操作简便，是一种值得推广的新型内固定［9］。

马承宣等［10］采用镍钛合金V形支架植入犬发育异常的髋臼上方，利用其在低温条件下塑变状态向高温原定形态这一记忆特征，使V形支架两臂张开，它的回弹力可驱动和支撑臼上方截骨瓣并向下方移位。实验结果显示，在V形支架植入12周后实验动物的髋臼深度、直径、髋臼指数均较术前有明显改善，组织切片显示髋臼软骨、Y形软骨增生活跃，软骨下有多量新生骨小梁。记忆金属V形支架植入后除了其机械性支撑作用恢复了髋臼上方的弧形结构外，由于其在动物体内保持V形两臂持续撑开状态，使髋臼软骨复合体承受来自V形支架的回弹应力，因而它也有促进髋关节发育的作用。

刘长建等［11］采用钛镍记忆合金支架覆盖一层硅胶类薄膜制成血管腔内支架人造血管，通过介入置放导管将其置于犬腹主动脉瘤模型处。20只动物模型犬置入支架人造血管，观察2周～16个月，其中16只支架人造血管通畅，2只移位血栓形成，2只感染闭塞。4周后支架人造血管内腔被一层完整的内皮样细胞覆盖，动脉瘤两端动脉壁无受压坏死现象，动脉瘤腔内可见血栓形成。这种支架人造血管具有良好的柔韧性和生物相容性，并可通过简易介入导管置放，且价格便宜，有非常良好的临床应用前景。

此外，镍钛形状记忆合金制成的气管支架在犬猫的气管塌陷及气管萎缩的治疗中的作用也不可忽视，目前，这类支架已广泛用于国内外的人医临床中，其治疗效果得到了广泛的认可。

4　结语

由于镍钛合金具有明显的形状记忆效应，从而引起国内外许多学者的关注和兴趣。对镍钛合金记忆效应的本质和应用的研究也日趋增加，尤其在医学界，对形状记忆合金的医学基础和临床应用研究作了大量工作。

镍钛合金所具有的特殊性能，使它具有广泛的用途。较低的弹性模量适合用做骨科的修复和替代材料，非线性的超弹性可以在外科矫形过程中提供恒定且平稳的矫正力，良好的生物相容性使它在介入医疗领域得到广泛应用，独特的形状记忆效应适合用来做智能元件。

随着兽医领域的不断发展和壮大，新技术和新方法不断涌现，兽医技术人员的水平不断提高，对兽用材料和兽用设备的要求也必将越来越高。镍钛形状记忆合金在兽医临床的应用，必将引起一次新的“革命”。

［1］Buehler W J.Effect of low-temprature phase changes on the moohaniol properties alloys noar composition NiTi［J］.Appl Phys，1963，34（9）：1475-1481.

［2］Shabalovskaya S A.On the nature of the biocompatibility and on medical applications of N iTi shape memory and superelastic alloys［J］.Biomed Mater Eng，1996，6（4）：267-289.

［3］Montero-O campo C，Lopez H，Salinas R，et al.Effect of compressive straining on corrosion resistance of a shape memory Ni-Ti alloy in Ringer's solution［J］.Biomed Mater Res，1996，32（4）：583-591.

［4］Kang Q L，Zhang C C，Gao T C，et al.Swan-shaped bone fixation device made of Ni-Ti shape memory alloy for treating humeral fracture inrabbits［J］.Diyi Junyi Daxue Xuebao，2003，23（7）：728-730.

［5］张春才，邱长友，王晓雄，等.形状记忆合金在外科领域中的应用专题座谈会纪要［J］.中华外科杂志，1993，31（5）：275-277.

［6］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，2007，11（22）：4376-4379.

［7］郑海，朱振安.镍钦形状记忆合金特性及骨科应用［J］.国际骨科学杂志，2006，27（4）：226-229.

［8］王野平，赵立群，顾云峰，等.医用形状记忆合金（SMA）［J］.中国医疗器械杂志，1999，23（3）：155-159.

［9］苏佳灿，张春才，严望君，等.镍钛形状记忆接骨器促进骨折愈合实验研究［J］.中国矫形外科杂志，2002，10（12）：1208-1210.

［10］马承宣，蔡刚，赫荣国，等.V形镍钛合金支架植入治疗犬髋臼发育不良的实验研究［J］.中华外科杂志，2000，38（9）：711-712.

［11］刘长建，乔彤，等.血管腔内支架人造血管的实验研究［J］.江苏医药杂志，2002，28（1）：18-19.

R 318.08

A

0529-6005（2016）09-0063-03

2015-09-28

李艳艳（1979-），女，讲师，硕士，从事小动物临床诊疗工作，E-mail：liyanyan229@sina.com