镍钛形状记忆合金植入物在骨科的应用*

李文娇 马春宝* 赵丙辉 王涛 金鑫

1 镍钛形状记忆合金植入物的原理

镍钛形状记忆合金（简称记忆合金）是具有形状记忆特性的合金，其主要成分为镍元素和钛元素，1962年诞生于美国海军器械试验室[1]。其优势在于这种材料可以在较低温度的状态下进行塑形，加工成所需形状，当产品加热到一定的温度后，便可恢复到加热前的形状。记忆合金在不同的温度下呈现出两种完全不同的晶体结构，即奥氏体和马氏体。奥氏体出现的条件是在转化温度之上，此时，合金的刚度较大，不易变形；与之相反，马氏体出现的条件是在转化温度之下，此时合金的刚度很小，非常柔软，可以塑形成任何形状[1]。目前，由记忆合金材料制造的植入物在骨科中应用十分广泛[2-4]，其较好的组织相容性及弹性，可适应各种临床需要。

2 记忆合金植入物在骨科中的应用现状

2.1 记忆合金环抱器的应用

记忆合金环抱器在多发性肋骨骨折的治疗中较为常用，在临床案例中，多条肋骨骨折的情况属于多发性肋骨骨折，这种胸部损伤较为严重，治疗方式较为复杂，在各种胸部创伤中的比例能达到10%～26%。李俊[5]在多发性肋骨骨折患者中选取62例作为研究对象，31例应用记忆合金环抱器内固定手术进行治疗的观察组与31例应用内固定手术以外的方法进行治疗的对照组的治疗总有效率分别为100%与74.19%（死亡8例），由此可见，观察组在治疗效果上具有一定的优势。张帆等[6]对创伤性连枷胸患者120例进行统计并观察，其中60例保守治疗，另外60例使用记忆合金环抱器进行内固定。治疗后发现，相对于保守治疗患者，使用记忆合金环抱器患者的各项指标恢复时间均较短，且明显地促进不正常心率的恢复，炎性因子也更快地恢复到正常水平。不仅如此，患者的运动能力也在稳定恢复中。由此可见，记忆合金环抱器具有优异的组织相容性，在胸部创伤治疗中较为实用。

另外，记忆合金环抱器在治疗掌跖骨干骨折方面也发挥了其优势。梅海龙等[7]对65例采用记忆合金环抱器治疗掌跖骨干骨折的患者进行分析，术后骨折全部愈合，未发现骨折、不愈合、延迟愈合、畸形愈合、出现炎症等。

2.2 记忆合金聚髌器的应用

髌骨骨折在临床骨折中数量较多，大多因暴力撞击导致，若得到及时有效的治疗则可在短时间内康复，但是短时间内若患者没有得到有效的救治，会造成膝关节的永久性损伤并且不可逆，对患者的生活造成极大的影响，甚至终身残疾。在临床上，形状记忆合金聚髌器治疗髌骨粉碎性骨折的效果非常好，能显著缩短患者恢复的时间，对膝关节功能的恢复也极为有益[8-10]。

黄诗浩和宋子华[11]对接受治疗的骨折患者进行分析，25例对照组患者手术中用张力带钢丝固定髌骨，25例观察组手术中用记忆合金聚髌器固定髌骨，结果显示观察组患者治疗效果明显比对照组患者优异。申晟等[8]对63例患者进行研究，这些患者均为髌骨横行骨折。29例聚髌器组患者手术中使用切开复位记忆合金聚髌器固定髌骨，另外34例常规组患者手术中使用切开复位张力带固定髌骨。两组患者相比，使用聚髌器进行内固定的患者不仅手术所用时间短，安全性高，术后膝关节恢复的时间也相对更短，恢复更快。

2.3 记忆合金脊柱棒的应用

在颈椎病的治疗上，镍钛人工颈椎关节的应用具有划时代的意义。记忆合金棒经过预弯，可以对病变的脊柱进行矫正，在临床上，矫正后可达到较好的效果。徐辉和王岩[1]通过多种方式，证实了记忆合金棒治疗脊柱侧凸的有效性。

记忆合金在脊柱外科的应用与传统的材料相比，在力学性能和耐磨性等方面具有更优良的特性。在力学性能方面，其抗拉、抗扭、抗冲击性能都优于其他材料；在耐磨性能方面也表现突出，能减少微粒进入人体对骨及软组织造成的损伤。对于传统骨科手术中困难系数较高的案例，都能提供较强、较有效的内固定，且利于降低骨质疏松率[12]。

2.4 其他

骨科植入物中用到记忆合金材料的产品除了文中提及的环抱器、聚髌器、脊柱棒以外，还有弓齿钉[13]、骸骨爪、腕舟骨内固定叉、腕关节融合器等。产品主要应用于肋骨、跖骨、髌骨等部位的骨折治疗及脊柱的矫形。大量研究证明[14]，记忆合金植入物的治疗效果要明显优于传统治疗方式。

3 记忆合金植入物的相变温度

由于镍—钛记忆合金的镍、钛含量测量的精确度不能达到保证形状记忆或超弹性的要求，必须使用热分析法或等效的弯曲—自由恢复法测量合金的相变温度。

影响相变温度的因素有很多，其中之一是退火温度[15-17]，且呈正相关关系，在一定的范围内，退火温度越高，相变温度也会相应升高。快速热退火时，合金析出相和晶粒尺寸的改变都会导致相变温度的改变[18-20]，由此可见，相变温度的改变与沉积温度和退火温度息息相关，有着密不可分的关系。相变温度的另外一个十分重要的影响因素是成分。

记忆合金具有形状记忆效应和超弹性[21]，选择何种使用性能要根据实际使用环境。若想在室温下具有超弹性，则需将Af点控制在22～25℃以下；若想在人体内具有超弹性，则需将Af点控制在37℃以下。一般植入产品相变温度低于37℃，进入人体后，会由于加热发生马氏体逆相变生成奥氏体，使产品具有超弹性。镍钛形状记忆合金的DSC曲线如图1所示。

图1 相变过程示例

马氏体—奥氏体逆相变终了温度如何变化取决于退火温度和退火时间的改变[22]。固溶温度的升高加上时间的增加会造成Mp的温度变化，表现为降低后又升高[23]。同样能影响相变温度的还有其冷却速率，Ms和Mf两个指标都随之降低而越来越小，对冷却速度的降低有助于M→A奥氏体相变温度的提升[24]。

4 关键指标对记忆合金植入物的影响

记忆合金生物相容性好[25-26]，并具有超弹性的特性，加上其低磁性、抗磨损、耐腐蚀、耐疲劳的特性，其使用率越来越高。在市场上应用的以二、三类医疗器械居多，大部分植入体内，并且属于长期植入物。因此，其关键指标显得十分重要。化学成分对金属材料的各种性能尤为重要，相变温度是决定产品发挥作用的关键要素，力学性能是产品性能的重中之重，任何一项不符合要求都将直接影响产品在体内的使用效果，比如引起固定器松动、固定器断裂或髌骨爪松脱等现象，造成骨不愈合或畸形愈合。

5 记忆合金植入物的发展方向

合金如果要呈现形状记忆功能，至少具有10种基本合金系。如果把所有的合金元素都考虑在内，则会有百种甚至更多。在市场上应用最为广泛，使用最频繁的有Ti基合金、Cu基合金及Fe基合金。记忆合金是目前形状记忆合金中研究最全面的材料，其记忆性能相对其他材料优势显著[27]。但由于Ni元素的存在，使得记忆合金的生物相容性受到一定影响，目前使用最多的是通过表面涂层的办法对记忆合金的表面进行改性，从而提高该材料的生物相容性。

孔祥确等[28]发现恒压直流阳极氧化法能使材料表面的镍元素含量明显降低。朱姿虹[29]研究了去合金化技术在表面改性方面的优势，其制备的无镍层表现出良好的生物活性。另外，注入离子法、电泳沉积法[30]、磷酸钙溶液浸泡、光电催化氧化法[31]、电抛光技术、微弧氧化[32]等方法在表面改性方面均获得了较好的效果。

表面改性也会改变其力学性能，主要表现为记忆合金的回复力，这也是记忆合金植入物性能的重要因素之一。汪爱媛等[33]在试验中使用钛铌涂层镍钛记忆合金棒和无涂层镍钛记忆合金棒做对比，试验结果表明，对于无涂层镍钛记忆合金棒来说，温度升高，回复力也随之升高；棒直径越大，回复力越大；预弯挠度越大，回复力越大。而在表面有涂层的镍钛合金棒中，6 mm和6.5 mm棒力学性能比之前有所下降，7 mm棒无明显的变化。Peng等[34]发现通过孔隙和Ti2Ni的协同作用可增强多孔镍钛形状记忆合金复合材料的内摩擦和比强度。

记忆合金材料弹性模量与人骨接近[35]，其制成的骨科植入物使用率也越来越高。记忆合金植入物植入人体后可能引发镍离子析出，具有毒性，通过表面改性[36]等方法抑制镍离子释放，提高记忆合金产品的生物相容性将是未来发展的重点。另外，随着医学技术的高速发展，记忆合金若能结合虚拟现实技术及人工智能技术，将在骨科得到更大程度的发展。