形状记忆合金在生物医学领域的应用

2023-11-06王慧刘丽霞康茹雪包头医学院第二附属医院内蒙古包头014000

中国医疗器械信息 2023年17期

王慧刘丽霞康茹雪包头医学院第二附属医院（内蒙古包头 014000）

内容提要：形状记忆合金作为一种智能金属材料，具有形状记忆特性、超弹性、出色的生物相容性和良好的耐腐蚀性，使得形状记忆合金被用于牙弓正畸、骨科治疗器械和重建受损血管支架等领域。形状记忆合金在生物医学领域拥有广阔的应用前景。

形状记忆合金（Shape Memory Alloymemory Alloy，SMA）作为一种智能材料，能够在外界因素（温度、电和磁等激励）的刺激下回复到原来的形状。SMA能够记住其原始形状的特性称为形状记忆效应（Shape Memory Effect，SME）。当温度升高到规定的阈值，SMA会产生从马氏体晶体结构到稳定的奥氏体晶体结构的相变，引起微观组织阵列的重新排列[1]。如图1所示。SMA作为一种特殊的新型功能材料，是一种集感知和驱动于一体的智能材料。由于其独特的功能，它可以生产出小巧精致、自动化程度高、性能可靠的元件而备受关注，目前，SMA已广泛应用于航空航天、生物医学、机械电子等领域[2]。

图1. 微观组织阵列重新排列（注：1a.SMA 晶体转变；1b.作为温度函数的奥氏体变化[1]）

迄今为止，SMA可以分为以下几类：Ni-Ti基合金、Cu基合金、Fe基合金、Co基合金、Ni-Mn基合金以及贵金属基合金等。其中Ni-Ti基、Cu基、Fe基合金是发展较为成熟的三种SMA体系。Ni-Ti基合金具有形状记忆和假弹性效应，在马氏体相中具有良好的加工性以及良好的耐腐蚀和抗疲劳性[3]。因此，现在大多数SMA器件都是用这些合金生产的。此外，良好的生物相容性以及出色的磁共振和计算机断层扫描兼容性为其在生物医学中的应用奠定基础[4,5]。目前，形状记忆合金被用于牙弓正畸、骨科治疗器械和重建受损血管支架等领域，在生物医学领域拥有广阔的应用前景。

1.口腔正畸

1962 年，Buehler等[6]发现镍钛中的SME之后提出了将这种材料用于牙科植入物。1971年，Andreasen[7]推出了第一个由Ni-Ti形状记忆合金制成的超弹性牙套，观察到Ni-TiSMA能够产生恒定且更轻的力，因此它们比传统的不锈钢丝更有效。1999年，Thompson[8]报道了Ni-Ti SMA的第一个医疗用途是在正畸领域。

Ni-Ti SMA线在颊腔温度下处于奥氏体相，多年来已成功用于多支架固定正畸治疗，特别是利用伪弹性产生恒力放入支架中，以进行牙齿正常运动。基于SMA的正畸应用，弓丝和腭扩张器也是利用其超弹性特性（图2a）。SMA材料的成功应用，是由于牙齿重新定位期间，骨重塑对牙齿施加恒定的力，诱导生理性牙齿运动而不损伤下层组织（即最佳牙齿运动方式）是通过施加小幅度且随连续的力来实现的。在插入阶段，医生使SMA丝变形，从而引发从奥氏体相到马氏体相的转变（图1）；一旦定位，SMA丝试图回到奥氏体相（在颊腔温度下稳定），因此SMA丝试图沿着奥氏体相中的力-位移曲线的下降路径恢复原始形状，其特点是宽平台（图1）。超弹性行为也被用于生产正畸牵引器，用于解决下颌区牙齿过度拥挤的问题，在下颌联合牵引成骨后，应用该装置以产生下颌骨的扩张[9]。在这种情况下，使用SMA丝可确保张力更接近生理值并且保持恒定。这些力会产生应力条件，从而改善组织生长，使牙齿移动到正确的位置。

图2. Ni-Ti SMA线用于多支架固定正畸治疗（注：2a.正畸腭扩张器；2b.SMA 套筒固位系统[11]）

尽管弓丝代表了正畸学中最著名的Ni-Ti SMA的应用，但其他设备对于简化和改进正畸临床实践同样有用。SMA还可以用于根管手术的牙钻[10]。Ni-Ti SMA在高应变条件下表现异常出色，它可以承受剧烈的弯曲并仍然适应高循环旋转，这种能力在牙钻中得到了利用，良好的抗疲劳性和高弹性还可防止根管手术过程中出现不良故障。另一种非常重要的正畸应用是用于安装桥架的固定器[11]。固定器通常为小型SMA元件，其两侧有缺口。随着温度的升高，缺口区域扩大，导致桥架永久固定。这些固定器也可用于防止松动的牙齿脱落。Smileloc医疗公司开发了一种快速解锁种植基牙修复体的Ni-Ti SMA套筒固位系统。SMA套筒的设计包括接合桥台的内臂和接合顶盖凹版表面的外臂。外臂紧密地将修复体固定在基牙上，基牙经过精密加工与形状记忆合金套筒结合，并连接到商用牙科植入物上（图2b）。SMA基牙系统治疗的临床效果良好，该系统已在美国（510（k）批准）和欧洲（CE标志）获得上市许可[12,13]。

2.骨科

SMA在临床上可以应用于各种外科领域，比如骨科手术。许多不同形状的外科Ni-Ti SMA固定器被研究和生产用于治疗骨折（图3a）。例如，拥抱固定器[14]。自上世纪90年代以来，SMA已被临床研究用于治疗股骨、肱骨、桡骨和尺骨的骨折。它由一个带有锯齿形臂的主体和一个配件组成，该配件在加热时会在大约2/3的圆周处包围骨头。2003年，超弹性SMA丝被作为髓内钉治疗人股骨转移性骨肿瘤病理性骨折。然而，在正常外伤性骨折的治疗中如果使用超弹性SMA丝作为髓内钉，即使骨愈合也无法拔出SMA钉，长期留在体内，会引起镍毒性的担忧。因此，Kawakita等[15]开发了一种圆柱SMA植入物作为骨折的内固定材料，它考虑了3个方面：①基于SMA形状记忆效应的简单使用方法；②骨愈合后的可去除性；③良好的固定性，具有潜在的临床应用价值。更具体地说，植入物被设计成类似于现有的Mennen板的形状，以使用弹性SMA爪在圆周上固定骨折的骨头（图3b）。

图3. SMA 应用于骨科治疗（注：3a.镍钛诺手术固定器[14]；3b.0.3mm 6 对交替爪SMA 板[15]）

在从Mf 到Af 的加热过程中，形状恢复受到约束时，SMA产生的应力被骨科钉或钢板用作骨折治疗。该装置（图1b）的特点是温度Af低于主体的温度，在马氏体相中变形（T≤Mf＜Af），因此插入存在断裂的主体中，体温诱导形状记忆效应。由于受约束的恢复，板会产生恒定的应力，从而将两个断裂的部分连接起来[16]。赵欣等[17]总结了SMA在骨科的应用。SMA能够很好地运用到骨科领域，例如髌骨、锁骨、腕骨、股骨头和脊柱的治疗中。记忆合金在室温下恢复记忆的原始形状，无需螺钉、螺母、钢丝等辅助材料即可自动抱住骨折，减少了手术步骤，降低了手术强度。与传统的骨科器械相比，Ni-Ti SMA具有比不锈钢更好的机械强度、冲击韧性和抗剪切性，抗扭，耐磨，能够提供更强、更可靠的内固定。刘吴瑕等[18]探讨了以Ni-Ti SMA弓齿钉微创手术的方法治疗髌骨横行骨折与传统克氏针张力带的方法治疗的临床效果的差异。结果得出，对于髌骨横形骨折，Ni-Ti SMA弓齿钉疗法组织损伤小、手术时间短、住院时间短、固定牢靠、美观性好，是一种可靠的微创疗法，优于克氏针张力带法。

3.血管支架

SMA的超弹性行为，符合人类骨骼和肌腱的应力应变行为，使其成为一种极好的材料，以应对支架手术带来的一些挑战。1983年，Dotter团队[19]制造了第一个SMA支架，之后，SMA支架得到显著发展，结构也从简单的盘条形式发展到复杂的激光切割结构。目前，在全球市场上近一半的支架产品是由SMA制造的，并将使用范围扩大到人体的其他部位[20,21]。不锈钢支架能使血管伸直，SMA支架更能适应血管弯曲和腔内轮廓。此外，SMA的超弹性滞后行为可以在正常生理过程中抵抗挤压（提供径向阻力），并在恢复过程中对血管施加小的向外力，这是支架应用的理想选择（图4）[22]。

图4. 激光切割镍钛合金管支架模型[22]

如今，由于微创手术治疗的需求，以导管为基础的手术越来越流行，因为这将进一步减少手术创伤。SMA的应用提高了主动导管的能力，使其弯曲角度更大，能够准确移动，从而实现新的诊断和治疗[23]。Tung等[24]提出的一种Ni-Ti SMA管材激光加工的SMA驱动器，能够制作有力量、能伸长和可以定制尺寸的SMA驱动器，这是普通直线或螺旋弹簧驱动器无法实现的，这为开发可导向导管的驱动器提供了另一种可行的选择。Shiraishi等[25]开发了一种人工心肌。使用具有平行连接结构的心肌辅助装置的纳米技术共价型SMA纤维，该装置能够支持心室外部的自然收缩功能，而无需血液接触表面。研究人员得出结论，他们的系统适用于劳累患者心中风，以及在挽救生命的紧急情况下进行心脏按摩，以从心室颤动中恢复。最近，他们开发了另一种使用SMA纤维进行Fontan循环的机械循环支持装置，以帮助先天性心脏病患者的肺循环（图5）[26]。Parizi等[27]研究了在主动脉瓣不同植入深度下，Ni-Ti SMA支架的卷曲和性能。采用有限元方法对Ni-Ti SMA自膨胀支架进行了设计和仿真。研究了Ni-Ti SMA支架在卷曲和展开过程中的超弹性行为和形状记忆效应。模拟结果表明，在一个心动周期内，随着植入深度的增加，所产生的径向力也随之增加。