1、 鎳鈦形狀記憶合金植入物的原理

鎳鈦形狀記憶合金（簡稱記憶合金）是具有形狀記憶特性的合金，其主要成分為鎳元素和鈦元素，1962 年誕生于美國海軍器械試驗室[1]。其優(yōu)勢在于這種材料可以在較低溫度的狀態(tài)下進(jìn)行塑形，加工成所需形狀，當(dāng)產(chǎn)品加熱到一定的溫度后，便可恢復(fù)到加熱前的形狀。記憶合金在不同的溫度下呈現(xiàn)出兩種完全不同的晶體結(jié)構(gòu)，即奧氏體和馬氏體。奧氏體出現(xiàn)的條件是在轉(zhuǎn)化溫度之上，此時，合金的剛度較大，不易變形；與之相反，馬氏體出現(xiàn)的條件是在轉(zhuǎn)化溫度之下，此時合金的剛度很小，非常柔軟，可以塑形成任何形狀 [1]。目前，由記憶合金材料制造的植入物在骨科中應(yīng)用十分廣泛[2-4]，其較好的組織相容性及彈性，可適應(yīng)各種臨床需要。

2、 記憶合金植入物在骨科中的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 記憶合金環(huán)抱器的應(yīng)用

記憶合金環(huán)抱器在多發(fā)性肋骨骨折的治療中較為常用，在臨床案例中，多條肋骨骨折的情況屬于多發(fā)性肋骨骨折，這種胸部損傷較為嚴(yán)重，治療方式較為復(fù)雜，在各種胸部創(chuàng)傷中的比例能達(dá)到 10% ～ 26%。李俊[5] 在多發(fā)性肋骨骨折患者中選取 62 例作為研究對象，31 例應(yīng)用記憶合金環(huán)抱器內(nèi)固定手術(shù)進(jìn)行治療的觀察組與 31 例應(yīng)用內(nèi)固定手術(shù)以外的方法進(jìn)行治療的對照組的治療總有效率分別為 100%與74.19%（死亡 8 例），由此可見，觀察組在治療效果上具有一定的優(yōu)勢。張帆等[6] 對創(chuàng)傷性連枷胸患者 120 例進(jìn)行統(tǒng)計并觀察，其中 60 例保守治療，另外 60 例使用記憶合金環(huán)抱器進(jìn)行內(nèi)固定。治療后發(fā)現(xiàn)，相對于保守治療患者，使用記憶合金環(huán)抱器患者的各項指標(biāo)恢復(fù)時間均較短，且明顯地促進(jìn)不正常心率的恢復(fù)，炎性因子也更快地恢復(fù)到正常水平。不僅如此，患者的運動能力也在穩(wěn)定恢復(fù)中。由此可見，記憶合金環(huán)抱器具有優(yōu)異的組織相容性，在胸部創(chuàng)傷治療中較為實用。

另外，記憶合金環(huán)抱器在治療掌跖骨干骨折方面也發(fā)揮了其優(yōu)勢。梅海龍等[7] 對 65 例采用記憶合金環(huán)抱器治療掌跖骨干骨折的患者進(jìn)行分析，術(shù)后骨折全部愈合，未發(fā)現(xiàn)骨折、不愈合、延遲愈合、畸形愈合、出現(xiàn)炎癥等。

2.2 記憶合金聚髕器的應(yīng)用

髕骨骨折在臨床骨折中數(shù)量較多，大多因暴力撞擊導(dǎo)致，若得到及時有效的治療則可在短時間內(nèi)康復(fù)，但是短時間內(nèi)若患者沒有得到有效的救治，會造成膝關(guān)節(jié)的永久性損傷并且不可逆，對患者的生活造成極大的影響，甚至終身殘疾。在臨床上，形狀記憶合金聚髕器治療髕骨粉碎性骨折的效果非常好，能顯著縮短患者恢復(fù)的時間，對膝關(guān)節(jié)功能的恢復(fù)也極為有益[8-10]。

黃詩浩和宋子華[11] 對接受治療的骨折患者進(jìn)行分析，25 例對照組患者手術(shù)中用張力帶鋼絲固定髕骨，25 例觀察組手術(shù)中用記憶合金聚髕器固定髕骨，結(jié)果顯示觀察組患者治療效果明顯比對照組患者優(yōu)異。申晟等[8] 對 63 例患者進(jìn)行研究，這些患者均為髕骨橫行骨折。29 例聚髕器組患者手術(shù)中使用切開復(fù)位記憶合金聚髕器固定髕骨，另外 34 例常規(guī)組患者手術(shù)中使用切開復(fù)位張力帶固定髕骨。兩組患者相比，使用聚髕器進(jìn)行內(nèi)固定的患者不僅手術(shù)所用時間短，安全性高，術(shù)后膝關(guān)節(jié)恢復(fù)的時間也相對更短，恢復(fù)更快。

2.3 記憶合金脊柱棒的應(yīng)用

在頸椎病的治療上，鎳鈦人工頸椎關(guān)節(jié)的應(yīng)用具有劃時代的意義。記憶合金棒經(jīng)過預(yù)彎，可以對病變的脊柱進(jìn)行矯正，在臨床上，矯正后可達(dá)到較好的效果。徐輝和王巖[1]通過多種方式，證實了記憶合金棒治療脊柱側(cè)凸的有效性。

記憶合金在脊柱外科的應(yīng)用與傳統(tǒng)的材料相比，在力學(xué)性能和耐磨性等方面具有更優(yōu)良的特性。在力學(xué)性能方面，其抗拉、抗扭、抗沖擊性能都優(yōu)于其他材料；在耐磨性能方面也表現(xiàn)突出，能減少微粒進(jìn)入人體對骨及軟組織造成的損傷。對于傳統(tǒng)骨科手術(shù)中困難系數(shù)較高的案例，都能提供較強(qiáng)、較有效的內(nèi)固定，且利于降低骨質(zhì)疏松率[12]。

2.4 其他

骨科植入物中用到記憶合金材料的產(chǎn)品除了文中提及的環(huán)抱器、聚髕器、脊柱棒以外，還有弓齒釘[13]、骸骨爪、腕舟骨內(nèi)固定叉、腕關(guān)節(jié)融合器等。產(chǎn)品主要應(yīng)用于肋骨、跖骨、髕骨等部位的骨折治療及脊柱的矯形。大量研究證明[14]，記憶合金植入物的治療效果要明顯優(yōu)于傳統(tǒng)治療方式。

3 、記憶合金植入物的相變溫度

由于鎳—鈦記憶合金的鎳、鈦含量測量的精確度不能達(dá)到保證形狀記憶或超彈性的要求，必須使用熱分析法或等效的彎曲—自由恢復(fù)法測量合金的相變溫度。

影響相變溫度的因素有很多，其中之一是退火溫度[15-17]，且呈正相關(guān)關(guān)系，在一定的范圍內(nèi)，退火溫度越高，相變溫度也會相應(yīng)升高。快速熱退火時，合金析出相和晶粒尺寸的改變都會導(dǎo)致相變溫度的改變[18-20]，由此可見，相變溫度的改變與沉積溫度和退火溫度息息相關(guān)，有著密不可分的關(guān)系。相變溫度的另外一個十分重要的影響因素是成分。

記憶合金具有形狀記憶效應(yīng)和超彈性[21]，選擇何種使用性能要根據(jù)實際使用環(huán)境。若想在室溫下具有超彈性，則需將 Af 點控制在 22 ～ 25℃以下；若想在人體內(nèi)具有超彈性，則需將 Af 點控制在 37℃以下。一般植入產(chǎn)品相變溫度低于 37℃，進(jìn)入人體后，會由于加熱發(fā)生馬氏體逆相變生成奧氏體，使產(chǎn)品具有超彈性。鎳鈦形狀記憶合金的 DSC曲線如圖 1 所示。

馬氏體—奧氏體逆相變終了溫度如何變化取決于退火溫度和退火時間的改變[22]。固溶溫度的升高加上時間的增加會造成 Mp 的溫度變化，表現(xiàn)為降低后又升高[23]。同樣能影響相變溫度的還有其冷卻速率，Ms 和 Mf 兩個指標(biāo)都隨之降低而越來越小，對冷卻速度的降低有助于 M→A 奧氏體相變溫度的提升[24]。

4、 關(guān)鍵指標(biāo)對記憶合金植入物的影響

記憶合金生物相容性好[25-26]，并具有超彈性的特性，加上其低磁性、抗磨損、耐腐蝕、耐疲勞的特性，其使用率越來越高。在市場上應(yīng)用的以二、三類醫(yī)療器械居多，大部分植入體內(nèi)，并且屬于長期植入物。因此，其關(guān)鍵指標(biāo)顯得十分重要。化學(xué)成分對金屬材料的各種性能尤為重要，相變溫度是決定產(chǎn)品發(fā)揮作用的關(guān)鍵要素，力學(xué)性能是產(chǎn)品性能的重中之重，任何一項不符合要求都將直接影響產(chǎn)品在體內(nèi)的使用效果，比如引起固定器松動、固定器斷裂或髕骨爪松脫等現(xiàn)象，造成骨不愈合或畸形愈合。

5、 記憶合金植入物的發(fā)展方向

合金如果要呈現(xiàn)形狀記憶功能，至少具有 10 種基本合金系。如果把所有的合金元素都考慮在內(nèi)，則會有百種甚至更多。在市場上應(yīng)用最為廣泛，使用最頻繁的有 Ti 基合金、Cu 基合金及 Fe 基合金。記憶合金是目前形狀記憶合金中研究最全面的材料，其記憶性能相對其他材料優(yōu)勢顯著[27]。但由于 Ni 元素的存在，使得記憶合金的生物相容性受到一定影響，目前使用最多的是通過表面涂層的辦法對記憶合金的表面進(jìn)行改性，從而提高該材料的生物相容性。

孔祥確等[28] 發(fā)現(xiàn)恒壓直流陽極氧化法能使材料表面的鎳元素含量明顯降低。朱姿虹[29] 研究了去合金化技術(shù)在表面改性方面的優(yōu)勢，其制備的無鎳層表現(xiàn)出良好的生物活性。另外，注入離子法、電泳沉積法[30]、磷酸鈣溶液浸泡、光電催化氧化法[31]、電拋光技術(shù)、微弧氧化[32] 等方法在表面改性方面均獲得了較好的效果。

表面改性也會改變其力學(xué)性能，主要表現(xiàn)為記憶合金的回復(fù)力，這也是記憶合金植入物性能的重要因素之一。汪愛媛等[33] 在試驗中使用鈦鈮涂層鎳鈦記憶合金棒和無涂層鎳鈦記憶合金棒做對比，試驗結(jié)果表明，對于無涂層鎳鈦記憶合金棒來說，溫度升高，回復(fù)力也隨之升高；棒直徑越大，回復(fù)力越大；預(yù)彎撓度越大，回復(fù)力越大。而在表面有涂層的鎳鈦合金棒中，6 mm 和 6.5 mm 棒力學(xué)性能比之前有所下降，7 mm 棒無明顯的變化。Peng 等[34] 發(fā)現(xiàn)通過孔隙和Ti2Ni 的協(xié)同作用可增強(qiáng)多孔鎳鈦形狀記憶合金復(fù)合材料的 內(nèi)摩擦和比強(qiáng)度。

記憶合金材料彈性模量與人骨接近[35]，其制成的骨科植入物使用率也越來越高。記憶合金植入物植入人體后可能引發(fā)鎳離子析出，具有毒性，通過表面改性[36] 等方法抑制鎳離子釋放，提高記憶合金產(chǎn)品的生物相容性將是未來發(fā)展的重點。另外，隨著醫(yī)學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，記憶合金若能結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)及人工智能技術(shù)，將在骨科得到更大程度的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]徐輝, 王巖. 鎳鈦記憶合金棒用于脊柱畸形的研究進(jìn)展[J]. 脊柱外科雜志,2014, 12(2): 120-122.

[2]原野, 曾躍林, 陳鋮, 等. 鎳鈦形狀記憶合金在骨科中的研究和應(yīng)用[J]. 臨床檢驗雜志, 2018, 7(3): 555-556.

[3]蔡興博, 丁晶, 徐永清. 鎳鈦記憶合金在骨科臨床中的應(yīng)用[J]. 國際骨科學(xué)雜志, 2017, 38(6): 364-367.

[4]王勇平, 陳根元, 劉小榮. 鎳鈦形狀記憶合金材料在骨科應(yīng)用的研究進(jìn)展[J]. 生物骨科材料與臨床研究, 2010, 7(2): 34-35.

[5]李俊. 分析鎳鈦記憶合金環(huán)抱器治療多發(fā)性肋骨骨折的臨床療效[J]. 中國衛(wèi)生產(chǎn)業(yè), 2014, 6: 110-112.

[6]張帆, 張濰, 孫黨澤, 等. 鎳鈦記憶合金治療創(chuàng)傷性連枷胸的臨床效果及對骨形態(tài)發(fā)生蛋白和炎性因子水平的影響[J].中國醫(yī)藥,2020,15(9):1428-1431.

[7]梅海龍, 王軍海, 王志烈, 等. 鎳鈦記憶合金環(huán)抱器治療掌跖骨干骨折的臨床觀察[J]. 生物骨科材料與臨床研究, 2015, 12(1): 45-50.

[8]申晟, 代朋乙, 袁延浩. 改良張力帶內(nèi)固定與鎳鈦聚髕器內(nèi)固定治療髕骨橫形骨折的比較研究[J]. 中醫(yī)正骨, 2018, 30(4): 28-31.

[9]杜東鵬, 邢娟, 姜文雄, 等. 抗剪切力鎳鈦記憶合金髕骨爪的設(shè)計與臨床應(yīng)用[J]. 生物骨科材料與臨床研究, 2014, 11(5): 74-76.

[10] 杜東鵬, 吳哲, 邢娟, 等. 抗剪切力鎳鈦記憶合金髕骨爪力學(xué)性能的有限元分析[J]. 醫(yī)用生物力學(xué), 2015, 30(1): 50-55.

[11] 黃詩浩, 宋子華. 鎳鈦記憶合金聚髕器在髕骨粉碎性骨折治療中的應(yīng)用[J]. 包頭醫(yī)學(xué)院學(xué)報, 2015, 31(5): 36-37.

[12] 余洋, 李新志, 鄭之和. 鎳鈦形狀記憶合金材料在骨科的應(yīng)用[J]. 中國組織工程研究與臨床康復(fù), 2010, 14(47): 8840-8842.

[13] 劉吳瑕, 施洪, 汪洋, 等. 鎳鈦記憶合金弓齒釘與克氏針張力帶治療橫形髕骨骨折的效果比較[J]. 中國臨床保健雜志, 2019, 22(5): 653-656.

[14] 齊曉軍.鎳鈦記憶合金材料在骨科中的應(yīng)用[J].中外醫(yī)療,2012,28:190-192.

[15] Yang HL, Chen J, Wu YQ, et, al. The transformation characteristics oftheNiTi-V composite with dual-scale bcc-Vfibers [J].Intermetallics, 2020, 116: 106650.

[16] 袁志山, 馬嘉麗, 馮昭偉, 等. 溫度循環(huán)對鎳鈦形狀記憶合金超彈性和相變行為的影響[J]. 熱加工工藝, 2018, 47(20): 202-205.

[17] Yang HL, Chen J, Li YH, et al.Effectofcoldworkonmartensitic transformationof Ni38Ti37V25 alloy reinforced by V nanowires [J]. J Alloy Compd, 2020,815: 152489.

[18] 馬春寶, 徐紅, 陳軍, 等. 采用視覺系統(tǒng)和彎曲-自由恢復(fù)法測試形狀記憶合金的相變溫度[J]. 中國藥事, 2020, 34(12):1445-1452.

[19] Mohammed A, Sehitoglu H. Modeling the interface structure of type IItwin boundary in B19 NiTi from an atomistic and topological standpoint[J].Acta Mater, 2020, 183: 93-109.

[20] Paul PP, Kabirifar P, Sun QP, et al. Structure-microstructure interactions incompression deformation of NiTi shape memory alloy micropillars[J]. Mater Lett, 2019, 257: 126693.

[21] Tong YX, Liu JT, Chen F, et al. Effect of aging on martensitic transformation and superelasticity of TiNiCr shape memory alloy[J]. T NonferrMetal Soc, 2014, 24: 2598-2605.

[22] 周劍杰, 馬鳳倉, 劉平, 等. 熱處理對鎳鈦合金絲材超彈性和相變的影響[J]. 材料熱處理學(xué)報, 2017, 38 (12): 114-120.

[23] 石世威, 袁志山, 王永輝, 等. 熱處理對鎳鈦合金組織和相變特性的影響[J]. 材料熱處理學(xué)報, 2017, 38(2): 48-54.

[24] 張艷秋, 江樹勇, 趙亞楠, 等. 冷卻速度對 Ti-50.9%Ni 形狀記憶合金相變行為和組織的影響[J].中國有色金屬學(xué)報(英文版),2012,22(11):2685-2690.

[25] 白繼岳, 徐永清, 何曉清, 等. 鎳鈦形狀記憶合金生物相容性及其表面改性研究進(jìn)展[J]. 中國修復(fù)重建外科雜志, 2018, 32(8): 1091-1095.

[26] 王成健, 孟增東, 張玉勤, 等. 鎳鈦形狀記憶合金的生物相容性研究進(jìn)展[J]. 生物骨科材料與臨床研究, 2016, 13(1): 65-68.

[27] 尹玉霞, 王魯寧, 郝樹斌. 醫(yī)用鎳鈦記憶合金在微創(chuàng)介入領(lǐng)域的應(yīng)用[J].中國醫(yī)療設(shè)備, 2019, 34(6): 153-156.

[28] 孔祥確, 金學(xué)軍, 劉劍楠. 醫(yī)用鎳鈦合金的陽極氧化表面改性研究[J]. 功能材料, 2016, 47(1): 1007-1011.

[29] 朱姿虹. NiTi 合金表面無鎳層及生物改性層制備與表征[D]. 鎮(zhèn)江: 江蘇大學(xué), 2016.

[30] Dudek K, Goryczka T. Electrophoretic deposition and characterization ofthin hydroxyapatite coatings formed on the surface of NiTi shape memory alloy[J]. Ceram Int, 2016, 42(16): 19124-19132.

[31] Chu CL, Guo C, Sheng XB, et al. Microstructure, nickel suppression andmechanical characteristics of electropolished and photoelectrocatalytically oxidized biomedical nickel titanium shape memory alloy[J]. Acta Biomater,2009, 5(6): 2238-2245.

[32] Xu JL, Zhong ZC, Yu DZ, et al. Effect of micro-arc oxidation surfacemodification on the properties of the NiTi shape memory alloy[J]. Mater SciMater Med, 2012, 23(12): 2839-2846.

[33] 汪愛媛, 彭江, 張睨, 等. 表面改性 TiNi 記憶合金棒的回復(fù)力學(xué)實驗研究[J]. 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志, 2006, 23(4): 774-777.

[34] Peng WL, Liu K, Shah BA, et al. Enhanced internal friction and specificstrength of porous TiNi shape memory alloy composite by the synergisticeffect of pore and Ti2Ni[J]. J Alloy Compd, 2020, 816: 152578.

[35] Leitner T, Sabirov I, Pippan R, et al. The effect of severe grain refinementon the damage tolerance of a superelastic NiTi shape memory alloy[J]. JMech Behav Biomed Mater, 2017, 71: 337-348.

[36] 崔躍, 張寶祥, 馬連彩, 等. 鎳鈦合金在醫(yī)療器械領(lǐng)域應(yīng)用和表面改性研究進(jìn)展[J] 材料導(dǎo)報, 2017, 31(S2): 197-200.

[作者簡介] 李文嬌（1988-）女，碩士，中級工程師。研究方向：外科植入物。

*[通信作者] 馬春寶（1981-）男，碩士，副高級工程師。研究方向：外科植入物。

本文引用格式：

李文嬌, 馬春寶, 趙丙輝, 等. 鎳鈦形狀記憶合金植入物在骨科的應(yīng)用[J]. 生物骨科材料與臨床研究, 2022, 19(1): 89-91.