生物记忆材料镍钛合金在骨科领域中的研究与进展.doc

生物记忆材料·镍钛合金·在骨科领域中的研究与进展 第二军医大学长海医院骨科 张春才 自1963年Buehler报道了镍钛(NiTi)合金具有形状记忆效应以来，对其本质和应用研究日趋深人。尤其在医学界，因其独特的力学行为与优良的组织相容性，倍受关注。 1 NiTi合金形状记忆效应的原理和特性 所谓形状记忆效应是指NiTi合金对它的金相几何形状有记忆本领，宏观而言，将一定形状的合金试样，低温塑形形变后，再将试样加热，试样又回复到它原来的形状，同时，产生巨大的回复力，例如横截面积为lcm2的合金棒，相变时产生850Okg的力。 记忆效应分三种:(1)单向记忆:低温金相受力变形，高温金相回到原状。C2)双向记忆:能记住高温与低温金相，随温度而发生顺、逆性变化。(3)全程记忆:机理不甚明了，可能是金相中的一种内应力场起了主要作用。形状记忆效应的应变量依合金的种类而各有所异，约5-20%之间(一般金属小于0.5%),NiTi合金为8%。 形状记忆合金具有“热弹性马氏体型”相变。NiTi合金为例，高温奥氏体相为体心立方有序晶体结构CaCl型B2晶格，低温马氏体相(M)为单斜畸变结构Bl9晶格，从B→M，存在一个对双程记忆效应起着重要作用的R相变。 在B2=R，R=M和R2=M的顺、逆相变中，母和子相中相邻原子位置不变，只是界面上原子发生协作位移-晶体切变。这种切变不但对记忆效应和超弹性起了重要作用，而且也使其耐疲劳性能优于一般金属材料。 具有记忆效应的合金已发现20余种，实用化潜力大的有镍基、铜基及铁基形状记忆合金。NliTi合金为近等原子比的NiTi金属间化合物。国产的医用NiTi合金，Mi含量为50-53%。相变温度可依临床而行相应的工艺处理;同时亦适当改变它的弹性模量。 2 医用NiTi合金的基础研究 实验表明，NiTi合金具有强度高、比重低、耐疲劳、耐腐蚀、耐磨损、低磁性、无毒等优点。 体外非生理环境中，NiTi合金试样放于4.5-7.8米/秒的高速海水中，为期60天后，继而又在35米/秒的高速海水中做为期30天的空蚀试验，结果试样的磨损量微乎其微;而在100%屈服应力下于静止海水中作为期一年的抗裂缝腐蚀试验-试样疲劳裂缝未见坑蚀。 体外模拟生理环境中，Williams将胎儿芽细胞，借助培养液分别与直径6.5mm、厚0.5mmNiTi、Ni、Ti、CoCr、316L试样接触，观察诸金属对细胞的毒性。结果，Ni有很强毒性，而NiTi则比Ti好。Patter等观察Ni、Ti和NiTi合金对人成纤维细胞有丝分裂，发现Ni有明显抑制作用，而NiTi合金与Ti则表现出优良的组织相容性。Assad等将NiTi，Ti，Co-Cr-M0，316L进行细胞毒性比较，结果排列顺序为NiTi≈Co-Cr-MoTi≈316L。薛森等证实NiTi合金在人工唾液、汗液和Hanks生理溶液、氯化钠、盐酸和硫化钠溶液等七种介质中的抗腐蚀研究，等级评价均属一级。 体内研究，Castleman等用狗、鼠和猴进行实验，证实NiTi合金置入皮下或骨表面9周-6个月后无排异或炎症和NiTi受腐。病理学和电镜等观察，NiTi合金具有较高的生物相容性和较低的生物退变性。卢世璧等将NiTi合金片埋人兔肌肉中，观察一年，无不良反应。张春才等用研制的海螺状与螺旋球形记忆血管栓塞器对39根犬靶动脉进行栓塞研究，栓后4、6、8周及1年、2年的组织学观察，发现栓器间隙内有程度不等的机化血管，内皮细胞再生未受到NiTi合金的影响。 张春才等应用镍钛聚髌器(NT-PC)治疗髌骨骨折，于术后5个月取出NT-PC的同时，随机活组织检查11例，镜观:靠近NiTi金属表面的软组织为致密薄薄的胶原纤维结缔组织。Latal等将NiTi合金架放人10只德国牧羊犬的尿道中，对粘膜、肌肉和尿道周围组织做为期1、3、6、12、18个月的多种研究，结论为无异物反应，无腐蚀。Grenadier等观察犬冠状动脉内膜对NiTi镍钛合金圈的组织学反应，发现3与6个月比较，增生厚度随时间下降。 薛森将NiTi试样植人大白鼠后肢骨髓腔内，为期14-60天，血肿由肉芽组织逐渐成为纤维组织并环形包绕试样，其外有软骨性骨痂及新生骨小梁。第4、5、10个月时，NiTi合金组的组织修复过程比对照组316L、CFRC组完成早。电镜显示NiTi合金试样植人10个月后，表面仍光亮如初;而316L与植人前相比，表面出现腐蚀区。锅岛、大西等人在家兔胫骨上固定NiTi合金接骨板，植后2周，板与骨之间形成结缔组织被膜；4周时被膜变薄，产生新骨；6周类骨复盖，而对照的316L组则是结缔组织多，类骨少，316L表面有点状腐区。 许硕贵、苏佳灿等首次利用电测、光弹及三维有限元的综合分析，将生物记忆力学，纳人临床前的基础研究。探索表明:以聚髌器、