镍钛形状记忆合金材料的生物相容性研究进展.doc

镍钛形状记忆合金材料的生物相容性研究进展 摘要：镍钛形状记忆合金作为重要的生物医用材料已经获得了广泛的应用，但镍离子在人体环境中的释放引起了人们的忧虑。本文结合有关镍钛形状记忆合金材料生物相容性方面的研究论文, 阐述了镍钛形状记忆合金的概念、工作原理、物化性能、生物相容性、医学应用以及发展趋势等。 关键词：The niti shape memory alloy biocompatibility Surface modification 1引言 生物医用材料（biomedical material）是用于对生物体进行诊断、治疗、修复或替换其病损组织、器官或增进其功能的新型高技术材料。它是研究人工器官和医疗器械的基础，己成为材料学科的重要分支，尤其是随着生物技术的莲勃发展和重大突破，生物材己成为各国科学家竞相进行研究和开发的热点。当代生物材料已处于实现重大突破的边缘，不远的将来，科学家有可能借助于生物材料设计和制造整个人体器官，生物医用材料和制品产业将发展成为本世纪世界经济的一个支柱产业. 由生物分子构成生物材料，再由生物材料构成生物部件。生物体内各种材料和部件有各自的生物功能。它们是“活”的，也是被整体生物控制的。生物材料中有的是结构材料，包括骨、牙等硬组织材料和肌肉、腱、皮肤等软组织；还有许多功能材料所构成的功能部件，如眼球晶状体是由晶状体蛋白包在上皮细胞组成的薄膜内而形成的无散射、无吸收、可连续变焦的广角透镜。在生物体内生长有不同功能的材料和部件，材料科学的发展方向之一是模拟这些生物材料制造人工材料。它们可以做生物部件的人工代替物，也可以在非医学领域中使用。前者如人工瓣膜、人工关节等；后者则有模拟生物黏合剂、模拟酶、模拟生物膜等50％镍的镍钛合金而言，作为长期植入物，其镍的溶出会对机体产生一定的毒性。近年来随着镍钛形状记忆合金应用的扩大，镍钛形状记忆合金镍离子析出引发的安全性问题已经引起很多学者的关注，目前解决镍离子析出的方法主要是表面改性和表面涂层。 2.镍钛形状记忆合金的概念和工作原理 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性变形前形状的现象称为形状记忆效应[4]。具有这种效应的金属通常是由2种或2种以上的金属元素构成的合金故称为形状记忆合金。 当特定合金处于一种高温状态时，母相为奥氏体二维正方晶格，而处于某种低温时母相自然转变为马氏体，呈现出菱形晶格，即当奥氏体从Mo点(马氏体转变起始点)开始冷却直至Mf点(马氏体转变终止点)全部完成(图1)。处在马氏体状态的合金可以承受一定程度即6％左右的记忆性变形，而这种变形在加热到Ao点(奥氏体转变起始点)开始恢复原来的晶格，从而引起形状记忆，直至Af点(奥氏体转变终止点)全部恢复原状。 除温度外，还有靠外力诱发的记忆效应,即当有外力作用时，记忆合金在Mo点以上的温度即可生成应力诱发马氏体，这种马氏体在应力解除时又会自动发生逆转变，从而引发机械记忆效应，使其恢复原状。这种形状记忆效应按形状恢复形式可分为三种类型(图2)。 ①单向记忆效应：在低温马氏体状态下受力变形，加热时恢复高温相形状，冷却时不恢复低温相形状。 ②双向记忆效应：加热时恢复高温相形状，冷却时恢复低温相形状，即通过温度升降，自发、可逆地反复恢复高低温相形状。 ③全程记忆效应：加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的现象。 (1)镍钛合金镍钛合金是一种合金它的伸缩率在20%以上，疲劳寿命达107次，阻尼特性比普通的弹簧高10倍，其耐腐蚀性优于目前最好的医用不锈钢镍钛合金镍钛合金是由镍和钛组成二元合金，由于受到温度和机械压力的改变而存在两种不同的晶体结构相，即奥氏体相和马氏体相。 镍钛合金冷却时的相变顺序为母相奥氏体相--R相-马氏体相。奥氏体是温度较高的时候，或者去载荷时的状态，立方体，坚硬形状比较稳定而马氏体相是温度相对较低或者加载时的状态，六边形，具有延展性，反复性，不太稳定，较易变形。 3.镍钛合金 生物医用金属材料作为异物植入人体内，首先要考察其基本物理性能。例如：选择植人材料时要考虑其密度和弹性模量是否与周围组织相近，是否有磁性。镍钛形状记亿合金密度比较小，与骨组织相近，比较适合于硬组织修复；其弹性模量只是普通不锈钢的1/4，与人骨较为接近，可极大降低应力遮挡作用，避免骨质疏松；镍钛合金无磁性，可进行核磁共振成像造影，同时植入人体后不会受外来磁场的影响。另外，镍钛形状记忆合金还可以制成多孔材料，多孔镍钛合金密度小，更适合于实现与骨路的力学兼容性，在外科修复中已得到广泛应用。 (2)镍钛形状记忆合金的生物相容性[5-7] 生物相容性是指材料与生物体之间相互作用后产生的各种