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形状记忆材料在骨科的应用研究进展

【摘要】形状记忆材料是一种具有形状记忆效应的智能材料，能够在外刺激下

记忆并恢复其原始形状，制备方法包括合金记忆材料的热处理法和激光烧结法，

以及聚合物类和复合材料类形状记忆材料的热塑法。形状记忆材料在骨科领域，

如骨折治疗、骨组织工程修复、脊柱矫形及关节置换等方面展现出了巨大的应用

价值。形状记忆材料具有优良的生物力学性能，在骨折治疗中提供持续有效的压

力、支撑力以及抗扭转力，还具有降低骨折内固定应力遮挡的优势。因环境因素

变化对周围骨组织产生的持续应力作用为脊柱畸形矫正提供了持续的矫形力，在

关节置换方面提高了假体的耐久性。形状记忆材料具有良好的生物相容性和可诱

导细胞增殖的性能，可制作具有自拟合功能的组织工程支架，在精准填充骨缺损

部位时向自体骨施加机械力，刺激骨细胞的增殖与分化，引导骨再生，加速骨修

复。此外，形状记忆材料可被用于药物传递释放的载体，通过控制温度、应力等

环境因素控制药物的释放，实现药物的靶向治疗。形状记忆材料伴随着4D打印

技术的发展，在骨科个性化诊疗、个性化定制方面有广阔的应用前景。

【关键词】材料科学；矫形外科学；综述

形状记忆材料是一种智能材料，能够感知外刺激，具有记忆并可恢复其形

状的特点，即形状记忆效应(shapememoryeffect,SME)。SME是将材料在一

定条件下进行一定限度内的变形，再对材料施加适当的外条件，材料的变形随

之消失而恢复到变形前形状的现象。自20世纪60年代始，学者们先后在金属元

素、超导材料、高分子聚合物、陶瓷材料中发现了SMEo与传统材料相比，形状

记忆材料具有许多优点，如重量轻、成本低、可变形、玻璃化转变温度可调等。

这些优点使其在航空航天、增材制造、生物医学等多个领域广泛应用［1］。此

外，部分形状记忆材料具有生物相容性和生物降解性，可应用于临床。本文对近

年来形状记忆材料在骨科诊疗中的应用研究进行综述，以期为骨科诊疗的应用和

发展提供参考。

一、文献检索策略

以“形状记忆“4D打印〃“制备〃“骨科”为中文检索词在中国知网、

万方和中华医学期刊全文数据库进行检索；以“shapememory4Dprinting

“preparationOrthopaedics“bone为英文检索词在PubMed和Web

ofScience数据库检索。检索时间为各数据库建立至2023年12月。

文献纳入标准：（1）形状记忆材料在骨科中应用的相关研究；（2）形状记

忆材料原理的相关研究；（3）形状记忆材料的制备方法研究；（4）文献类型为

论著。文献排除标准：（1）内容重复的文献；（2）无法获取全文的文献；（3）

非中英文文献。根据上述纳入和排除标准，共检索文献287篇，使用No・teExp

ress排除重复文献，最终纳入文献75篇，其中中文文献40篇、英文文献35篇。

二、形状记忆材料的定义和原理

形状记忆材料是一种特殊的功能材料，具有记忆形状和可控弹性恢复的能力,

能够在经过预定的变形后通过外刺激（如温度、电场、磁场、光线等）回到其

原始形态［2-4］。这种记忆形状的变化是由于其内部晶体结构的相变所引起的。

主要原理是形状记忆材料受到温度和机械压力的改变而存在两种不同的晶体结

构状态［5］:奥氏体和马氏体。如镣钛记忆合金的低温相为马氏体，柔软且易

变形，镣钛合金的高温相为奥氏体，质地较硬。形状记忆材料在一定范围内发生

塑性变形后，经加热到某一温度即可恢复变形。冷却过程中，奥氏体会转变为马

氏体，马氏体在外应力作用下容易变形成某一特定形状；加热时，已发生形变的

马氏体会恢复到原来的奥氏体状态。这种引发材料相变的温度称为相变温度［6］,

是形状记忆材料实现记忆功能的关键。

除温度外，形状记忆材料的形状恢复还可以通过应力和电场的刺激来实现。

在应力刺激下，形状记忆材料会通过位错滑移和晶粒滑移等物理机制实现形状记

忆［7-8］；而在电场刺激下，材料通过电致变色效应和电致位移效应等电学机

制实现形状记忆［9］o通过深入研究和理解形状记忆材料的定义和原理能够更

好地利用其特性和优势，推广其在骨科诊疗领域的应用。

三、形状记忆材料的分类

根据其刺激响应的方式可以分为热刺激响应、电刺激响应、磁刺激响应、光

刺激响应及pH刺激响应等［3］o刺激响应方式的差异拓宽了形状记忆材料的应