简介概要

NiTi合金的生物医用性能及其在医学领域的应用

来源期刊：稀有金属2006年第3期

论文作者：张小农孙康王蕴贤

关键词：NiTi合金; 生物医用; 形状记忆; 超弹性; 生物相容性;

摘要：介绍NiTi合金作为医用材料的主要性能特点:良好的形状记忆效应最大可恢复应变达9%～10%,独特的超弹性使NiTi合金制成的医疗器件如NiTi丝等具有良好的柔顺性;较低的弹性模量弥补了传统医用金属材料作为骨植入物时容易出现应力遮挡现象从而造成骨质疏松的缺点;除此以外,NiTi合金还具有良好的抗疲劳、耐磨损和耐腐蚀性能;讨论了NiTi合金的血液相容性和Ni2+离子毒性问题.总结了NiTi合金在医学领域的应用现状以及在新兴医学领域的发展,最后给出了一些NiTi医用性能改良的途径.

稀有金属 2006,(03),385-389 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2006.03.027

NiTi合金的生物医用性能及其在医学领域的应用

张小农孙康

上海交通大学材料科学与工程学院生物材料研究组上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室,上海交通大学材料科学与工程学院生物材料研究组上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室,上海交通大学材料科学与工程学院生物材料研究组上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室上海200030,上海200030,上海200030

摘要：

介绍NiTi合金作为医用材料的主要性能特点:良好的形状记忆效应最大可恢复应变达9%¹0%, 独特的超弹性使NiTi合金制成的医疗器件如NiTi丝等具有良好的柔顺性;较低的弹性模量弥补了传统医用金属材料作为骨植入物时容易出现应力遮挡现象从而造成骨质疏松的缺点;除此以外, NiTi合金还具有良好的抗疲劳、耐磨损和耐腐蚀性能;讨论了NiTi合金的血液相容性和Ni2+离子毒性问题。总结了NiTi合金在医学领域的应用现状以及在新兴医学领域的发展, 最后给出了一些NiTi医用性能改良的途径。

关键词：

NiTi合金;生物医用;形状记忆;超弹性;生物相容性;

中图分类号： R318.08

收稿日期：2005-02-24

基金：2004年上海市纳米基金资助项目 (0452nm061);

Biomedical Performances of NiTi Alloy and Its Biomedical Applications

Abstract：

The main properties of NiTi alloy as a biomaterial were introduced.Primarily, as a shape memory alloy nitinol has a recoverable strain up to 9%～10%.Because of its unique superelasticity, nitinol is very flexible when made into wires and other medical devices.The low elastic modulus of NiTi prevents the possibility of osteoporosis, which is the main deficiency of conventional biomedical metal implants as substitute or therapeutic instruments for bones.Moreover, nitinol also exhibits excellent performances in resistance to fatigue, wear and corrosion.In addition, hemocompatibility and the toxicity of Ni²⁺ ion were also discussed.The current biomedical applications of this material and their developments in some advanced areas were reported subsequently.Finally, some possible methods for the improvement of the properties and performances of nitinol were proposed.

Keyword：

NiTi alloy;biomedical;shape memory;superelasticity;biocompatibility;

Received： 2005-02-24

早在20世纪30年代, 人们在实验中发现了CuZn合金在加热与冷却过程中, 马氏体会出现收缩与长大的现象 ^[1] , 这就是合金的形状记忆效应最基本的特征。在近十几年中, NiTi合金以其特有的形状记忆效应和超弹性以及良好的生物相容性、耐腐蚀性等特性成为了医用生物材料的一个生力军。本文总结NiTi合金的生物医用性能及其目前在医学中的主要应用方向。

1 NiTi合金与医学应用有关的性能

生物医用材料包括天然生物材料、生物陶瓷材料、生物高分子材料和生物金属材料, 针对不同的性能特点, 需要适当选择应用。它们的主要性能特点是: 天然生物材料: 生物相容性和生物活性较好, 与生物体本身性能相互匹配, 但取材有限。生物陶瓷材料: 有一定的生物相容性, 硬而脆, 具有很高的弹性模量, 在骨科应用中机械性能的不足使其很难胜任一些承重骨的修复或替代的需要。生物高分子材料: 生物相容性和生物活性较好, 机械性能低是主要的缺陷, 大大限制了高分子材料在生物医学领域的应用。医用金属材料: 相比之下生物活性较差, 强度、硬度等综合机械性能优秀。

NiTi合金和传统医用金属材料 (如不锈钢) 相比, 它具有独特的形状记忆效应和超弹性, 同时较低的弹性模量是其不可比拟的优势, 弥补了大多数金属材料柔顺性和力学相容性方面的不足, 使得NiTi合金在医用领域的应用得以快速发展。此外, NiTi合金作为形状记忆合金: (1) 形状记忆效应和超弹性最理想且最稳定; (2) 具有相对良好的生物相容性; (3) 马氏体相变温度可以控制在-10～100 ℃之间, 在医用上常常将其控制在体温附近或略高于体温。

1.1 形状记忆效应

形状记忆效应的定义为对某些具有热弹性马氏体相变的合金材料, 在马氏体状态下进行一定限度的变形, 随后进行加热, 使马氏体发生逆相变直至马氏体完全消失, 同时材料的形变完全恢复, 如图1所示。一些形状记忆合金经过一定训练后还能够得到双程形状记忆效应。

图1 形状记忆效应示意图

Fig.1 Scheme of shape memory effect

近等原子比的NiTi合金的形状记忆可恢复形变最大可达9%～10%。多晶的单程记忆效应的可恢复应变达8%; 双程记忆效应可恢复应变为2%, 并存在温度滞后。当应变小于1%时, 双程记忆循环次数可达几百万次 ^[2] 。

在临床应用中, 利用NiTi合金的形状记忆特性, 控制合金的相变温度在体温附近 (36 ℃) 或略高于体温, 使其在植入人体后自动或用生理盐水加热后恢复预定形状并固定在原位, 大大减少手术复杂程度和病人的痛苦。

1.2 超弹性

所谓超弹性是指奥氏体状态下的试样在外力作用下产生远大于其弹性极限应变量的应变, 在卸载时应变可自动恢复的现象, 如图2是形状记忆合金超弹性现象的典型应力应变图。多晶NiTi合金的超弹性可达8%左右, 单晶最大则可达10.7%左右 ^[2] 。

在介入医疗领域有超过80%的产品利用的是NiTi合金的超弹性, 它使得合金支架或合金丝具有良好的柔顺性, 可以与柔软且复杂的人体内管道很好的贴合。

1.3 弹性模量

NiTi形状记忆合金相对于其他的医用金属材料有较低的模量, 更接近骨骼的模量, 这一优点提高了它与骨骼的力学相容性, 可以避免传统金属材料在植入后的应力遮挡效应从而不易造成骨骼疏松现象。如表1给出了NiTi合金在高温A相和低温M相下与其他医用金属材料及骨骼的力学参数的对比 ^[3,4] 。

图3中示出NiTi合金典型的应力应变曲线图, 表明了合金的力学性能与天然生物材料力学性能类似 ^[5] 。

图2 超弹性现象的应力-应变曲线

Fig.2 Stress-strain curve of superelasticity

图3 几种天然生物材料和NiTi合金的应力应变曲线

Fig.3 Stress-strain curves of several biological materials and NiTi alloy

1.4 疲劳

若NiTi形状记忆合金需要长期植入人体, 则必须考虑诸如形状记忆性能的衰退等疲劳的问题, 这一点可以通过形变恢复能力的变化来表征。形状记忆合金在高循环次数下可恢复应变明显降低。 Mckelvey等 ^[6] 的实验表明即使循环软化后NiTi合金仍能保持5%的超弹性形变。贺志荣等 ^[7] 实验发现合金在应力应变循环初期应变恢复率的衰减比较明显, 如果对材料进行一定的预应变循环 (100次) 会提高材料的工作稳定性。然而, 作为生物植入体而言, 材料的疲劳不仅体现在长期的交变应力的作用, 更重要的是在生物环境中如在体液、血液等腐蚀介质与应力的双重作用下的腐蚀疲劳。生物环境下材料所承受的应力通常是不规则和无法预测的, 因而这方面的研究还有待进一步的开展。

1.5 磨损

在用NiTi合金制作关节假体或骨替代材料时, 需要考虑到合金的耐磨损性能, 因为合金不同于活体材料无法进行自我修复, 且摩擦产生的碎屑会损伤人体。 NiTi合金的超弹性使材料具有较好的耐磨性 ^[8] 。当磨粒与合金接触时, 由于合金具有较大的弹性应变值足以抵消磨损时的挤压应变, 因而在分离时材料可以完全恢复原来的形状和尺寸。 Green ^[9] 研究了喷丸处理对合金表面显微硬度和摩擦系数的影响, 发现喷丸处理使NiTi表面受到大量塑性变形, 大大提高了表面的硬度。

表1 NiTi合金和几种常见医用合金的机械性能对比

Table 1 Mechanical properties of common biomedical materials and NiTi alloy

医用材料	弹性模量/ GPa	拉伸强度/ MPa	可恢复形变/ %	延伸率/ %	抗压强度/ MPa	疲劳极限/ MPa	硬度
Ni-Ti (A)	70～110	800～1500	2	1～20	-	100～800	65～68 (HRA)
Ni-Ti (M)	21～69	103～1100	8	>60	-	50～300	-
316L (退火)	176～196	552	0.8	50	550	343	170～200 (HV)
Ti-6Al-4V	110	900	-	12	900	170～240	-
Co-Cr (锻造)	213～248	650～690	-	8	-	240～280	300 (HV)
牙釉质	50	70	-	0	265	-	-
牙本质	14	40	-	0	145	-	-
皮质骨	18	140	-	1	130	-	-

1.6 腐蚀

经过大量的实验发现NiTi合金具有较好的抗腐蚀性。生物体液对金属材料有一定的腐蚀作用, 而Ni²⁺离子又是一种具有毒性的离子, 所以NiTi合金用于人体最大的问题是合金受到腐蚀后有可能释放出有毒的Ni²⁺离子。而且在人体中并非绝对的处于中性状态, 一些局部的酸性容易造成金属植入物的腐蚀。目前仍存在少数NiTi合金在人体内受到腐蚀的实例, 因而一些研究中提出表面氧化后形成的TiO₂氧化膜能有效提高材料的抗腐蚀能力。不同的生物环境及材料本身的表面状态和微结构是材料腐蚀行为的决定因素。

1.7 血液相容性

血液相容性是指医用材料与血液接触后, 产生符合要求的生物学反映和起有效作用的性能 ^[10] 。判断一种医用材料的血液相容性, 通常从抗凝血能力和不损伤血液成分和功能两方面来考虑。大多数金属材料的血液相容性都比较差, 因为带有正电性的表面容易吸附负电性的血液组元, 从而引起如血栓等不良反应, 因而材料表面结构是决定血液相容性的关键因素。通过表面改性可以大大提高NiTi合金的血液相容性。

1.8 Ni2+离子的毒性

NiTi合金被认为具有良好的生物相容性——医用材料在特定应用中, 引起适当的宿主反应和产生有效作用的能力, 它用以表征材料与活体系统相互作用的生物学行为 ^[11] 。如前所述, NiTi合金应用于人体关键性的问题就是Ni²⁺离子的毒性及腐蚀的问题。

Ni是人体必需的微量元素之一, 同时也是一种致癌物质。但是在NiTi合金中Ni以化合态形式存在, 其毒性远比单质Ni小, 因此不能仅以Ni的毒性来衡量NiTi合金的生物相容性。此外, 一些实验 ^[12] 中也表明NiTi合金虽然存在Ni²⁺离子的释放, 但释放量远没有达到有毒的程度。对于该合金的毒性问题国内外学者仍存在争议。

2 NiTi合金在医学领域的应用

医用材料根据应用主要分为3类: 一种是只与生物体表面接触如牙科; 一种是需要移植到生物体内部, 并可能长期与生物体组织共存, 如人体内支架; 一种是与生物体不直接接触, 如医疗器具的组件。目前NiTi合金在生物医学领域应用极其广泛, 表2给出了NiTi合金在医学领域应用的主要领域。其中简要概括了合金在骨科、矫形外科、人体内管道支架及介入医疗、人工组织或器官和生物微机电系统中的一些应用实例或研究方向以及该合金的主要优势。

近年来, 介入医疗成为医疗领域异军突起的一个新的分支, 而NiTi合金的应用更是在这一领域得到了前所未有的发展。尤其是心血管疾病近年来成为了仅次于癌症的人类杀手, 在欧洲每年都有数以万计的人需要花费大量金钱通过介入手术来挽救自己的健康和生命。所谓介入治疗法就是采用经皮穿刺途径或通过某种原有体内通道将特别的导管和器械插入人体而到达病变区进行特殊的诊断和治疗 ^[13] 。经皮穿刺介入冠状动脉成形术 (PTCA) 是直接利用球囊导管经皮穿刺进入冠状动脉进行治疗。

NiTi合金制作的心血管支架 ^[5] (如图4所示) 具有低的外推力和高的径向压缩抗力 ^[13] 。较小的外推力可以避免外推力过大而造成血管破裂。很高的径向抗力, 可以在血管壁发生强烈的收缩或在压力迫使血管收缩时, 起到有效的支撑作用。

表2 NiTi合金在医学领域的应用

Table 2 Medical applications of NiTi alloys

科系	临床主要需求	应用分类	相应器件	NiTi合金的特性
骨科	骨科创伤	管状骨骨折近关节骨折颅骨骨折作为骨组织替代	环抱器^[14], 骨板^[15], 骨钉等聚髌器^[16], 骑缝钉^[17]等颅骨锔钉^[18] 多孔NiTi合金	主要利用合金的形状记忆效应、高强度及较低的弹性模量不易引起骨质疏松
矫形外科与五官科	外科整形以及耳鼻喉等狭小空间疾病的治疗器件	牙科颅面外科耳鼻喉科	NiTi矫形丝, 牙根植入物等^{[19, 20]} 牵张器 NiTi丝制成的网状矫形鼻部支架和窥镜等	矫形利用合金超弹性能够提供恒定且平和的矫正力
人体内管道	内管道疾病, 如血栓、肿瘤和癌	主要在食道、气管、胆道、尿道、血管等	基于超弹性的自膨胀支架, 形状记忆效应加热膨胀支架及冷却收缩支架	利用形状记忆效应、超弹性、柔顺性及高的支撑力可以避免管道的再狭窄
微创伤介入手术的其他器件		主要应用于人体内管道的手术	热疗仪, 心脏隔膜堵塞器, 血栓收集器, 内窥镜^[21], 血管替代支架^[5]
人工器官和组织	器官或组织的破损或毁坏	心脏功能障碍韧带替代物	人工心肌^[22] NiTi合金条带	双程形状记忆效应利用合金的低模量与天然韧带相近的强度、韧性和弹性
生物微机电系统	应用于介入手术和载药系统的器件	基于NiTi合金驱动器的微型器件	介入手术所用的微型夹^{[23, 24]}、微型阀、微型泵^{[25, 26]}	NiTi合金较大的可恢复应力和应变、R相变较小的相变热滞可对激发信号做出快速响应

图4 NiTi支架植入颈动脉

Fig.4 Cut-away view of NiTi stent implanted in carotid

3 改善NiTi合金医用性能的主要方法

对于NiTi合金的性能不足, 在实际生产中为了改善材料的性能, 可以从以下几方面考虑:

合金化: 可以对合金的性能进行改善和调整, 例如加入Mo可以提高合金的耐蚀性和加工性能, 加入Ta可以提高合金在X射线下的可视性, 并降低相变温度对Ni含量的敏感性等。此外, 人们还致力于寻找非Ni的Ti基形状记忆合金以提高生物相容性。

热处理: NiTi合金的相变温度对热处理工艺很敏感, 作为医用植入物时通常需要把A_f控制在体温附近或更高。

表面改性: 通过对表面进行一订处理后 (如加上生物惰性膜或生物活性膜) 可以提高材料的耐腐蚀和磨损性能、组织相容言和生物活性等, 这是解决目前NiTi合金在医学领域应用的主要障碍的有效途径。

4 结语

NiTi合金所具有的特殊性能, 使它具有广泛的用途。较低的弹性模量适合用做骨科的修复和替代材料, 非线性的超弹性可以在外科矫形过程中提供恒定且平稳的矫正力, 良好的生物相容性使它在介入医疗领域得到广泛应用, 独特的形状记忆效应适合用来做智能元件。总而言之, NiTi形状记忆合金是新材料时代的生力军。