鎳鈦形狀記憶合金的生物相容性研究進展*

王成健孟增東,*張玉勤謝輝

綜述與講座

鎳鈦形狀記憶合金的生物相容性研究進展*

王成健1孟增東1,2*張玉勤3謝輝2

鎳鈦形狀記憶合金（Nickel titanium shapememory alloys,NiTi-SMA）因具有良好的生物相容性、形狀記憶效應以及超彈性等優異性能成為理想的體內固定材料，目前已廣泛的應用于臨床治療。由于鎳鈦形狀記憶合金的形狀記憶效應和超彈性可以有效避免應力遮蔽引起的材料斷裂，因而有望長期存于人體內，但是合金在人體內受腐蝕釋放的鎳離子存在生物毒性，對局部組織有致敏甚至是致癌作用，所以又限制了其在臨床上的廣泛應用。本文綜述了鎳鈦形狀記憶合金生物相容性相關的文獻，總結鎳鈦形狀記憶合金在體外、動物體內生物相容性以及臨床應用的生物相容性方面的研究進展，并指出鎳鈦形狀記憶合金的表面處理在提高其生物相容性方面的重要性。

鎳鈦形狀記憶合金；生物相容性；表面處理

近來，隨著醫用生物材料科學的發展，加之臨床醫療的需求，鎳鈦形狀記憶合金因其具有形狀記憶效應，并且具有強度高，耐磨損、耐腐蝕、無磁、無毒等優異的理化性能，硬度和剛度與人體的骨組織接近，被認為是理想的生物內固定植入材料之一，在醫學領域獲得了廣泛的應用。目前所報道的鎳鈦形狀記憶合金在醫療領域的應用涉及到了骨科、口腔科、胸外科、婦產科以及影像學科等，已開發出的產品有脊柱側彎哈氏棒、髖關節假體、框架式尺撓骨內固定器、髕骨固定器、子宮內避孕環、牙科正畸絲等[1]生物醫用材料。

大多數生物相容性的研究顯示鎳鈦形狀記憶合金具有較低的細胞和遺傳毒性，但是鎳鈦形狀記憶合金中由于大量的鎳元素存在，而鎳及其化合物對人體存在潛在的毒性，并且過量的鎳離子存在人體中常會引起局部組織過敏反應，鎳離子進入體液循環后也可能會影響氨基酸代謝、蛋白質變質，對面以及血液系統產生不利影響，繼而導致致畸、致癌等不良后果。因此，鎳鈦形狀記憶合金安全性一直受到研究學者們的關注[2-4]。鎳鈦形狀記憶合金在人體內會有鎳離子析出，并且其釋放量與合金表面的粗糙程度及化學組成密切相關，鎳離子釋放量及其毒性作用對機體的影響也成為此類合金應用的限制因素，目前已有大量學者[5]對鎳鈦形狀記憶合金的表面進行修飾以期待提高合金的生物相容性的目的。本文擬回顧鎳鈦形狀記憶合金生物相容性相關研究進展，從體外細胞試驗、動物體內試驗、臨床應用以及表面修飾對其生物相容性的影響幾方面進行綜述，從而客觀評價鎳鈦形狀記憶合金的生物相容性以及表面處理對提高其生物相容性的必要性。

1 鎳鈦形狀記憶合金體外生物相容性研究進展

鎳離子的溶出在鎳鈦形狀記憶合金植入物使用過程中備受關注，很多研究者對鎳鈦形狀記憶合金中鎳離子的釋放情況進行了監測。例如有研究人員對鎳鈦形狀記憶合金弓絲在體外溶出度研究中發現[6-9]，鎳離子平均釋放率為13.05mg/天，顯著低于日常飲食平均攝入200～300mg/天；另一項研究中，牙科患者使用鎳鈦形狀記憶合金器械5個月，一系列的測量數據顯示患者血液中鎳離子的濃度沒有明顯增加。M. ARNDT等[10]對鎳鈦形狀記憶合金弓絲進行電化學性能以及機械浸漬試驗，并對弓絲表面進行電鏡（SEM）觀察以及能量分散型X線檢測，并且使用電感耦合等離子體質譜法（ICP-MS）測定了鎳離子的釋放量，證實了鎳鈦形狀記憶合金在一定的機械壓力和熱負荷作用下鎳離子的釋放仍然低于日常飲食攝入量，所以鎳鈦形狀記憶合金在矯形支架的應用中體現了良好的生物相容性。

許多學者利用等離子技術對鎳鈦合金表面進行處理，并且與未經處理的鎳鈦合金進行對比實驗，在電化學實驗過程中發現經過表面處理的鎳鈦合金其表面耐腐蝕性能明顯增強，Shi Jin等[11]發現，TiN涂層呈現更大的粗糙度和良好的潤濕性從而增加細胞表面依從性。MTT結果表明在涂覆，未涂覆的和陰性對照組中細胞活性和增殖情況相似。然而，TiN涂層組早期凋亡率顯著低于未涂層組，并且TiN涂層組的細胞黏附，伸展和增殖明顯增強。另外 TiN涂層增加鎳鈦合金粗糙度和濕潤性，從而增強了成纖維細胞的增殖和黏附性。M I Jamesh等[12]學者通過氣相沉積制備了鎳鈦梯度膜，通過對比實驗發現，經過處理的鈦與裸鈦基體相比較有更好的親水性，但與未經處理的鎳鈦相比并沒有明顯的差異，并且未經處理的鎳鈦與經處理的樣品有相似的良好的細胞擴散以及成骨細胞黏附表現，因此等離子表面處理對于細胞活性與黏附性能并沒有明顯的影響。然而經過涂層的材料與細胞出現良性的互動，主要在于蛋白質分子的吸附效率與能力明顯得到提高，因此表面等離子處理使得鎳鈦合金具有更為優異的細胞相容性。相關的學者也在繼續探究鎳鈦合金表面處理與細胞、蛋白等的作用機理，為合金的繼續優化獲得數據支持。

石新瑩等[13]用健康人血分別與具有羥基磷灰石涂層的多孔鎳鈦合金（NiTi-HA）、無涂層多孔鎳鈦合金（NiTi）以及致密純鈦（Ti）試樣進行溶血試驗，得到NiTi組、NiTi-HA組及Ti組試樣的溶血率分別為（0.30±0.11）%、（0.51± 0.07）%、（0.27±0.06）%，溶血率均不高于5%，符合醫用材料標準規定的溶血要求，并且涂層后的多孔鎳鈦合金展現出更低的溶血率。三組材料分別與人SV40轉染成骨細胞進行共培養，觀察到成骨細胞已長入多孔結構的孔隙內部，呈不規則多邊形，偽足較多，伸展良好。各組成骨附著狀況良好，細胞數量隨時間延長而緩慢增長，成骨細胞堿性磷酸酶（ALP）活性檢測結果NiTi組、NiTi-HA組的ALP活性差異不大且均高于Ti組。因此多孔鎳鈦合金及帶有涂層的多孔鎳鈦合金均能夠符合國家醫療器械相關標準的要求，且涂層后的多孔鎳鈦合金具有更為優異的生物相容性。

2 鎳鈦形狀記憶合金動物體內生物相容性研究進展

國內學者張媛媛等[14]將鎳鈦形狀記憶合金所制備的聽骨鏈重建材料植入到豚鼠的聽泡中，并分別在植入后7、14、28、56、112天隨機處死含鈦植入組和空白植入組的豚鼠各5只，通過組織切片對組織細胞行形態學檢查分析，染色觀察毛細胞凋亡和缺失情況，掃描電鏡觀察耳蝸基底膜毛細胞纖毛排列情況，透射電鏡觀察毛細胞細胞器形態，對各組的豚鼠植入前、不同時間點處死前均行聽性腦干反應及畸變反應耳聲發射檢測，發現不同時間點處死的豚鼠耳蝸組織形態無明顯變化，未發現耳蝸毛細胞發生凋亡，基底膜耳蝸毛細胞纖毛排列整齊，外耳蝸毛細胞的細胞器未見明顯異常。各組植入前后7、14、28、56、112天聽性腦干反應閾值差異無顯著性差異，且畸變反應耳聲發射檢測通過率均為100%。結果證實，鎳鈦合金聽泡植入對豚鼠耳蝸形態及聽功能無明顯影響，表明鎳鈦形狀記憶合金無明顯耳毒性。

B.Thierry等[15]通過將鎳鈦形狀記憶合金支架植入動物體內血管后的研究發現其能夠降低附壁血栓的形成幾率，減少急性和亞急性血栓遮擋的風險。所以鎳鈦形狀記憶合金血管支架在臨床上的應用可以減少血栓的形成幾率，降低病人的復發率，縮短住院及恢復時間。體現了鎳鈦形狀記憶合金優異的動物體內相容性。

Christian等[16]通過對51只大鼠的左股骨遠端植入鎳鈦形狀合金植入物，并通過電磁感應來對合金植入物進行加熱，溫度控制在40～60℃，用以調整鎳鈦形狀記憶合金植入物在大鼠體內左股骨遠端的形狀和剛度，在試驗開始前后對大鼠的血液樣本進行檢測，并對白介素-1（IL-1）、IL-4、IL-10、腫瘤壞死因子 （TNF-）和干擾素（IFN-）進行測定。術后各組大鼠恢復狀況均良好，無明顯不良反應。三星期后處死動物，進行組織學檢查。細胞因子測量以及組織學標本的檢測均無明顯差異。證實了電磁加熱調整鎳形狀記憶合金均有良好安全性，同時也證明了即使再加熱狀況下鎳鈦形狀記憶合金也依然具有優異的安全性和生物相容性。

3 鎳鈦形狀記憶合金在人體中的生物相容性研究進展

近年來隨著交通事故、運動損傷等意外傷害導致的骨折病例的高速增長，形狀記憶合金在臨床上越來越受到醫師的關注，史博等[17]對20例多發性肋骨骨折行鎳鈦形狀記憶合金環抱器治療，術后8～12周X線片顯示骨折臨床愈合，無骨折不愈合及內固定松動、滑脫發癥出現，證實了鎳鈦形狀記憶合金的良好的生物相容性。另外焦軍勝等[18]對聚髕器與張力帶在治療髕骨骨折的臨床療效進行統計分析，術后無一例深部感染、內固定松動及斷裂等手術并發癥，二者均具有良好的效果，并且鎳鈦形狀記憶合金聚髕器兼具創傷小、操作簡便，生物相容性良好等優點，對粉碎性髕骨骨折尤為適用。

趙巖等[19]人利用逆行交鎖髓內釘聯合鎳鈦形狀記憶合金骨卡環置入內固定治療股骨髁上A型骨折，對19例患者進行手術治療，并隨訪了其中的17例患者，骨折臨床愈合時間12～18周，平均愈合時間14周；無內固定物松動、斷裂及畸形、關節感染、骨不連等發生，術后發生切口表淺感染2例，膝關節滑膜炎2例，原有骨性關節炎一過性加重1例。說明采用此方法治療骨折生物力學穩定，能有效恢復股骨髁上骨折的穩定性及完整性，固定可靠，能促進骨折愈合，并且鎳鈦形狀記憶合金骨卡環植入后無內固定物松動、斷裂及畸形、關節感染發生，無骨折延遲愈合發生，顯示出植入物良好的組織相容性。

4 鎳鈦形狀記憶合金涂層改性后生物相容性研究進展

隨著鎳鈦形狀記憶合金在臨床的廣泛應用，越來越多的學者開始關注鎳鈦形狀記憶合金的表面改性，以此來進一步提高其生物相容性。鎳鈦形狀記憶合金表面會自動形成二氧化鈦（TiO2）氧化膜，但易發生剝落，對亞表層的保護作用有限，因而單一的鎳鈦合金不足以抵抗由相對運動引起的粘著和磨粒磨損，磨損產生的合金顆粒會引起置換后關節的無菌松動，并最終導致置換失敗[20]。加之人體組織環境的復雜性，在外力以及體液的侵蝕下，合金表面鈍化膜有可能被剝離、溶解。因此，在使用過程中會有鎳離子釋放到組織中，在生物體內產生毒性、炎癥等反應。Komotori等[21]研究發現：鈦合金在體液中的磨損和腐蝕是同時發生的，腐蝕電流密度隨著劃痕速率的增加而增加，并由磨損腐蝕誘發浸蝕腐蝕和點蝕。另外，多孔鎳鈦形狀記憶合金由于其多孔性，比表面積遠高于致密合金，因此多孔鎳鈦形狀記憶合金在腐蝕溶液中更容易出現腐蝕[22]。另外，因為鎳鈦形狀記憶合金直接植入人體后與骨組織之間只是一種簡單的機械嵌合，而非強有力的化學骨性結合，所以會有鎳鈦形狀記憶合金植入體松動脫落的情況發生。因此對鎳鈦形狀記憶合金進行表面改性，增強其耐磨性、耐腐蝕性，提高其與周圍組織的結合力，減少應力屏蔽，從而改善其生物學性能受到了越來越多的醫學工作者以及研究人員的關注[23-29]。目前主要表面的改性方法是通過各種技術在鎳鈦形狀記憶合金表面形成具有較高耐蝕性、耐磨性并且生物相容性良好的涂層。主要的涂層技術有電化學沉積，離子注入法，微弧氧化涂層，復合涂層及梯度涂層等。涂層所用的材料主要有類金剛石（DLC）涂層，TiN及TiC涂層以及其他無機高分子材料涂層等。

電化學沉積作為一種傳統工藝，通過改良工藝方法將蛋白質、含Ca/P的涂層等具有生物活性的物質沉積到鎳鈦形狀記憶合金表面[30]。尹燕等[31]人采用電沉積-堿處理的方法對鎳鈦形狀記憶合金的表面進行羥基磷灰石（HA）陶瓷涂層，制備得到均勻、致密，不含其他磷酸鈣雜質相的HA涂層，改善了鎳鈦形狀記憶合金的組織相容性，且能有效刺激軟骨細胞的形成，并轉變為骨小梁，提高了鎳鈦形狀記憶合金的生物活性。離子注入是采用高能離子束處理材料表面，使其表面成分和性能發生變化的一種物理合金化過程，Hanawa,郭歡等[32,33]人采用離子制備的方式制得具有良好理化性能以及優秀的生物相容性的涂層材料。微弧氧化是一種在材料表面原位生長氧化膜的新技術，微弧氧化所形成的氧化膜，由于放電形成許多微孔結構，這種多孔的結構有利于細胞的黏附生長，植入骨內有利于骨組織的生長。鎳鈦形狀記憶合金的表面生物相容性改性的方法還有很多，但是目前依舊存在許多問題，例如涂層與基體結合力度差，制備工藝繁瑣等。因此有學者通過多種涂層方法聯合使用進行復合涂層，獲得了涂層與鎳鈦形狀記憶合金結合強度較高的復合涂層，增強其與機體組織細胞的結合能力，降低了鎳鈦形狀記憶合金植入物植入后松動脫落的風險，優化提高了鎳鈦形狀記憶合金的生物相容性。

5 結語和展望

鎳鈦形狀記憶合金由于其優越的理化性能，在臨床領域中得到了廣泛的應用，其具有優良的生物相容性，在某些方面超越了純鈦。但鎳鈦形狀記憶合金中鎳元素的溶出對其生物相容性具有重要的影響，所以在不影響合金本身優秀的力學及機械性能的前提下，對鎳鈦形狀記憶合金的表面進行修飾處理，可以減少鎳離子在人體環境中的溶出量，并且提高組織細胞與鎳鈦形狀記憶合金的結合強度，提升植入物的穩定性，提高其作為長期植入物的生物相容性。近年來，新發展起來的多孔鎳鈦形狀記憶合金的三維連通結構在增強與骨組織結合強度的同時，也增大了合金與組織細胞的接觸表面積，由此也影響了其耐腐蝕性能[34]，考慮到由于腐蝕導致鎳離子的溶出，對機體存在潛在的毒性影響，所以通過對合金表面改性來提高鎳鈦形狀記憶合金的耐腐蝕性能繼而提高其生物相容性也受到了越來越多的學者及醫療工作者的關注。

鎳鈦形狀記憶合金作為生物骨修復材料，雖然能有效避免應力遮蔽效應，但在壓力下的腐蝕行為、鎳元素對血液蛋白的選擇性吸附以及多孔鎳鈦形狀記憶合金的耐蝕性能、生物相容性仍需要進一步研究；通過表面涂層提高鎳鈦形狀記憶合金與骨組織的結合能力、耐腐蝕性能，優化合金植入后與機體的結合穩定性、生物相容性仍然需要長期深入的研究。

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The biocom patibility of NiTishapem emory alloy:A review

Wang Chengjian1,Meng Zengdong1,2,Zhang Yuqin3,etal.1 Affiliated Hospitalof Kunhua of Kunm ing University of Science and Technology,Kunm ing Yunnan,650032;2 First People's Hospital of Yunnan Provience,Kunm ing Yunnan,650032;3 Faculty of Materials Science and Engineering,Kunm ing University of Science and Technology, Kunm ing Yunnan,650093,China

Nickel-titanium shapememory alloy(NiTi-SMA)due to good biocompatibility,shapememory effect and superelasticity,and anothergood properties to become the idealbody repairedmaterials,hasbeenw idely used in clinical treatment.Becauseof theshapememory effectand superelasticity NiTi-SMA can effectively avoidmaterial fracturecaused stressshielding,expected NiTi-SMA could long-term existence in thehuman body,butthealloy releasenickel ions in thebody fluid caused by corrosion,nickelionsexistcytotoxicity,the local tissuehascaused allergiesand even carcinogenic effects,lim ited the NiTi-SMA w idespread application in clinical.Thispaper reviews the NiTi-SMA biocompatibility related literatures,summarized research progressNiTi-SMA biocompatibility in vitro,in vivobiocompatibility and clinical applications,and noted thata NiTi-SMA surface treatment to improve thebiocompatibility of importance.Pointed preparation NiTi-SMA optim ization and surface treatments to improve the importance of biocompatibility.

Nickel-titanium shapememory alloy;Biocompatibility;Surface treatment

R318.08；TF124.5

A

王成?。?990-）男，碩士。研究方向：神經生物學。

*[通訊作者]孟增東（1971-）男，博士，主任醫師。研究方向：骨外科。

2015-07-20）

10.3969/j.issn.1672-5972.2016.01.020

swgk2015-07-00134

2015年云南省科技廳-昆明醫科大學應用基礎研究聯合資金項目“SPS制備多孔Sr-HA骨修復材料的孔隙控制及力學性能與骨缺損修復能力的實驗研究（2015FB094）”、“放電等離子燒結超細晶TNTZ醫用鈦合金的組織控制及力學與生物相容性研究（31160197）”。

作者單位：1昆明理工大學附屬昆華醫院，云南昆明650093；2云南省第一人民醫院，云南昆明650032；3昆明理工大學材料科學與工程學院，云南昆明650093