生物记忆材料·镍钛合金·在骨科领域中的研究与进展

王**学

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入。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-Mo>Ti≈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合金架放入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周类骨覆盖，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，纳入临床前的基础研究。探索表明:以聚髌器、天鹅接骨器、三维髋臼内固定系统为代表的生物记忆力学，对骨块间，不但能有效维持其解剖形态、而且在骨断端碎块间形成了三维的记忆应力场，如天鹅记忆接骨器在骨断端三维空间六个应力，以正应力为主的记忆应力**，不仅保证了断端的稳定，而且为成骨提供了新的环境。严望军在SMC对犬股骨骨折愈合及超微结构的影响方面，发现成骨细胞的成熟早于非记忆性固定方式。

苏佳灿、张雪松、万岷等通过对30只家犬两侧股骨中段横型截骨，左侧以SMC、右侧以IN固定发现:发育成熟的血管内皮细胞，SMC组快于IN组，证实了在记忆应力下，血管更早期向骨断端长入，为骨折愈合提供必要的营养成分。

综上所述:NiTi合金的组织相容性优良，加之所独有的特殊力学行为，实为目前难得的和唯一有"记性的"生物材料。

3   医用镍钛合金在骨科领域的应用

3·1脊柱方面

10年，赵定麟设计的NiTi人工颈椎椎间关节在减缓多节退行性变和简化术式方面有着积极的导向意义。同时，提供了宝贵经验。

Harrington棒和Luque棒是治疗脊柱侧凸的常用方法，就其术后的矫正力而言，术后2Omin就下降20%，l0-l5天则下降30%左右。Harrinton棒随着脊椎侧凸曲度逐步变小，其支撑作用力也随着下降，而Luque棒水平作用力有限。所以1976年Schmerling用直径为6.3mm、回温点为43°C的NiTi合金棒在人尸体上进行矫正试验，取得充分矫正力。1993年，Sanders等用回形产生的2OON及5OON回复力的6mm及9mmNiTi合金棒，治疗实验造成脊柱侧弯的山羊，获得成功。1986年卢世壁报告了一种自行设计的NiTi合金棒并临床应用32例，取得比较满意的疗效。预测形变的矫正力与脊柱侧弯之间，有着相当大的研究与发展空间。

1988年，张春才等为骶1、2肿瘤切除术后的骶骨重建所设计腰骶内固定器，临床应用3例，探索了初步经验。

3.2关节方面

髋关节:戴克戎等设计NiTi股骨头杯，它杯口收拢，不易因旋转发生内翻与脱落。赵文宽等用NiTi合金螺丝钉治疗163例新鲜股骨颈骨折，取得良好的疗效。

长期以来，髋臼骨折、尤其是粉碎性复杂性髋臼骨折，一直是创伤骨科中的难题之一，髋臼解剖形态虽然复杂而不规则，但其共同特点是和大小的弧线相连相叠;皮质骨较集中于线嵴部;松质骨充实，血运丰富。这些特点，至少提示了:(1)非一种形态的固定物所能胜任。(2)只要稳定于解剖位，骨愈合应快于管骨干。张春才等依髋臼髓白的解剖特点与镍钛合金特性，研制髋臼三维记忆-ATM-内固定系统.由前柱臼A;后柱臼B;弓齿C;粗隆D四组系列组成。临床应用髋臼骨折41例。结果:不但能将复杂粉碎的髋臼稳定地聚合于解剖位，而且术中操作简便。41例髋臼骨折，随访6-28个月:38例术后1.6月骨性愈合;2.5月，伤侧髋关节功能达到健侧水平。异位骨化，关节失用1例;骨化性肌炎，功能障碍2例;感染并获得痊愈与功能无障碍1例。髋臼三维记忆内固定系统，为粉碎的髋臼获得解剖性重建，提供了一种新而有效的内固定技术与方法。

膝关节:张春才等为治疗各类型髌骨骨折并试图取代"部分和全髌切除术"，设计了一种NiTi聚髌器(NT-PC)。它具有2个髌底功能爪枝，3个髌尖功能爪枝和一个连接爪枝的腰部，体温驱动下，能从5个方向产生回复力，向心、主动、持续地把粉碎的髌骨聚合加压于解剖位直至骨愈合。至95年2月，临床应用4023例:伤膝关节功能达到健侧水平平均7.14周，优良率98.3%。未发现"大髌骨"现象。NT-PC不但适用于各类型髌骨骨折，而且为避免"部分与全髌切除"提供了一种简便、有效的方法。

肘关节:王家林等设计了具有导向固定作用，并能主动记忆加压于骨断端的尺骨鹰嘴导向记忆固定器。聚合与对骨断端导向记忆压力兼顾。临床应用21例，解剖复位率95.7%，术后平均6.8周，患肢功能达到健侧水平，末出现感染、本器断裂、骨不连等并发症。张春才、禹宝庆等设计的肱骨髁上解剖型记忆接骨器，用于治疗肱骨髁上骨折、骨不连共28例，随访未见并发症，效果优良。

腕关节:桡骨远端涉及关节面的粉碎骨折、骨不连与各种畸形，临床多见，处理困难。禹宝庆等设计的桡骨远端解剖型记忆聚合器，为之探索了一条新的途径。经三维建模及有限元分析:轴心持应力14.66Mpa;聚压应力20-4OMpa。临床治疗骨折与骨不连7例。效果优良。

3.3四肢骨折内固定方面

戴克戎等采用丝材设计的NiTi骑缝钉，从力学上较日本的NiTi门字钉先进。它的横形加压段呈波浪状，为治疗近关节部的骨折，提供了一种新的方法。在此启迪下，张春才等采用板材设计了系列弓齿记忆接骨器，采用莫尔原理计算，求得:P=13.69δ，发现它的受力与位移呈线性关系;在连臂的功能弧上，循规则与不规则骨的解剖形态，设有正弓与反弓，它于骨断端的记忆压应力5-1lON;在臂端力点的接触面上，呈锯齿状，将之稳定性从松质骨扩大到皮质骨。临床应用于骨盆骨折、舟骨不连、踝关节融合等。

肱骨干系非承重骨，肢体的自重与地心引力于横断骨折具有分离作用。治疗方法虽各有所长，仍有较高的并发症，如骨不连。张春才等针对这一问题，设计的"弧叉状肱骨髓内记忆钉"，髓内“Y”型，截面“V”形，有一定的抗分离作用。临床治疗肱骨干中1/3骨折与骨不连，共36例，失败5例(13.8%)。

在此基础上，继之所研制的"弓形主动记忆加压接骨器"，理论上与实践上，探索了上肢管状骨骨断端持续加压问题，临床发现骨样骨板状替代较加压钢板出现早，且未发现应力遮挡问题。临床应用于肱骨、尺桡骨干共71例，平均术后随访15.8个月。结果:骨折组45例，并发骨不连2例;43例术后平均2.5个月骨折端出现骨样骨板状替代;骨不连组28例，并发骨不连1例，27例术后平均3.7个月骨折端为类骨样骨板状替代。骨不连的发生率下降到4.2%。但在设计上尚存问题，如有的病例需要髓内针辅助固定，术式较繁琐。在骨样骨板状替代的骨愈合现象的鼓舞下，张春才等进一步研制成功天鹅型记忆系列接骨器(SMC)。SMC不但能将骨断端轴向地整体"记忆"于解剖位，而且能产生非AO性的动态性加压力;它的全场应力分布，属非一次性地、静态地作用于骨断端。临床应用于锁骨、肱骨、尺桡骨干骨折与骨不连188例243根，术后弃用制动，7-10天主动功能锻炼，平均随访2.25年。结果:发现:243根骨干，240根骨愈合，优良率98.7%;并发骨不连3例，将骨不连的并发症降至1.24%。值得注意的是:1.术后2-4月间，出现一无骨痂、二无骨萎缩的骨板状替代;2，术后2-4个月间，上肢的功能恢复与骨愈合同步;3.提示了骨愈合的方式可能随生物记忆材料的特性而有新的模式。

全髋人工关节置换术已相当普及，可能因骨质或股骨的人工假体柄下与骨干的应力关系，导致柄下骨折。此类骨折，治疗难度大，骨不连的发生率较高。徐卫东等为之设计的柄下骨折记忆加压接骨器为解决这一难题提供了一种行之有效的方法:它轴向持骨、纵向断端加压、夹板植骨，提高了断端的稳定性。Harris评分为92分。股骨干粉碎骨折，髓内钉或交锁钉固定是临床上常用的方法。如何将碎骨块达到解剖复位?是我们常遇到的问题。通常钢丝捆扎，但稳定性较差;捆扎带较好，但于皮质的接触过多，不利血运。张春才，赵杰，张秋林等设计的记忆箍环，为碎骨块的解剖复位，一则提高了骨块复位的稳定性，二则与骨面形成有利于血运的点位接触。临床上与髓内针联合应用，取得了良好的效果。

戴克戎等设计NiTi锯齿臂环抱内固定器，动物实验与体外力学试验证实，它有良好的抗弯与抗扭作用，应力遮挡效应明显低于接骨板，临床应用17例(股骨、肱骨、桡骨、尺骨骨折)，效果满意。杨佩君等研制的NiTi钳夹式内固定治疗64例掌、指、跖骨骨折;董纪元等研制的"Y"型髓内钉治疗掌、指骨骨折，从髓内外手、足、管骨的固定提供了新鲜经验。

4  展
望

记忆材料不下百种(包括金属、塑料、高分子等)，但从目前的研究资料来看，在医学界具有巨大挖掘潜力的唯有NiTi形状记忆合金。1990年，美国FDA组织批准镍钛合金相关产品进入医疗市场。同年，我国学者首次将其命名为"生物记忆材料"。回顾镍钛合金的医用基础研究，虽在组织相容性方面做了不少工作，但更系统的多方位、多角度研究尚有待继续深入。在临床治愈相关疾病的机理方面，则是现象观察偏多，揭示本质的理论研究才刚刚起步。例如天鹅记忆接骨器固定骨折术后2-4个月，骨折断端呈"解剖型"板状骨替代。即无"坚强固定"所致的骨萎缩，亦无弹性"微动效应"带来的骨痂(似乎"跳过"了骨痂塑形期)。这种"非坚非微"的骨愈合现象，是否与SMC的动态应力场有关?还是真的存在着尚未被认识的另一种新的骨愈合形式?这种记忆成骨MO)(Memorial
Osteosynthesis)的现象，尚需进一步探索其规律。在器件的取材方面，多限于丝材与板材，铸造件尚未见报道。在利用记忆效应方面，多单程少双程，全程尚未见报道。在材料性能与临床问题的巧妙结合方面，还需不同程度地深入研究与不断完善。

在骨愈合方面，所出现的一无骨痂、二无骨萎缩的骨板样替代之MO现象，是否提示了一种新的模式？尚需进一步探索。尽管如此，镍钛合金在医学界，尤其在古科学界的活力，以展现出强大的生命力，也标志着人类医学的相关学科，跨入了“生物记忆材料”的年代。