（材料学专业论文）NiTi合金表面仿生生长磷灰石及其生物相容性研究.pdf

塑鐾一摘要在n i t i 合金表面制备磷灰石层，使合金既能保持原有的形状记忆效应、超弹性和低弹性模量，又减少有害镍离子的溶出，从而改善生物相容性。在常见的磷灰石层制备工艺中，化学法以其成本低、操作简便、结台强度高等优点，弥补了等离子喷涂和激光熔敷工艺的缺陷。其中的仿生溶液生长法更是模拟了宿主骨中无机质的形成过程，具有广阔的临床应用前景。本研究采用h n 0 3 和n a o h 水溶液处理，活化n i t i 合金表面，使之在模拟体液( s b f ) 中仿生生长类骨磷灰石层。借助s e m 、e d s 、x r d 、x p s 及f t i r等分析手段，探讨酸碱处理工艺对n i t i 合金表面成分与结构的影响，研究其在s b f 中诱导磷灰石仿生生长的机理。通过体夕b ( i nv i t r o ) 细胞培养和体内( i 1 1v i v o ) 植入，评价磷灰石涂层n i t i 合金的生物相容性。结果表明：h n 0 3 处理增加n i t i 合金表面积、形成致密t i 0 2 膜，其后的n a o h 处理在合金表面形成以n 赴t i 3 0 ，为主的纳米网状活性层，其结晶度和少量镍酸钠的存在对表面活性影响不大。酸碱处理后的合金经预钙化，可诱导钙磷颗粒在活性网格内快速沉积，并成为磷灰石非均匀形核的核心，进一步仿生生长含碳酸根的类骨磷灰石层。类骨磷灰石涂层试样( n i t i h a ) 和未处理试样( n m ) 对3 t 3 细胞均不显示细胞毒性，但n m i a 周围细胞形态、密度及贴壁伸展情况优于n i t i 。6 d 后，细胞呈树枝状完全覆盖n i t i h a 试样表面。虽然，细胞生长曲线显示二者对3 t 3 细胞增殖的影响无显著差异，但培养6 d 的n i t i 试样表面细胞分布明显不均，有局部团聚现象。将n i t i h a 种植体植入白兔股骨，早期显示较强的骨引导作用，大量骨细胞直接附着在种植体表面，成骨转换异常活跃。1 5 周后形成有效的骨性结合界面。而同期n m 则为间接界面，种植体与骨组织间有纤维结缔组织介入，易于开裂，新骨生长速度明显滞后。2 6 周后，两种种植体在皮质骨内形成几乎相同的骨接触界面。但髓腔内，n i t i h a 与骨结合紧密，n i t i 界面新骨残破、脱落，仍然存在严重的界面开裂现象。植入5 3 周后，n i t i 种植体于皮质骨端因应力集中产生骨吸收。面n i t i h a 秭植体与骨组织呈紧密结合，无裂隙和骨吸收，显示了良好的生物相容性。关键词：n i t i 形状记忆合金，酸碱活化，模拟体液，类骨磷灰石，细胞培养，动物模型评价a b s t r a c tt h ea p a t i t ec o a t e dn i t ii sa ni d e a li m p l a n tw i t hu n i q u ep r o p e r t i e si n c l u d i n gs h a p em e m o r ye f f e c t ，s u p e r e l a s t i c i t y ，l o wy o u n g sm o d u l u sa n d n ii o n sr e l e a s i n gr a t e ，a n dc o n s e q u e n t l yt h ei m p r o v e db i o c o m p a t i b i l i t y a sc o m p a r e dw i t ht h en o r m a l l yu s e dt e c h n i q u e st op r e p a r i n ga p a t i t ec o a t i n g se g p l a s m as p r a ya n dl a s e rc l a d d i n g ，c h e m i c a l l yt r e a t m e n tm e t h o d sh a v eb e e nd e m o n s t r a t e dt oh a v em a n ya d v a n t a g e ss u c ha sl o wc o s t ，e a s yo p e r a t i o na n dh i g hb o n d i n gs t r e n g t hb e t w e e nt h ec o a t i n ga n dt h es u b s t r a t e a m o n gt h ec h e m i c a lm e t h o d s ，s p e c i a l l y ，g r o w i n ga p a t i t el a y e ri ns i m u l a t e db o d yf l u i d ( s b f ) p r o v i d e saw a yt og e ta p a t i t el a y e rw i ms i m i l a rn a t u r et ot h eb i o l o g i c a la p a t i t e s t u d i e si nt h i sf i e l dd e v e l o pt h ea p p l i c a t i o na s p e c t si nc l i n i co f t h eh ac o a t e dn i t i i nt h i sw o r k ，t h es u r f a c eo f n i t ia l l o yw a si n t u r nc h e m i c a l l ya c t i v a t e dw i t hh n 0 3a n dn a o ha q u e o u ss o l u t i o n ，a n dt h e nab o n e - l i k ea p a t i t el a y e rw a sc h e m i c a l l yd e p o s i t e do nt h ea c t i v a t e ds u r f a c eb yi m m e r s i n gt h es a m p l ei ns b f s e m 、e d s 、x r d 、x p sa n df t i rw e r ee m p l o y e dt oi n v e s t i g a t et h ee f f e c to ft h ep r o c e s s i n gp a r a m e t e r so f t h ea c i da n dt h ea l k a l it r e a t m e n t so nt h ec o m p o s i t i o na n ds t r u c t u r eo ft h ed e p o s i t e dc a r b o n a t e - c o n t a i n i n gh y d r o x y a p a t i t e ( h a ) l a y e r t h eo p t i m i z e dp r o c e s s i n gp a r a m e t e r su n d e rt h ec o n d i t i o n so f t h i sw o r kw e r ep r o p o s e d t h eg r o w i n gm e c h a n i s mo ft h ea p a t i t el a y e ri ns b fo nt h ea c t i v a t e dn i t iw a si n v e s t i g a t e di n - d e t a i l i na d d i t i o n ，t h eb i o c o m p a t i b i l i t yo ft h ea p a t i t ec o a t e dn i t iw a se v a l u a t e dw i t he x p e r i m e n t so fi nv i t r oc e l lc u l t u r ea n di nv i v oi m p l a n t a t i o n t h er e s u l t sa r el i s t e da sf o l l o w s ：t h es u r f a c eo x i d el a y e ro nt h en i t ia l l o yt r e a t e dw i mh n 0 3a q u e o u ss o l u t i o nw a sc o m p a c ta n dm a i n l yc o m p o s e do ft i 0 2 a na m o r p h o u sa n db i o a c t i v en a 2 t i 3 0 7l a y e rw i t hn a n o - n e t w o r ks u r f a c em o r p h o l o g yw a so b s e r v e do nt h en i t it r e a t e dw i t hh n 0 3a n dt h e nn a 0 ha q u e o u ss o l u t i o n as m a l la m o u n to fn a 2 n i 4 0 7i nt h ea c t i v i t yl a y e rd i dn o ta f f e c ts u r f a c eb i o a c t i v eo fc h e m i c a l l yt r e a t e dn i t i p r e c a l c i f i c a t i o ni ns b fo fp h7 4a t3 7 r e s u l t e di nt h ef a s tf o r m a t i o no fa m o r p h o u sc a - pp a r t i c l e si nt h ef r a m eo ft h ea c t i v en e t w o r k w h i c hi n i t i a t e e dt h eh e t e r o g e n e o u sn u c l e a t i o no fc a r b o n a t e - c o n t a i n i n gh aa n dp r o m o t e di i摘要t h eg r o w t ho ft h eb o n e 。l i k ea p a t i t e n oc y t o t o x i c i t yw a so b s e r v e dw h i l ef i b r o b l a s t s ( 3 t 3 ) w e r ec u l t u r e do nb o t ht r e a t e da n da n t r e a t e dn i t is a m p l e s h o w e v e gt h ec e l l sg r e wa n ds t r e t c h e dv e r yw e l la r o u n dt h ec o a t e di m p l a n t ( n i t i h a ) ，a n de n t i r e l yc o v e r e ds a m p l es u r f a c ea f t e rac u l t u r i n gt i m eo f6d a y s t h em o r p h o l o g ya n dd e n s i t yo ft h ec e l l sn e a rt h ec o a t e di m p l a n tw e r eb e t t e rt h a nt h a tn e a rt h eu n t r e a t e dn i t i n os i g n i f i c a n td i f f e r e n c e si nt h ei n f l u e n c e so n3 t 3c e l lm u l t i p l i c a t i o nw e r ef o u n db e t w e e nt h en i t i h aa n dn i t is a m p l e s b u ta g g l o m e r a t i v ec e l l sw e r eo b s e r v e da r o u n dt h en i t is a m p l e s h ac o a t e dn i t is a m p l e sw e r ei m p l a n t e di n t of e m u r so fr a b b i t s ，a n df a s tp r o l i f e r a t i o no f o s t e o b l a s t sw a sd e t e c t e da te a r l ys t a g e al a r g ea m o u n to f n e wb o n ec e l l sd i r e c t l ya d h e r e do n t ot h es u r f a c eo ft h en i t i h ai m p l a n t sa f t e ra ni m p l a n t a t i o nt i m eo fl5w e e k s ab o n en a t u r ei n t e r f a c ew a so b s e r v e d i nc o n t r a r y t h ei n t e r f a c eb e t w e e n 也eu n c o a t e dn i t ii m p l a n t sa n db o n es h o w e dt h ep r e s e n c eo fg a p sa n df i b r o u sl a y e i a t2 6 w e e k sa f t e ri m p l a n t a t i o n ，t h r o u g ht h eb o n el i k ei n t e r f a c ew e r ef o r m e di nc o r t e xo f n i t ia n dn i t i h a ，t h ei n t e r f a c eb e t w e e nn i t ia n dm a r r o wh a dd e f e c tw i t ha b s c i s s i o na n dg a p a f t e r5 3w e e k si m p l a n t a t i o n ，b o n ea b s o r p t i o nr e s u l t e df r o ms t r e s s c o n c e n t r a t i o na r o u n dt h eu n t r e a t e dn i t ii m p l a n t so c c u r r e d 。h o w e v e r n og a p so rb o n ea b s o r p t i o nw a so b s e r v e da tt h ei n t e r f a c eb e t w e e nt h en i t i h ai m p l a n t sa n dt h eh o s tb o n e w h i c hi n d i c a t e dt h ee x c e l l e n tb i o c o m p a f i b i l i t yo f t h eh ac o a t e dn i t ii m p l a n t s k e yw o r d s ：n i t is h a p em e m o r ya l l o y , a c t i v a t e db ya c i da n da l k a l i ，s i m u l a t e db o a yf l u i d , b o n e l i k ea p a t i t e ，c e l lc u l t u r e ，e v a l u a t i o nb ya n i m a lm o d e li i i独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘鲎一或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文储签郇碜签字慨2 州驯月怕学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解鑫垄盘堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权墨洼基鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：似，君签字f 1 期：2 。；年月i 矿日别程钰饧绂全签字日期：多删乡年月f 彦f i第一章绪论1 1 引言第一章绪论医用金属材料具有机械强度高、俐疲劳、抗生理腐蚀和组织相容性良好等优点，因而被广泛用做人体硬组织修复、替代材料，主要包括不锈钢( 3 1 6 l和3 1 7 l ) 、钴铬合金、钛与钛合金及钽和铌等金属。在骨科，医用金属及合金用于制造各种人工关节、内外固定器等骨修复器件材料；在口腔科，主要用来制造义齿、充填体、种植体和矫形丝等 1 。近年来n i t i 形状沿忆合会也以其独特的形状记忆效应、超弹性，特别是其低于其它医用金属的弹性模量而被广泛关注f 2 1 。医用金属及合会是生物惰性材料，植入人体后，不能与宿主组织形成有效的化学结合，长期使用会因松动而导致植入失败 3 】。此外，其应用中存在的另一个问题是生理环境腐蚀所致的金属离子向周围组织的扩散【4 。显然，进一步提高金属植入材料的抗腐蚀能力、改善其生物相容性、提高安全使用性能仍是金属生物材料临床应用所面临的主要问题。通过各种涂层和薄膜工艺，在医用金属表面制备生物活性陶瓷或玻璃层，使这种新型生物复合材料满足临床使用要求，成为生物医学工程领域一个十分重要的研究方向 5 , 6 。本文在对人体硬组织修复、替代材料的种类、性能，特别是生物相容性评价进行综合论述的基础上，重点概括了国内外有关n i t i 形状记忆合余的临床应用、体i 勾( i nv i v o ) 、体p l ( i nv i t r o ) 抗蚀性和生物相容性评价，以及为改善合金的性能所进行的各种表面处理技术。1 2 硬组织修复材料及其生物相容性在科技高度发达的今天，除了人的大脑，几乎所有的器官都有人造代用品，它们都是由生物材料制造的。从这一角度出发，生物医用材料就是指与生物系统接合，以诊断、治疗或替换机体中的组织、器官或增进其机能的材料 7 1 。根据临床用途的不同，骨、关节、牙齿等骨髂肌肉系统的修复和替代材料归类为硬组织修复材料或植入材料 7 。1 2 1 硬组织修复材料及其力学性能第一章绪论骨和关节系统是人体主要承受负荷的组织和器官，其力学条件相当复杂 8 。因此，对硬组织修复、替代材料的性能要求不仅包括生物安全性，而且必须有足够的力学性能，并能与宿主骨紧密地结合。1 2 1 1 常用植入材料医用金属材料是应用最早的硬组织修复替代材料，用于承受较大应力的人工假体及矫形物，如股骨头承载的压力达1 4 3 m p a ，牙齿平均承载压力t 6 0 1 7 0 m p a 8 。考虑到金属植入物在体内不能像健康骨骼那样自行调节，较易损伤和断裂，这类材料必须具有更高的强度、弹性模量和抗疲劳肚能，并有一定的韧性。表1常用硬组织修复替代材料【1 ，8 1疲劳极密度弹性模量压缩强度抗拉强度硬度断裂极限材料状态限( g c m 3 )( g p 小( m p a )( m p a )h v( m p a )( m p a )3 1 6 l 不退火7 92 0 04 8 01 8 52 6 0锈钢态退火c o - c r m o7 82 0 06 6 53 0 03 0 9态退火t i 6 a 1 4 v4 51 1 05 5 0 - 5 7 53 8 05 5 1态奥氏n i t i6 4 56 1 79 8 0h r c 3 0 4 05 5 8体高纯a 1 2 0 33 9 33 5 04 5 0 02 2 0 0致密高纯z r 0 24 9 5 6 51 5 0 1 9 01 7 5 01 3 0 0致密孔隙h a3 0 41 0 44 9 25 3 8 90 7 13 4 致密骨2 2 81 5 88 8 1 6 42 2 46第一章绪论医用陶瓷是又一类制造体内修复器件和人工器官的硬组织材料，通常由在生理环境中存在的离子( 如：c a 、p 、k 、n a 、m g 等) 或毒性极小的离子( 如：a 1 、t i 等) 组成，因而生物相容性良好。但生物陶瓷材料性能上的不足也是明显的，它们断裂韧性较低。不宜成型加工，在生理环境中的抗疲劳能力差，在临床上只能用做不承力的植入体。为便于比较，临床常用硬组织修复替代材料及其性能列于表1 。1 2 1 2 生物活性金属在金属基体上制备各种生物活性陶瓷涂层( 或薄膜) ，可充分发挥金属优异的力学性能和陶瓷独特的生物相容性，制成能够满足临床应用的人体硬组织替代和修复材料。目前制备生物陶瓷涂层的方法主要为两大类。其中物理方法指：浸涂烧结法f 9 】、等离子喷涂法 1 0 、离子溅射法 1 1 】、离子注入法 1 2 、磁控溅射法 1 3 1 、脉冲激光法 1 4 、蒸发一沉积 1 5 1 、电化学沉积法 1 6 和阳极氧化法 1 7 1 等。化学方法主要包括：双氧水法 1 8 1 、溶胶凝胶法 1 9 1 、碱处理法 2 0 l 、酸、碱两步法 2 1 和表面诱导矿化 2 2 1 等方法。这样，不仅可提高材料表面的耐磨、耐蚀性，而且可在体内与宿主骨形成直接的骨性结合，即赋予医用金属以生物活性，使之从生物惰性材料变成为生物活性材料。1 2 1 3 骨组织工程材料骨组织工程是人体硬组织替代材料发展的崭新阶段，其基本原理是将成骨细胞种植于生物相容性良好，可被人体逐渐降解、吸收的组织工程支架材料上，形成细胞、材料的复合体，经过体外培养、扩增，植入体内组织缺损区，随着支架材料的降解，形成具有新的形态和功能的组织，达到修复缺损、恢复功能和永久替代的目的。显然，支架材料具有十分重要的作用，它是细胞种植的场所和组织再生的模板，控制着组织结构 2 3 】。目前研究的支架材料主要包括动物骨、胶原和生物珊瑚骨等天然支架材料；羟基磷灰石、生物活性玻璃、磷酸钙和骨水泥等无机材料；聚羟基乙酸、聚乳酸等高分子材料以及胶原、聚合物与羟基磷灰石复合材料 2 4 】。由于骨组织的特殊要求，骨组织工程学研究中多选用无机材料支架。1 2 2 硬组织修复材料的生物相容性及评价方法1 2 2 1 组织相容性第一章绪论材料的生物裙容性通常指其与人体之间相互作用而产生的各种复杂的生物、物理和化学反应。按其接触人体部位不同一般分为血液相容性和组织相容性【2 5 】。对硬组织修复、替代材料而言，主要考察其组织相容性：( 1 ) 材料反应，主要来自生物环境对材料的腐蚀和降解，尤其是应用比较广泛的医用金属植入材料。因腐蚀而导致的金属离子释放，将影响细胞内的生物化学反应和机体的新陈代谢。实际上，材料的耐蚀性与其表面状态有很大的关系。通常，粗糙表面在生理环境中暴露了更大的表面积，使离子释放率增大和耐腐蚀性能下降。然而，这种微粗糙衷蘑对增加种植体与骨的附着，提高骨结合率又是非常有效的f 2 6 】。因此，种植体的表面钝化( 形成氧化层) 就显得很重要。有致密氧化层的微粗糙表面对生物大分子的吸附特性促进了吸附层的尽快形成，从而有效地降低了离子释放的时间和速度 2 7 1 。( 2 ) 宿主反应，指植入材料在生理环境中释放的组分，及材料本身对生物组织的刺激作用。包括局部反应、全身毒性反应、过敏反应、致畸反应和致癌反应等 1 ，2 3 1 。宿主反应的本质可以是消极的也可以是积极的，前者最终导致对组织和基体的毒副作用及基体对材料的排斥作用，后者使组织长入多孔材料的孔隙，有利于组织的再生和重建 2 8 。1 2 2 2 组织相容性的评价标准及方法自上世纪7 0 年代后期开展生物材料学评价标准研究以来，历经几十年的研究，目前己形成了从细胞水平到整体动物的较完整的评价框架，国际标准化组织( i s o ) 以1 0 9 9 3 编号发布了1 7 个相关标准 2 9 。我国于1 9 9 7 年采用了上述国际标准，并制订了医疗器械生物学评价标准g b t 1 6 8 8 6 1 3 0 1 。从而保证了我国生物医用工程领域的规范性。在上述评价方法中，细胞毒性( 细胞培养) 试验以其简便、快捷、灵敏和重复性高、节省动物等优势被列为考察医用材料生物相容性的首选指标，自1 9 4 8 年r o s e nb l u r b 等人茸次选用鼠成纤维细胞筛选医用聚合物以来，其在评价材料生物相容性方面的地位和作用得到了公认。同时也存在几个值得注意的问题：( 1 ) 试验细胞的选择：小鼠的成纤维细胞( l 一9 2 9 ) 及子宫黏膜上细胞( h e l a ) ，一直是细胞毒性试验中的标准细胞【2 9 。随着新材料的不断涌现，人们对这两种细胞代替人体正常组织细胞。评价材料生物相容性的敏感性和可靠性提出了质疑。因此，从9 0 年代起，根据材料的植入部位及其使用目的，采用体外培养的哺乳动物细胞进行评价的观点得到认同【3 0 1 。这第一章绪论使体内环境的模拟更趋真实，得到的结果在临床应用上更具有参考价值。g r e t z e r 等认为要想了解材料植入体内引起的炎症反应对组织细胞的影响，试验细胞应选择单核巨嗜细胞【3 1 ，3 2 。也有作者认为不同组织来源的细胞对材料的敏感性是有差异的，骨替代材料应选择成骨细胞 3 3 。( 2 ) 试验方法的选择：b o n d e m a r k 认为，早期由d u b e c c o 提出的琼脂覆盖法，只适合对毒性大的材料进行筛选，而s a b i t a 提出的分子滤过法，虽然适用于各种形态的材料，但对评价毒性成分分子量小的材料才有说服力 3 4 。浸出液法适合检测材料中溶出物的毒性，o s h i m a 认为不同的浸提条件和浸提方式所制各的材料溶出物在细胞敏感程度上并无显著性差异 3 4 1 。直接接触法是将细胞直接接种在材料上进行培养，由细胞形态的变化和数量的增减检测细胞毒性的程度，并能通过扫描电镜直接观察细胞在材料表面贴附的情况。该方法对细胞毒性的敏感性最高，可铡出材料微弱的细胞毒性 3 5 1 。近年来，硬组织修复、替代材料多采用这种方法 3 6 ，3 8 1 。( 3 ) 确定材料的接触剂量：实验表明，惰性金属硬组织修复材料钛合金的剂量对兔成骨细胞没有不利影响；而不同剂量的聚氯乙烯对兔成骨细胞的生长则表现出强烈的抑制作用。相比之下，h a t c p 陶瓷的剂量对兔成骨细胞相容性的影响却非常大。1 0 剂量的h a t c p 陶瓷不影响细胞生长，只对细胞活性产生可逆性损伤：4 0 齐1 j 量时，细胞生长明显变缓；7 0 剂量则使细胞生长趋于停滞，细胞活性损失较大 3 9 。1 3n i t i 形状记忆合金及其生物相容性所谓形状记忆效应是指一定形状的材料经特殊处理后。在低温状态下，可任意变形，当温度升高到某一临界温度时，材料马上恢复到变形前形状的现象。n i t i 合金是最具代表性的形状记忆材料。对该合金的生物相容性评价、临床应用的现状和材料表面的生物活性化等问题，都是值得关注的。l _ 3 1n i t i 形状记忆合金的特性n i t i 是n i 、t i 近等原子比的金属间化合物，高温母相是具有c s c l 结构的有序相( b 2 相) 。低温下发生r 相变和热弹性型马氏体( m ) 相变，以孪生切变方式转变的m 体具有周期性堆垛的层状有序结构( b 1 9 ) ，其亚结构为层错和孪晶 4 0 】，从而保证m 体与母相的界面是可移动的。低温形变的m第一章绪论体在加热时，界面可逆移动，转变成母相，同时恢复变形前的形状，并伴随很大的回复应力。表1 2 为n i t i 合金的记忆性能。表1 - 2n i t i 合金的记忆性能 4 1 】相变温温度滞形状回复量( 循环次数n )最大回复热循环度应力寿命耐热( m 。)n 1 0 5n = 1 0 6n = 1 0 7性p( m p a )( 次)5 0 l o o2 3 0 6 r 2 0 5 5 9 81 0 5 1 0 7- 2 5 0超弹性是n i t i 合金的另一特性【4 1 ，4 2 ，其应变回复量高达9 - l o ( 工程合金的弹性极限仅为o 1 ) ，与头发和筋腱相当，远大于人骨( 2 ) 的弹性。因此，n i t i 合金丝可人为地弯折成u 形( 图1 - l a ) ，而当外力去除后，又可以完全复原( 图1 1 b ) 。图1 - 1n i t i 合金丝的超弹性f i g 1 1s u p e r e l a s t i co f n i t ia l l o yw i r e ( a 1b e n df r o mas t r a i g h tl i n ei n t ou s h a p e ，( b ) r e t u r n i n gt oi t so r i g i n a ls h a p ew h e nr e l e a s e d除了独特的形状记忆效应和超弹性以外，n i t i 合金还具有优良的力学性能( 见表1 一1 ) ，特别是它的弹性模量较目前i 临床应用的任一种金属材料都低1第一章绪论倍以上 2 ，与人体骨的弹性模量更为接近。因此，n i t i 合金是较理想的硬组织修复、替代材料，有着十分广阔的应用前景 4 3 1 。1 3 2n i t i 合金的临床应用及其生物相容性研究尽管对n i t i 形状记忆合金的生物安全性问题，医学界还持谨慎的态度，甚至存在相反的观点 4 4 】，但独特的性能还是使其在生物医学领域得到了一定的应用。如牙科矫正器和矫形丝【4 5 ，各种人体管路支架及腔道重建 4 6 ，4 7 】以及在整形外科和妇科的应用4 8 等。1 3 2 1 骨替代和修复应用关节是人体主要的承重器官，人在运动时，关节承受的载荷会大大增加，达到体重的3 - 6 倍，甚至l o 倍。此外，髋关节还要承受1 3 1 0 6 次年的循环载荷【8 。因此，对骨和关节严重损坏，导致功能障碍或丧失的患者，就必须实行人工关节、半关节的置换。c o c r 合金是满足这种使用条件的临床材制 7 】。将n i t i 合金制作的人工髋关节与c o c r 合金相比，二者显示了相同的生物相容性，在3 7 c 的h a n k s 溶液中，施加5 8 8 n 的静载荷，7 3 5n 的周期载荷，反复摩擦。结果，n i t i 合金表现出了优于c o c r 合金的耐磨性 4 9 。如果再将与宿主骨相匹配的弹性模量考虑进去，可以说n i t i 合会将是临床效果更好的人工关节和骨替代材料。此外，n i t i 合金人工关节棒安装在人工关节和骨之间，还可以起到自锁固定的作用。如图1 - 2 a 4 9 1 所示，在奥氏体状态下，将n i t i合金棒加工成5 列，共1 5 个“爪”字形弧菱，并于冰水中将“爪”收拢，插入骨中。随温度的增加，关节棒在骨内受热恢复原有形状，撑起的“爪”将关节棒牢牢地固定在髓腔内。颅骨损伤多见于车祸等意外事故。过去颅骨修复常选用高分子材料，因为它有好的生物相容性，但临床应用显示了明显的固定作用不足。八十年代中期，几位中国的物理学家和外科专家发明了用n m 合会进行颅骨修复新技术 4 2 。该技术巧妙地利用了n i t i 合金的相变点随成分变化 4 3 的特点，选用两个不同成分的合金，即：t i 5 07 n i 4 93 合金做颅骨板，在室温至体温范围内以马氏体状态存在，以保证其良好的加工性能；t i 5 02 n i 4 98 合金被加工成h 型铆钉，要求其马氏体转变与逆转变的温度间隔为i o 。c 3 0 。在一5 o * c 的冰水中将铆钉弄直，插入钻好孔的骨板上，随温度升高铆钉发生相变恢复原来第一章绪论的n 型，并将骨板牢牢地卡住。该设计的独特之处在于不仅骨板结合紧密，而且不存在电化学腐蚀问题。医用金属材料广泛用于临床制备骨折内固定矫形物，主要包括骨针、板、钉、螺钉、髓内针、齿冠、三棱钉等接骨器件。所用材料有3 1 7 l 不锈钢、钴基合金及钛合会等 7 。在临床应用中，普遍存在的问题是材料与骨之间存在微小间隙，影响创伤的愈合。a n d e r a s e n 于1 9 7 2 年首次将n i t i 合金用于骨科矫形器件，用m 。点为2 5 的n i t i 合金制作接骨板和骑缝钉( 见图1 2 b ) ，手术时不用施加紧固力，手术后从体外把骨板和螺钉加热到比体温高5 c 1 0温度，靠材料变形的恢复力，可将接骨板与宿主骨牢固而紧密地结合在一起，这对手术后的恢复是非常有利的【4 8 ，5 0 】。记忆合金接骨板在设计上要充分考虑n i t i 合金自身的性能特点，留出约2 m m 左右的伸长量，为避免永久应变，接骨板在马氏体状态下的变形量不应超过6 0 4 9 1 。扩：i c 前扩i 大蔚( a )图2n i t i 合金人工关节棒和加压骑缝钉f i g 2j o i n tp r o s t h e s i s ( a ) a n ds e l f - c o m p r e s s i n gr i v e t ( b ) m a d ef r o mn i t is h a p em e m o r ya l l o y髓内针是利用n i t i 合金的超弹性和形状记忆效应，制备的功能植入体。t u u k k a n e n 等在这方面做了大量的工作。他们将n i t i 合金髓内针在马氏体状第一章绪论态下弯曲居，插入鼠的髓腔内，使其随体温而不断升温，弯曲的植入体逐渐恢复其原始形态，引起骨内弯曲应力，而宿主骨能够响应这种机械力来改变自己的集合外形和内部结构，从而达到控制骨生长和再建的目的 5 1 ，s 2 。因此，n i t i 合金髓内针可促使骨折愈合( 如图1 3 所示) 5 3 】。k a s a i 等用其治疗食道癌骨转移病人的病理性股骨骨折，病人失血少、痛苦小、愈合快，表明髓内针提供了足够的断裂部位固定 5 4 1 。( a )图1 - 3 n i t i 合金髓内针f i g 1 - 3n i t ia l l o yi n t r a m e d u l l a r yn a i l ( a ) s c h e m a t i cp l a n ，( b ) x p h o t oo f p a t i e n t sf e m i l l w i t hn a i l s由先天性、习惯性、神经性或因佝偻病及突发性疾病导致的脊柱侧弯症，给病人生理和心理上都造成很大的伤害，需进行外科手术来矫正。过去采用不锈钢啥伦顿棒，要通过多次手术不断调整矫形力，病人痛苦大，成本高 4 6 。采用n i t i 合金制作的哈氏棒，在摄氏零度以下按病体个案脊柱侧弯的弧度弯曲成相应的形状，并将其手术植入脊柱两侧，固定后加热，哈氏棒受热恢复形状，并产生恢复力，推动脊柱变形、拉直 5 5 ，5 6 】。笔者认为n i t i 合金哈氏棒另一个无法比拟的优势在于，它可通过外界温度的控制，调控棒的变形量第一章绪论和恢复力，使之逐渐变化，最终一次手术达到矫正脊柱侧弯的目的。临床矫正效果显著，术后病人平均身高增加3 8 c m 4 6 1 。1 3 2 2n i t i 合金的生物相容性研究由于n i t i 合金主要用作承力植入材料，所以有关其生物相容性的评价主要从材料在体液中的耐蚀性、体p b ( i nv i t r o ) 的细胞毒性及动物体n ( i n v i v o ) n织相容性几方面进行。植入材料在生理环境中的腐蚀行为，其可能释放的有毒离子与材料的生物相容性直接相关。研究表明，与3 1 6 ( 7 ) l 不锈钢和t i 6 a 1 4 v f 或纯t i ) 相比，n i t i 合金在3 7 。c 的h a n k s 溶液中有明显钝化行为，且比3 1 6 l 不锈钢有更强的抗钝化膜破裂的能力，与钛合金无显著差异 5 0 ，5 7 5 9 。篪图1 - 4 三种常用医用材料在3 7 。c 的h a n k s 溶液中电位动力学曲线f i g 1 - 4p o t e n e i o d y n a m i cr e s u l t sa r ec o m p a r e df o rt h r e ec o m m o nm e d i c a lm a t e r i a l si nh a n k ss o l u t i o na t3 7 图1 - 4 是上述三种材料的电位动力学曲线，说明n i t i 合金在生理环境中的腐蚀抗力较高 5 7 。c i s s e 认为原因有两方面：首先，n i t i 合金在自然状态下表面会形成含少量n i 的t i 0 2 钝化层，阻碍n i 离子向表面扩散，增加表面钝化层的稳定。陛 6 0 j 。其次，n i t i 合金在h a n k s 溶液中长时间( 文献中为1 7 天) 浸泡，表面t i 0 2 层与生理液中的c a 、p 等元素发生化学反应，形成c a p 层 5 7 】，进一步阻碍n i 离子的扩散。正是由于这样的原因，尽管n i t i毪鼍耍第一章绪论合金中n i 组元含量高达5 0 a r m ，但n i 离子在体内的溶出量则处在安全范围内。如：在唾液中的溶出量1 3 0 5 l ag d a y 6 1 ；在h a n k s 溶液中的溶出速率为1 4 5 1 0 7 i tg e m 2 s 5 7 1 。柳春明等将n i t i 合余缝牵张器植入犬腭骨，分别在2 、4 、8 、1 2 个月后，检测动物鼻咽粘膜、肝和肾组织中的镍含量，结果与对照组无显著性差异 6 2 1 。与此相反，由于大量c 1 离子的存在，n i t i合金在o 9 n a c l 溶液中的抗点蚀能力明显低于钛合金 6 3 1 ，这可能与材料本身成分的偏聚、缺陷、表面状态及n i 离子在含c l _ 离子介质中的选择性溶解有关。用于人体硬组织修复、替代材料的细胞毒性检测，通常选取人或哺乳动物的成骨细胞或成纤维细胞。研究表明，n i t i 合金对这两种细胞的生长没有抑制作用，细胞在材料表面贴覆良好，增殖正常 5 8 ，6 4 ，6 5 1 ，不产生致敏、致畸和染色体毒性 6 6 1 ，其生物相容性总体上与t i 合金相当，略好于不锈钢。这可能与n i t i 合会在生理溶液中具有良好的抗蚀性有关。但r y h a n e n 认为，n i t i , 合金在培养初期释放的n i 离子量还是较多的【6 7 。k a p a n e n 等人近期将小鼠的成骨细胞，分别种植在等面积的纯钛、纯镍、不锈钢和n i t i 合金表面培养4 8 h ，结果表明：n i 试片上细胞的死亡率最高，n i t i 合金上的死亡率比不锈钢低4 倍，与纯钛相当；此外，细胞在n i t i 合会上的耐受力很强，局部细胞附着率甚至高于钛合金 6 8 1 。德国科学家的实验研究更加直观，他们采用粉末冶金法，先用冷等静压制备1 0 个不同n i 、t i 配比( 从n i ：t i = 9 0 ：1 0直到纯t i ) 的小锭子，然后一并放入钢制包套中，热等静压成功能梯度材料。选用两种不同的成纤维细胞m g 6 3 和3 t 3 ，以及两种成骨细胞s a o s 2 和h o b 进行接种培养，结果表明，试样的富t i ( 1 0 0 。5 0 t i ) 端显示了良好的细胞附着和增殖；而随着n i 含量的增加细胞毒性的影响逐渐显现出来，表现为：高n i 试样边缘存在一定宽度的无细胞区，且呈蜂窝状的细胞分裂使细胞变圆，趋于凋亡。结构分析表明，n i 含量大于5 0 a t m 的合金中，除n i y i金属间化合物相外，n i 3 t i 和n i 相的量逐渐增多 6 9 1 。可以认为，只有当合金中n i 组元以这两个相的形式存在时，合金才显现明显的细胞毒性。金属离子对细胞的毒性体现在它能够通透细胞膜，导致细胞功能障碍，使细胞增殖能力和代谢能力降低。对于不同的细胞，显示毒性的n i 离子浓度不尽相同。使鼠成骨细胞产生毒性的n i 离子浓度的极限为2 0 0um o l l 。浓度 1 0um o l l 时，n i 离子对人成骨细胞的a l p 活性非但无毒，甚至还产生积极的促第一章绪论进作用，使导致材料细胞毒性的n i 离子浓度上升至1 0 0um o l l 4 】。然而，n i t i 合金对软组织细胞的毒性是显而易见的。w a t a h a 等研究了n i t i 合金对单核白细胞及微血管内皮细胞的影响，发现合金中释放出的n i 离子浓度达到7 2ug l 时，就会从单核白细胞中诱导出i l - 1b ，并反过来在内皮细胞中形成i c a m 一1 ，这将增加n i t i 合金种植体在体内的炎症反应 7 0 。宛建新等分别将n i t i 台金和3 1 7 l 浸提液加入犬成纤维细胞培养基中，n i t i 浸提液对细胞增殖功能的抑制作用强于3 1 7 l 不锈钢f 7 1 。s h i h 等的研究也表明，由于n i 离子的溶出，n i t i 合金对平滑肌细胞有毒。他们在d u l b e c c o 修正的e a g l e s介质中对n i t i 进行电化学腐蚀，结果显示n i t i 的腐蚀产物具有细胞毒性，且腐蚀产物的浓度越高，抑制细胞生长的作用就越大，毒性还表现为改变细胞的形态、引起细胞坏死和降低细胞数量f 7 2 1 。n i t i 合金植入体内，通常在植入初期会有轻微的炎症反应，几天后消失，4 - 9 周后在n i t i 合金植入材料周围形成致密纤维结缔组织，不形成骨整合，与不锈钢及钛合金植入材料在动物体内所造成的宿主反应基本相同 7 3 ，7 4 。但如果使种植体早期负重，则早期纤维组织膜明显变薄。3 月后，新骨逐渐增多，