生物記憶材料?鎳鈦合金?在骨科領域中的研究與進展
發布時間：2010年12月24日 閱讀次數：764
第二軍醫大學長海醫院骨科 張春才
自1963年Buehler報道了鎳鈦(NiTi)合金具有形狀記憶效應以來，對其本質和應用研究日趨深人。尤其在醫學界，因其獨特的力學行為與優良的組織相容性，倍受關注。
1 NiTi合金形狀記憶效應的原理和特性
所謂”形狀記憶效應”是指NiTi合金對它的金相幾何形狀有”記憶”本領，宏觀而言，將一定形狀的合金試樣，低溫塑形形變后，再將試樣加熱，試樣又回復到它原來的形狀，同時，產生巨大的回復力，例如橫截面積為lcm2的合金棒，相變時產生850Okg的力。
記憶效應分三種:(1)單向記憶:低溫金相受力變形，高溫金相回到原狀。C2)雙向記憶:能記住高溫與低溫金相，隨溫度而發生順、逆性變化。(3)全程記憶:機理不甚明了，可能是金相中的一種內應力場起了主要作用。形狀記憶效應的應變量依合金的種類而各有所異，約5-20%之間(一般金屬小于0.5%),NiTi合金為8%。
形狀記憶合金具有“熱彈性馬氏體型”相變。NiTi合金為例，高溫奧氏體相為體心立方有序晶體結構CaCl型B2晶格，低溫馬氏體相(M)為單斜畸變結構Bl9晶格，從B→M，存在一個對雙程記憶效應起著重要作用的R相變。
在B2=R，R=M和R2=M的順、逆相變中，母和子相中相鄰原子位置不變，只是界面上原子發生協作位移-晶體切變。這種切變不但對記憶效應和超彈性起了重要作用，而且也使其耐疲勞性能優于一般金屬材料。
具有記憶效應的合金已發現20余種，實用化潛力大的有鎳基、銅基及鐵基形狀記憶合金。NliTi合金為近等原子比的NiTi金屬間化合物。國產的醫用NiTi合金，Mi含量為50-53%。相變溫度可依臨床而行相應的工藝處理;同時亦適當改變它的彈性模量。
2 醫用NiTi合金的基礎研究
實驗表明，NiTi合金具有強度高、比重低、耐疲勞、耐腐蝕、耐磨損、低磁性、無毒等優點。
體外非生理環境中，NiTi合金試樣放于4.5-7.8米/秒的高速海水中，為期60天后，繼而又在35米/秒的高速海水中做為期30天的空蝕試驗，結果試樣的磨損量微乎其微;而在100%屈服應力下于靜止海水中作為期一年的抗裂縫腐蝕試驗-試樣疲勞裂縫未見坑蝕。
體外模擬生理環境中，Williams將胎兒芽細胞，借助培養液分別與直徑6.5mm、厚0.5mmNiTi、Ni、Ti、CoCr、316L試樣接觸，觀察諸金屬對細胞的毒性。結果，Ni有很強毒性，而NiTi則比Ti好。Patter等觀察Ni、Ti和NiTi合金對人成纖維細胞有絲分裂，發現Ni有明顯抑制作用，而NiTi合金與Ti則表現出優良的組織相容性。Assad等將NiTi，Ti，Co-Cr-M0，316L進行細胞毒性比較，結果排列順序為NiTi≈Co-Cr-Mo>Ti≈316L。薛森等證實NiTi合金在人工唾液、汗液和Hanks生理溶液、氯化鈉、鹽酸和硫化鈉溶液等七種介質中的抗腐蝕研究，等級評價均屬一級。
體內研究，Castleman等用狗、鼠和猴進行實驗，證實NiTi合金置入皮下或骨表面9周-6個月后無排異或炎癥和NiTi受腐。病理學和電鏡等觀察，NiTi合金具有較高的生物相容性和較低的生物退變性。盧世璧等將NiTi合金片埋人兔肌肉中，觀察一年，無不良反應。張春才等用研制的海螺狀與螺旋球形記憶血管栓塞器對39根犬靶動脈進行栓塞研究，栓后4、6、8周及1年、2年的組織學觀察，發現栓器間隙內有程度不等的機化血管，內皮細胞再生未受到NiTi合金的影響。
張春才等應用鎳鈦聚髕器(NT-PC)治療髕骨骨折，于術后5個月取出NT-PC的同時，隨機活組織檢查11例，鏡觀:靠近NiTi金屬表面的軟組織為致密薄薄的膠原纖維結締組織。Latal等將NiTi合金架放人10只德國牧羊犬的尿道中，對粘膜、肌肉和尿道周圍組織做為期1、3、6、12、18個月的多種研究，結論為無異物反應，無腐蝕。Grenadier等觀察犬冠狀動脈內膜對NiTi鎳鈦合金圈的組織學反應，發現3與6個月比較，增生厚度隨時間下降。
薛森將NiTi試樣植人大白鼠后肢骨髓腔內，為期14-60天，血腫由肉芽組織逐漸成為纖維組織并環形包繞試樣，其外有軟骨性骨痂及新生骨小梁。第4、5、10個月時，NiTi合金組的組織修復過程比對照組316L、CFRC組完成早。電鏡顯示NiTi合金試樣植人10個月后，表面仍光亮如初;而316L與植人前相比，表面出現腐蝕區。鍋島、大西等人在家兔脛骨上固定NiTi合金接骨板，植后2周，板與骨之間形成結締組織被膜；4周時被膜變薄，產生新骨；6周類骨復蓋，而對照的316L組則是結締組織多，類骨少，316L表面有點狀腐區。
許碩貴、蘇佳燦等首次利用電測、光彈及三維有限元的綜合分析，將生物記憶力學，納人臨床前的基礎研究。探索表明:以聚髕器、天鵝接骨器、三維髖臼內固定系統為代表的生物記憶力學，對骨塊間，不但能有效維持其解剖形態、而且在骨斷端碎塊間形成了三維的記憶應力場，如天鵝記憶接骨器在骨斷端三維空間六個應力，以正應力為主的記憶應力刺激，不僅保證了斷端的穩定，而且為成骨提供了新的環境。嚴望軍在SMC對犬股骨骨折愈合及超微結構的影響方面，發現成骨細胞的成熟早于非記憶性固定方式。
蘇佳燦、張雪松、萬岷等通過對30只家犬兩側股骨中段橫型截骨，左側以SMC、右側以IN固定發現:發育成熟的血管內皮細胞，SMC組快于IN組，證實了在記憶應力下，血管更早期向骨斷端長入，為骨折愈合提供必要的營養成分。
綜上所述:NiTi合金的組織相容性優良，加之所獨有的特殊力學行為，實為目前難得的和唯一有”記性的”生物材料。
3 醫用鎳鈦合金在骨科領域的應用
3·1脊柱方面
10年，趙定麟設計的NiTi人工頸椎椎間關節在減緩多節退行性變和簡化術式方面有著積極的導向意義。同時，提供了寶貴經驗。
Harrington棒和Luque棒是治療脊柱側凸的常用方法，就其術后的矯正力而言，術后2Omin就下降20%，l0-l5天則下降30%左右。Harrinton棒隨著脊椎側凸曲度逐步變小，其支撐作用力也隨著下降，而Luque棒水平作用力有限。所以1976年Schmerling用直徑為6.3mm、回溫點為43°C的NiTi合金棒在人尸體上進行矯正試驗，取得充分矯正力。1993年，Sanders等用回形產生的2OON及5OON回復力的6mm及9mmNiTi合金棒，治療實驗造成脊柱側彎的山羊，獲得成功。1986年盧世壁報告了一種自行設計的NiTi合金棒并臨床應用32例，取得比較滿意的療效。預測形變的矯正力與脊柱側彎之間，有著相當大的研究與發展空間。
1988年，張春才等為骶1、2腫瘤切除術后的骶骨重建所設計腰骶內固定器，臨床應用3例，探索了初步經驗。
3.2關節方面
髖關節:戴克戎等設計NiTi股骨頭杯，它杯口收攏，不易因旋轉發生內翻與脫落。趙文寬等用NiTi合金螺絲釘治療163例新鮮股骨頸骨折，取得良好的療效。
長期以來，髖臼骨折、尤其是粉碎性復雜性髖臼骨折，一直是創傷骨科中的難題之一，髖臼解剖形態雖然復雜而不規則，但其共同特點是和大小的弧線相連相疊;皮質骨較集中于線嵴部;松質骨充實，血運豐富。這些特點，至少提示了:(1)非一種形態的固定物所能勝任。(2)只要穩定于解剖位，骨愈合應快于管骨干。張春才等依髖臼髓白的解剖特點與鎳鈦合金特性，研制髖臼三維記憶-ATM-內固定系統.由前柱臼A;后柱臼B;弓齒C;粗隆D四組系列組成。臨床應用髖臼骨折41例。結果:不但能將復雜粉碎的髖臼穩定地聚合于解剖位，而且術中操作簡便。41例髖臼骨折，隨訪6-28個月:38例術后1.6月骨性愈合;2.5月，傷側髖關節功能達到健側水平。異位骨化，關節失用1例;骨化性肌炎，功能障礙2例;感染并獲得痊愈與功能無障礙1例。髖臼三維記憶內固定系統，為粉碎的髖臼獲得解剖性重建，提供了一種新而有效的內固定技術與方法。
膝關節:張春才等為治療各類型髕骨骨折并試圖取代”部分和全髕切除術”，設計了一種NiTi聚髕器(NT-PC)。它具有2個髕底功能爪枝，3個髕尖功能爪枝和一個連接爪枝的腰部，體溫驅動下，能從5個方向產生回復力，向心、主動、持續地把粉碎的髕骨聚合加壓于解剖位直至骨愈合。至95年2月，臨床應用4023例:傷膝關節功能達到健側水平平均7.14周，優良率98.3%。末發現”大髕骨”現象。NT-PC不但適用于各類型髕骨骨折，而且為避免”部分與全髕切除”提供了一種簡便、有效的方法。
肘關節:王家林等設計了具有導向固定作用，并能主動記憶加壓于骨斷端的尺骨鷹嘴導向記憶固定器。聚合與對骨斷端導向記憶壓力兼顧。臨床應用21例，解剖復位率95.7%，術后平均6.8周，患肢功能達到健側水平，末出現感染、本器斷裂、骨不連等并發癥。張春才、禹寶慶等設計的肱骨髁上解剖型記憶接骨器，用于治療肱骨髁上骨折、骨不連共28例，隨訪未見并發癥，效果優良。
腕關節:橈骨遠端涉及關節面的粉碎骨折、骨不連與各種畸形，臨床多見，處理困難。禹寶慶等設計的橈骨遠端解剖型記憶聚合器，為之探索了一條新的途徑。經三維建模及有限元分析:軸心持應力14.66Mpa;聚壓應力20-4OMpa。臨床治療骨折與骨不連7例。效果優良。
3.3四肢骨折內固定方面
戴克戎等采用絲材設計的NiTi騎縫釘，從力學上較日本的NiTi門字釘先進。它的橫形加壓段呈波浪狀，為治療近關節部的骨折，提供了一種新的方法。在此啟迪下，張春才等采用板材設計了系列弓齒記憶接骨器，采用莫爾原理計算，求得:P=13.69δ，發現它的受力與位移呈線性關系;在連臂的功能弧上，循規則與不規則骨的解剖形態，設有正弓與反弓，它于骨斷端的記憶壓應力5-1lON;在臂端力點的接觸面上，呈鋸齒狀，將之穩定性從松質骨擴大到皮質骨。臨床應用于骨盆骨折、舟骨不連、踝關節融合等。
肱骨干系非承重骨，肢體的自重與地心引力于橫斷骨折具有分離作用。治療方法雖各有所長，仍有較高的并發癥，如骨不連。張春才等針對這一問題，設計的”弧叉狀肱骨髓內記憶釘”，髓內“Y”型，截面“V”形，有一定的抗分離作用。臨床治療肱骨干中1/3骨折與骨不連，共36例，失敗5例(13.8%)。
在此基礎上，繼之所研制的”弓形主動記憶加壓接骨器”，理論上與實踐上，探索了上肢管狀骨骨斷端持續加壓問題，臨床發現骨樣骨板狀替代較加壓鋼板出現早，且未發現應力遮擋問題。臨床應用于肱骨、尺橈骨干共71例，平均術后隨訪15.8個月。結果:骨折組45例，并發骨不連2例;43例術后平均2.5個月骨折端出現骨樣骨板狀替代;骨不連組28例，并發骨不連1例，27例術后平均3.7個月骨折端為類骨樣骨板狀替代。骨不連的發生率下降到4.2%。但在設計上尚存問題，如有的病例需要髓內針輔助固定，術式較繁瑣。在骨樣骨板狀替代的骨愈合現象的鼓舞下，張春才等進一步研制成功天鵝型記憶系列接骨器(SMC)。SMC不但能將骨斷端軸向地整體”記憶”于解剖位，而且能產生非AO性的動態性加壓力;它的全場應力分布，屬非一次性地、靜態地作用于骨斷端。臨床應用于鎖骨、肱骨、尺橈骨干骨折與骨不連188例243根，術后棄用制動，7-10天主動功能鍛煉，平均隨訪2.25年。結果:發現:243根骨干，240根骨愈合，優良率98.7%;并發骨不連3例，將骨不連的并發癥降至1.24%。值得注意的是:1.術后2-4月間，出現一無骨痂、二無骨萎縮的骨板狀替代;2，術后2-4個月間，上肢的功能恢復與骨愈合同步;3.提示了骨愈合的方式可能隨生物記憶材料的特性而有新的模式。
全髖人工關節置換術已相當普及，可能因骨質或股骨的人工假體柄下與骨干的應力關系，導致柄下骨折。此類骨折，治療難度大，骨不連的發生率較高。徐衛東等為之設計的柄下骨折記憶加壓接骨器為解決這一難題提供了一種行之有效的方法:它軸向持骨、縱向斷端加壓、夾板植骨，提高了斷端的穩定性。Harris評分為92分。股骨干粉碎骨折，髓內釘或交鎖釘固定是臨床上常用的方法。如何將碎骨塊達到解剖復位?是我們常遇到的問題。通常鋼絲捆扎，但穩定性較差;捆扎帶較好，但于皮質的接觸過多，不利血運。張春才，趙杰，張秋林等設計的記憶箍環，為碎骨塊的解剖復位，一則提高了骨塊復位的穩定性，二則與骨面形成有利于血運的點位接觸。臨床上與髓內針聯合應用，取得了良好的效果。
戴克戎等設計NiTi鋸齒臂環抱內固定器，動物實驗與體外力學試驗證實，它有良好的抗彎與抗扭作用，應力遮擋效應明顯低于接骨板，臨床應用17例(股骨、肱骨、橈骨、尺骨骨折)，效果滿意。楊佩君等研制的NiTi鉗夾式內固定治療64例掌、指、跖骨骨折;董紀元等研制的”Y”型髓內釘治療掌、指骨骨折，從髓內外手、足、管骨的固定提供了新鮮經驗。
4 展 望
記憶材料不下百種(包括金屬、塑料、高分子等)，但從目前的研究資料來看，在醫學界具有巨大挖掘潛力的唯有NiTi形狀記憶合金。1990年，美國FDA組織批準鎳鈦合金相關產品進入醫療市場。同年，我國學者首次將其命名為”生物記憶材料”。回顧鎳鈦合金的醫用基礎研究，雖在組織相容性方面做了不少工作，但更系統的多方位、多角度研究尚有待繼續深人。在臨床治愈相關疾病的機理方面，則是現象觀察偏多，揭示本質的理論研究才剛剛起步。例如天鵝記憶接骨器固定骨折術后2-4個月，骨折斷端呈”解剖型”板狀骨替代。即無”堅強固定”所致的骨萎縮，亦無彈性”微動效應”帶來的骨痂(似乎”跳過”了骨痂塑形期)。這種”非堅非微”的骨愈合現象，是否與SMC的動態應力場有關?還是真的存在著尚未被認識的另一種新的骨愈合形式?這種記憶成骨MO)(Memorial Osteosynthesis)的現象，尚需進一步探索其規律。在器件的取材方面，多限于絲材與板材，鑄造件尚未見報道。在利用記憶效應方面，多單程少雙程，全程尚未見報道。在材料性能與臨床問題的巧妙結合方面，還需不同程度地深人研究與不斷完善。
在骨愈合方面，所出現的一無骨痂、二無骨萎縮的骨板樣替代之MO現象，是否提示了一種新的模式？尚需進一步探索。盡管如此，鎳鈦合金在醫學界，尤其在古科學界的活力，以展現出強大的生命力，也標志著人類醫學的相關學科，跨入了“生物記憶材料”的年代。
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