镍钛合金在豚鼠听泡的生物相容性观察△

张媛媛 肖自安 李周 徐国富 黄伯云

医用镍钛形状记忆合金(nitinol, NiTi)是一种易处理、易保存、生物性能稳定、生物相容性好的新型智能生物材料，利用其形状记忆特性，可以制成特殊形状的环抱器或固定装置，便于手术安装或操作[1]，该材料已在骨内固定、血管和气管支架等方面得到广泛应用[2]。2005年，Rajan等[3]首次报道NiTi应用于听力重建手术，Tenney等[4]利用镍钛合金的超弹性及热塑形记忆效能，将镍钛自收缩人工镫骨piston (Nitinol self-criming stapes piston)应用于镫骨切除术后听力重建，术后患者听力恢复良好，说明其声传导性能优越。植入材料的生物相容性与植入部位的生理生物学特性相关，相同的合金在不同部位植入产生的离子变化和局部反应不同，机体不同部位的内环境对植入体产生的反应也有不同。中耳腔与镍钛合金的生物相容性如何值得探讨，为此，本研究将NiTi与纯钛(Ti)分别植入豚鼠听泡，以探讨镍钛合金在豚鼠听泡的生物相容性特点。

1 材料与方法

1.1实验材料 NiTi(原子比：Ni 52%，Ti 48%)由中南大学材料学院李周教授提供，对照材料纯钛(Ti)购自宁波慈北医疗器械有限公司。植入前材料经dH2O清洗15 min 3次，dH2O浸泡24 h，环氧乙烷消毒。实验动物为中南大学校实验动物中心提供的健康、听觉灵敏的纯白红目豚鼠50只，体重150～200克，SPF级饲养。

1.2方法 每只豚鼠一耳为实验组(50耳)，另一耳为对照组(对照组I、II各25耳)，实验组：豚鼠1%戊巴比妥钠(40 mg/Kg)腹腔注射全身麻醉后，耳廓根部皮肤切口，打开听泡，将NiTi用肌膜部分包裹后埋植于听骨链处。对照组I：同法在听泡埋植Ti。对照组II：打开听泡不埋植材料。将实验过程中死亡和中耳感染的4只豚鼠剔除，补足50只进入实验。术后肌肉射注青霉素，分别在术后7、14、28、56、112 d随机处死含对照组I和对照组II的豚鼠各5只，打开双侧听泡，观察埋植物周围有无炎性肉芽和埋植物表面的新生骨骼组织情况。Sirion200场发射扫描电镜(FEI公司，美国)观察材料表面新生组织，GENESIS 60S EDAX能谱仪(EDAX公司，美国)对新生组织的元素构成进行能谱分析。

2 结果

2.1听泡及埋植材料解剖显微镜观察 听泡内埋植材料NiTi及Ti的表面均有新生骨骼样组织生长，这些组织有纤维状物与听泡壁及听小骨相连，周围未见明显肉芽组织，但包裹埋植材料的筋膜由萎缩至完全消失；未植入材料组听小骨表面无明显改变，移植的筋膜也逐渐萎缩至完全消失。植入材料表面无腐蚀斑点，无明显颜色变化(图1)。

2.2Sirion200场发射扫描电镜观察 植入的NiTi及Ti表面均有新生组织形成，术后同一时间点的2种埋植材料表面的新生骨骼样组织的生长方式和丰度基本相同，术后7 d表现为零星的点状或条索状，从14到56 d，新生组织逐渐增多交织成网状，112 d时形成板状(图2、3)。

2.3GENESIS60S EDAX能谱分析 NiTi表面新生组织的元素构成：碳(C)，氮(N)，氧(O)，磷(P)，钙(Ca)，极微量的钛(Ti)及镍(Ni)；Ti表面新生组织的元素构成：C、N、O、P、Ca及Ti；空白植入组听骨的元素构成为：C、N、O、P及Ca。这些新生组织的元素含量除含Ni 和/或Ti外，其余元素成分和百分比的数量均与骨骼组织基本相同，说明NiTi和Ti表面的新生组织是骨骼组织。

3 讨论

理想的中耳听骨赝复物必须具备以下特性：① 高度的生物相容性、可靠、安全无害、长期稳定性、不被吸收，并发症少，能提高赝复物与鼓膜移植后及残存听骨或镫骨足板间的融合，有效提高听力；② 移植技术容易掌握；③ 尽量低的并发症发生率；④ 最大限度改善气骨导差[5]。目前临床常用的听骨赝复物可分为：自体材料、异体材料及人工合成材料三种[6]。自体材料具有较好的生物相容性和声导性，但自体听骨常残留微小病灶, 易致术后感染；自体软骨柔软易变形，术后易发生粘连；自体皮质骨加工塑形困难。异体材料生物相容性好, 术前可雕刻成不同的形状, 但贮存条件要求较高, 有传播疾病的可能，伦理学的问题亦限制了其应用。人工合成材料如多孔高分子聚乙烯的显著优点是质轻且多孔, 适合组织长入, 但有不稳定性、易脱位。目前临床上应用于听骨链重建最多的材料是羟基磷灰石和钛，羟基磷灰石生物相容性和组织亲合性好，质地硬，能很好地传递振动能量，但是质量大，易碎，手术时修剪困难，且易脱位；钛质人工听骨有生物相容性和组织亲合性佳、耐久性好、 重量轻、可塑性强、不易脱位等优点[7]。听骨赝复物材料在保证这些优点的前提下，如何进一步方便操作，使其手术固定更简化，也是选择听骨赝复物制作材料需要考虑的重要内容，但生物相容性是植入材料的首要考虑。

Spiekermann(1995)把材料的生物相容性定义为：一种理想的生物材料，不会导致机体的病理性变化，并可以诱导出其周围的组织，包括骨组织、结缔组织和上皮组织的生理反应。植入物周围纤维包膜或新生骨的形成常被认为是材料与组织之间的理想反应，是提示材料生物相容性良好的一个指标。NiTi作为一种集感知和驱动为一体的新型功能材料，是智能材料的重要组员，具有强度高、比重低、抗疲劳性能佳、耐腐蚀、耐磨、低磁性、形状记忆效能、超弹性及生物相容性好等优点[8]，已经证明了NiTi在肌肉、骨组织、神经组织、血液及皮下均有良好的生物相容性[9]。NiTi用于制作听骨赝复物有其独特的优点，取得了良好的听力重建效果[3，4，10～12]。本实验发现NiTi植入体周围无明显炎性反应，术后第7 d NiTi表面出现零星的新生骨骼样组织，随着植入时间的延长，表面新生骨呈网状，最后呈薄板状，与Ti表面的新生骨骼样组织在生长模式和丰度基本相同。植入的NiTi和Ti材料表面在植入112天后仍未见腐蚀斑点，无明显颜色变化，说明无明显的生物退变性。NiTi和Ti表面新生组织的扫描电镜能谱分析，证实为新生的骨骼组织，说明NiTi表面成骨反应性能良好，在听泡中有很好的生物相容性。本实验中发现植入组和对照组听泡内移植的筋膜都在手术后逐渐萎缩至完全消失，可能与听泡内无明显黏膜组织、血液供应不良有关。

图1术后112 d听泡内表面和植入材料解剖显微镜观察a: NiTi植入体，b: Ti植入体，c:空白植入。白色箭头：植入体，红色箭头：听小骨，绿色箭头：耳蜗

图2术后4个时间点NiTi植入体表面新生骨组织形貌(×1 000)a：术后7 d，b：14 d，c：56 d，d：112 d。红色箭头：新生组织，绿色箭头：NiTi植入体表面。其中图d中绿色箭头所指示部分的植入体表面新生组织在操作时脱落

图3术后4个时间点Ti植入体表面新生骨组织形貌(×1 000)a：术后7 d，b：14 d，c：56 d，d：112 d。红色箭头：新生组织，绿色箭头：Ti植入体表面。图d中新生组织裂隙下为植入体Ti的表面

本实验也发现，NiTi表面新生骨组织含有极微量镍(Ni)及钛(Ti)，说明未进行表面修饰的NiTi有极微量Ni及Ti释放，与文献报道的金属植入体在接触的人体组织中可能有金属离子溶出[13]相吻合。这种脱金属离子现象可以通过植入体表面修饰和改性等方法得到抑制。本实验采用的NiTi未通过表面特殊处理，导致其在表面的新生骨中微量Ni释放。生物材料学家发现对NiTi进行表面处理，如在NiTi表面形成致密稳定的氧化物TiO2，或表面镀膜，可以抑制或减少Ni的释放[14]。需要强调的是，NiTi在中耳微量释放的Ni，是否对相邻的内耳产生毒性，将通过后续的实验进一步观察。

4 参考文献

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12 Rajan GP, Atlas MD, Subramaniam K, et al. Eliminating the limitations of manual crimping in stapes surgery? A preliminary trial with the shape memory Nitinol stapes piston[J]. Laryngoscope,2005,115:366.

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